Scegliere l’inverter

Questa volta vi racconto di come mi sono regolato nella scelta dell’inverter per il mio progetto di power bank da 1kWh, che ho soprannominato: Tafarn 1.

Vi anticipo solo che accoppiare inverter e celle è molto importante, e permette di estrarre il massimo dal vostro progetto.

Scegliere la potenza dell’inverter

Innanzitutto la potenza! Il primo esperimento l’ho fatto con un vecchio inverter ad onda quadra modificata, da 600W, che pensavo potesse reggere la macchinetta del caffè da 1300W, invece nemmeno riusciva ad accenderla, figuriamoci fare il caffè.

A quel punto ho deciso di comprare un inverter, ma per fare cosa? La prima idea era quella di poter fare il caffè sulle piste da sci! Dato che io non scio, pensavo, mentre aspetto gli amici e i figli, almeno mi posso fare il caffè!

Ma come vi ho raccontato ne “Il costo di un inverter“, il costo di un inverter oggigiorno è decisamente basso, pertanto, perchè non ampliare lo scopo del progetto, e passare da alimentare la macchina del caffè ad alimentare tutta casa?

Un inverter da 2500W di potenza costante, ovvero da 5000W di potenza di picco mi è sembrato un ragionevole compromesso tra costo e prestazioni. Nel video sotto, vedete il mio inverter collegato alla prima versione del pacco di batterie:

Ecco il link alla pagina dove l’ho comperato: SWI Power 2500W Pure Sine Inverter

La tensione di funzionamento

Questo è stato il secondo criterio di scelta, e si tratta di un criterio molto importante. Ho scelto di lavorare con un inverter a 48V per avere delle correnti ragionevoli, quindi verosimilmente una efficienza maggiore.

Se per fare un conto semplice, consideriamo 50V al posto di 48, bastano “solo” 50A per fare 2500W. Se avessi scelto lo stesso modello, ma a 12V, supponendo di lavorare a 12.5V per semplicità di conto, mi sarebbero serviti 200A per ottenere la stessa potenza. Capite che 200A sono ben altra cosa rispetto a 50A.

Visto che la potenza dissipata aumenta con il quadrato della corrente e un cavo da 10 mmq in rame ha una resistenza da 1,71 mOhm al metro (ho preso il dato da questo sito) quanta potenza viene dispersa?

Se considero 1 metro di cavo da 10 mmq dal positivo della batteria al positivo dell’inverter e un altro metro di cavo dal negativo dell’inverter al negativo della batteria, in totale fanno 34,2 milli Ohm. Facendo il conto, escono numeri sconvolgenti:

50A x 50A x 34,2 mOhm = 85W

Se invece dovessi usare un inverter da 12V, con lo stesso cavo non potrei dato che avrei una potenza dissipata di:

200A x 200A x 34.2 = 1300W

E il cavo si fonderebbe. Servirebbe un cavo bello grosso, da 100 mmq che equivale ad un diametro di 13 mm, che porterebbe la potenza dissipata a 130W.

Ora non mi restava che selezionare il più adatto tra tutti gli inverter a 48V nominali, controllando l’efficienza, dato che passare da 85% a 92% vuol dire sprecare solo altri 200W a massima potenza al posto di 375W.

Ma non è stato questo l’unico parametro di cui ho tenuto conto. Anche il range di tensione di funzionamento è essenziale per fare in modo che l’inverter sia in grado di gestire tutta la dinamica delle batterie ed estrarre il massimo dell’energia.

Accoppiamento batterie / inverter

Le batterie al litio hanno una tensione nominale di 3.6V, ma in realtà la loro tensione varia tra 4.2V e 2.5V. Inoltre si deteriorano molto rapidamente se vengono scaricate fino a 2.5V pertanto in genere non si scende sotto i 3V. Anche perché la quantità di energia che estrae tra 3V e 2.5V è abbastanza piccola, rispetto al danno che si fa alla cella.

Per fare questi ragionamenti, basati su dati oggettivi, non su congetture, mi sono appoggiato al sito lygte-info.dk, dove ho trovato dei test ben fatti su tutte le batterie disponibili sul mercato. Ecco, nel caso della pila Samsung INR18650-35E, l’andamento dell’energia erogata rispetto alla tensione della cella, a diverse correnti di scarica:

Con il rettangolo blu ho evidenziato la zona della curva a 5.0A, in cui la tensione passa da 3.0 a 2.8V. Come si vede in quel punto c’è un forte cambio di pendenza della curva, che pertanto diventa più verticale, e l’energia in più che si potrebbe estrarre passando da 3 a 2.8V è inferiore al Wh, ovvero circa 8% della capacità totale.

La situazione ideale è quella di un inverter che accetta in ingresso un multiplo esatto di 4,2V e che si spegne automaticamente prima che le celle scendano sotto i 3V.

Proviamo a vedere di la tensione minima supponendo di usare una delle seguenti configurazioni: 13, 14 e 15 celle in serie.

