Selezionare le batterie

Prosegue il viaggio nel progetto di Tafarn-1. Dopo aver visto come ho fatto a selezionare l’inverter e come ho scelto il miglior accoppiamento possibile con le batterie, oggi vi racconto come ho selezionato le celle, deciso il numero di elementi in serie e il numero di elementi in parallelo.

Litio: la miglior pila possibile

Tra tutte le tecnologie, la batteria ricaricabile al litio è la migliore per questo lavoro:

  • ha il miglior rapporto tra peso ed energia immagazzinata
  • ha il miglior rapporto tra volume ed energia immagazzinata
  • ha una autoscarica bassissima, dove bassissima vuol dire molto meno di un millivolt al giorno per cella. Per perdere di 1V da 4.2V a 2.9V (scarica totale) servono 10 anni!

Sono le uniche pile? No! Dal punto di vista del costo, gli accumulatori al piombo sono ancora molto interessanti. Prendiamo un accumulatore FIAMM da 12V x 18Ah, per antifurto, o UPS come questo:

Se faccio il rapporto tra il costo di 40€ e l’energia immagazzinata di 216Wh si arriva ad un costo unitario di 185€ per kWh. Dopo vedremo quello delle celle al litio, ma vi anticipo che è quasi il doppio.

Se invece valutiamo la potenza specifica, allora le pile al Nichel-Metal Idruro probabilmente sono ancora le migliori, ma ormai il divario si sta chiudendo. Per contro sono pile con una elevata autoscarica, dell’ordine del 5% al mese, il che le sconsiglia per applicazioni come la mia. Inoltre sono facili da trovare solo in formato AA, con una capacità massima di 2Ah x 1.2V. Per fare 1kWh me ne servono 1000.

Prima decisione: Accumulatori al Litio

Quale scegliere tra Li-Po e Li-Ion?

Le pile al litio di dividono in due grandi famiglie: le pile cilindriche come le 18650 e le pile prismatiche o a sacca (pouch), come quelle dei cellulari.

Per vari motivi quelle dei cellulari sono anche dette Li-Po ovvero litio polimeri, mentre quelle cilindriche sono dette pile al li-ion o litio ioni. Trovate una descrizione breve e chiara a questo link.

Su Hobby King avevo trovato una buona scelta di Li-Po, molto potenti, e poco costose, ma come ho raccontato in “Scegliere l’inverter” non ho trovato modo di accoppiare bene batterie ed inverter. Inoltre sono batterie da modellismo, estremamente potenti, ma con poche garanzie di durata nel tempo, ed estremamente pericolose in caso di corto circuito, dato sviluppano correnti enormi.

Altri fornitori di questo tipo di celle non li ho considerati, anche perché non esiste uno standard, e non volevo trovarmi a investire molti soldi in un prodotto che non avrei potuto sostituire.

Seconda decisione: Celle Cilindriche al litio ovvero Li-ion

Che formato scegliere?

Non è ancora finita, ora bisogna capire quale è il formato da scegliere, dato per applicazioni ad alta potenza, sono disponibili sia le 18650 che le 21700.

Le 18650 sono dei cilindri con un diametro di 18 mm e una lunghezza di 65 mm. La loro storia nasce con i computer portatili, quelli che avevano la batteria separabile, per poi trovare un altro grande cliente nelle sigarette elettroniche, ed infine approdare alle bici elettriche.

Vengono usate anche in gran parte dei power bank, e nelle torce elettriche.

Dato che sono state scelte anche per la Tesla Roadster, dal 2008 in poi tutti hanno iniziato a parlare di queste celle al litio, anche perchè Tesla ha continuato ad usarle anche nella Tesla Model S e nella Tesla Model X.

Per quanto riguarda le 21700, nascono con la Tesla Model 3, e Panasonic è stata tra le prime a proporre questo formato. LG e Samsung hanno seguito l’esempio, anche perchè molti produttori di batterie per bici elettriche si sono subito innamorati. Sostituiranno le 18650? Credo di si, ma ci vorranno alcuni anni.

Quando ho iniziato il progetto, ovvero nel 2017, le 21700 erano difficili da trovare, e dal momento che avevo già comperato una torcia che usava le 18650, la mia scelta furono le 18650. Lo dovessi rifare oggi, forse userei le 21700. Magari prima chiedo a Babbo Natale una torcia con le 21700!

Terza Decisione: Celle 18650

Scegliere il modello e il fornitore

A questo punto entra in campo LYGTE e il suo fantastico comparatore! Non vi dico quante ore ho passato a comparare le prestazioni delle varie celle per trovare quella che riuscisse ad ottimizzare energia immagazzinata e corrente erogata, dato che sul mercato si trovano sia celle con poca capacità, ma in grado di erogare 30A (ad esempio la INR18650-20S di Samsung) oppure che massimizzano la capacità, ma a scapito della massima corrente erogabile (ad esempio la LG 18650-MJ1 di LG), che si ferma a 10A.

