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.

Il costo di un inverter

Per utilizzare il mio gigantesco pacco di batterie serve un inverter. Ovvero serve un dispositivo che converte la corrente continua delle batterie (che varia tra 42 e 58V in corrente alternata a 230V. Ne ho parlato in uno dei miei primi video.

E quando ho comperato il mio inverter ho cercato un modello con molta potenza, 2.5 kW, in modo da non avere dei limiti pratici per alimentare gli elettrodomestici di casa. Ho perfino alimentato la lavatrice, che durante il riscaldamento dell’acqua consuma ben 2000 W.

Non ho ancora osato testare il forno, ma credo che non superi i 2500W dell’inverter. Per altro il mio inverter supporta picchi da 5 kW, ovvero oltre il limite teorico delle mie batterie, che non dovrebbero erogare più di 4077 W, ma non sono mai arrivato a tanto.

Un inverter grande

Capite bene che quello che volevo era un inverter grande! Non un grande inverter.

Analizzando le varie offerte che ho trovato in Cina, non mi sono fidato del primo prezzo, avrei potuto pagare la metà o anche meno, ma ho cercato di prendere quello che mi sembrava un prodotto ben fatto. D’altronde con la corrente non si scherza!

Anche perché mi ricordavo che 20 anni fa un inverter costava attorno alle 1000 Lire per Watt, che oggi potrebbero essere tranquillamente 1€ per Watt. Quindi pensavo che avrei dovuto spendere almeno 2000€ per un inverter decente. Oppure avrei