  • 3V x 13 celle = 39V
  • 3V x 14 celle = 42V
  • 3V x 15 celle = 45V

Proviamo adesso a vedere la tensione massima quando le celle sono cariche e a calcolare il range risultante:

  • 4.2V x 13 celle = 54.6V -> Range: 39V – 54.6V
  • 4.2V x 14 celle = 58.8V -> Range: 42V – 58.8V
  • 4.2V x 15 celle = 63.0V -> Range: 45V – 63.0V

Pertanto, come faccio a decidere quale configurazione usare tra 13S, 14S, 15S? La S indica che le celle sono in serie, quando invece sono in parallelo si indica con P.

Basta prendere le caratteristiche tecniche dell’inverter, cercare il range di tensioni in ingresso e confrontarlo con i valori ottenuti.

Nel mio caso l’inverter ha un range di lavoro tra 40V e 61V.

Nel caso 13S non ho problemi con la tensione massima, e se l’inverter si spegne a 40V, la tensione sulle celle è di 3.07V, il che non è molto lontano dai 3V ipotizzati. Non male!

Nel caso 14S, non ho problemi di tensione massima, anche se da 58.8V a 61V il margine è di soli 2.2V. Per quanto riguarda la tensione minima, basta fare:

40V / 14 Celle = 2.85V

La tensione minima è inferiore al limite che mi ero dato, ma sempre superiore a 2.5V che è il limite invalicabile, o le celle saranno morte entro pochi cicli di carica scarica.

Nel caso 15S, invece ho una tensione massima di 63 V che è 2Volt superiore alla massima tensione ammissibile, mentre dal punto di vista della tensione minima, se faccio 40V/15 Celle = 2,67 ovvero solo 17mV sopra la tensione limite, che è un po’ scarso come margine di sicurezza.

Pertanto, solo due soluzioni sono applicabili, ovvero 13S e 14S.

Alla fine ho scelto 14S perchè massimizza l’energia che riesco ad estrarre dalla cella e con una tensione di lavoro leggermente superiore dovrebbe garantirmi una efficienza complessiva maggiore.

Cosa succede quando le batterie finiscono?

L’inverter ha un segnale acustico a 42 volt, poi si disattiva. Lo potete vedere nel video seguente:

Cosa succede se non ottimizzo le batterie?

Cosa potrebbe succedere se non riesco a configurare le batterie in modo da accoppiarle bene con il range di tensione in ingresso? Semplice: butto via dei soldi!

Inizialmente, per tenere bassi i costi, avevo pensato di usare delle celle al litio da modellismo, basandomi su una configurazione molto usata, ovvero 3S. In particolare avevo trovato delle celle da 8Ah abbastanza economiche:

https://hobbyking.com/it_it/zippy-flightmax-8000mah-3s1p-30c-lipo-pack.html

Queste celle hanno la caratteristica di erogare correnti mostruose! Ad esempio il modello di cui sopra eroga fino a 240A per cella, pertanto mi sembravano un buon modo di generare 2500W, senza spendere un capitale.

Però il problema era che unendo celle a gruppi di 3 potevo mettere 15 celle in serie, ovvero 15S, ma in questo caso la tensione massima superava il range operativo dell’inverter. L’unico modo era di usare una configurazione 12S.

Perchè 12S non va bene? La risposta è semplice: se la tensione minima è 40V e io ho solo 12 celle, vuol dire che l’inverter si spegne quando le celle sono a 3.3V.

Se prendiamo il grafico che mette in relazione l’energia e la tensione della cella, vedete come staccando a 3.3V, sulla curva a 5A, riesco ad usare solo 7Wh al posto di 12Wh, per cella, ovvero riesco a sfruttare solo il 60% della capacità delle celle. Ovviamente supponendo che la caratteristica delle celle sia la stessa.

Quindi quello che potrebbe essere un vantaggio economico, in realtà non lo è perché dovrei usare un numero maggiore di celle in parallelo per riuscire ad avere la capacità di 1kWh che ho pianificato. Infatti in questo caso per avere una capacità utile di 1000 Wh, devo costruire un sistema da 1600 Wh, vanificando il vantaggio economico.

Conclusioni

Al solito non è semplice mettere assieme dei pezzi e farli funzionare bene, ma se avete in mente progetti simili, penso di avervi dato gli strumenti per capire come configurare il pacco di batterie in modo da ottenere il massimo in base al costo del sistema. Dopo tutto anche questa è una forma di efficienza.

Nei prossimo articoli vi racconterò altri aspetti che ho imparato sviluppando il mio progetto e in particolare di come ho costruito il pacco di batterie. Tutti gli articoli verranno raccolti nella pagina Tafarn-1. Iscrivetevi alla mailing list per ricevere gli aggiornamenti settimana per settimana.

Autore: Gianbattista

Appassionato di tecnologia, è l'autore di Qt5 Quanto Basta. Per lavoro mi occupo di elaborazione delle immagini per applicazioni industriali.

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