Per paura di una scarsa qualità, ho deciso di valutare solo produttori top di gamma, che in questo settore sono Panasonic, Sanyo, LG, Samsung. Altri produttori non li ho considerati.

Inoltre come parametro ho considerato sia la capacità massima della cella, sia il comportamente con una corrente di scarica di 10A. Giusto per capirci, dato che ho deciso di usare un inverter da 48V e 2500W, se considero 10A per cella, con 5 celle in parallelo arrivo a 50A, che moltiplicato per 48V (facciamo 50V per far presto) fanno 2500W. Quindi il numero minimo di batterie per arrivare a 2500W è di 14 x 5 = 70 Celle.

Alla fine la scelta si è ridotta a 2 modelli:

  • Samsung INR18650-35E, 3500 mAh nominali
  • LG 18650-MJ1, 3500 mAh nominali

Entrambi sono in grado di erogare 10A ed entrambi con una capacità vicina a 3500 mAh. Le proposte Sony e Sanyo le ho scartate perchè sensibilmente più costose, la proposta Panasonic l’ho scartata perchè faceva fatica ad erogare 10A.

La decisione finale l’ho presa confrontando i due grafici. Il modello Samsung (le curve in rosso) è leggermente superiore al modello LG (curve in blu) e resiste a 10A fino alla fine.

Quarta Decisione: Samsung INR18650-35E

Geometria del pacco di batterie

Quanti paralleli mettere e quante serie? E poi devo mettere le celle in serie e poi in parallelo oppure in parallelo e poi in serie?

Per capire come fare a costruire il pacco di batterie, ho letto il libro di Micah Toll DIY Lithium Batteries, 2017. Molti dei concetti che ho applicato nel progetto, li ho capiti bene grazie a questo libro.

In particolare ho capito che le celle al litio lavorano molto bene in parallelo, addirittura si possono mettere capacità diverse tra loro, in parallelo, poi si mettono i vari paralleli in serie.

Il primissimo esperimento lo feci usando 14 celle, in configurazione 7S2P (2 paralleli messi in serie 7 volte). Questa configurazione serviva per alimentare un vecchio inverter a 24V.

Poi quando ho iniziato a fare sul serio, sono partito con una configurazione 14S4P ovvero 56 Celle.

Il mio primo pacco di batterie: 4 paralleli, 14 Serie

In realtà questa configurazione a 56 celle non era sufficiente a reggere tutta la potenza dell’inverter, pertanto ho ampliato il numero di celle in parallelo.

Espansione del pacco di batterie

Durante il test della lavatrice, in cui ho provato ad estrarre 2000W dal mio sistema, mi sono reso conto che sebbene il pacco fosse in grado di erogare 2kW di potenza per alimentare la lavatrice, l’efficienza era troppo bassa e soprattutto le celle si surriscaldavano oltre livelli accettabili, col rischio di compromettere la durata.

Pertanto ho deciso di portare il numero di paralleli a 7, quindi un totale di 7×14 = 98 celle, in modo da migliorare l’efficienza.

Quinta Decisione: 98 Celle in configurazione 7 paralleli, 14 in serie.

Si ma quanto mi costi?

Beh in effetti il giocattolo costa! Secondo stime di vari analisti, Tesla ormai avrebbe raggiunto il costo di 100 USD per kilowattora, il che nel mio caso vorrebbe dire spendere solo 120€ (1.20 kwh, supponendo 1€ = 1 USD) per comprare le batterie. In realtà il costo attuale è di 295€ per 100 batterie.

Dove? Su NKON, ecco il link:

https://eu.nkon.nl/rechargeable/18650-size/samsung-inr18650-35e.html

Naturalmente avendole acquistate in diversi step, le ho pagate di più, e naturalmente dai primi acquisti a fine 2017, ad oggi, il prezzo è calato. Le prime due pile le ho pagate 11.18€, inclusa la spedizione, per un costo unitario di 5.59€. L’ultimo ordine è stato di 42 celle e l’ho pagato 168.14€, che fanno solo 4€ a cella.

Analizziamo la INR18650-35E

Penso sia interessante fare una analisi delle caratteristiche di questa cella, considerando che ha una capacità di 12.5Wh, come descritto nella pagina del test:

https://lygte-info.dk/review/batteries2012/Samsung%20INR18650-35E%203500mAh%20(Pink)%20UK.html

Se calcolo il costo specifico per kWh ottengo:

€ per kWh = 2.95 € / 12.5 Wh = 236€/kWh

Se invece prendo la densità gravimetrica si ottiene:

Wh per kg = 12.5 Wh / 48.5 g = 259 Wh/kg

Decisamente una cella top di gamma!

Conclusioni

Per oggi basta, la prossima volta vi racconto come ho fatto ad unire le batterie tra loro per formare il pacco e che difficoltà ho incontrato.

Autore: Gianbattista

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

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *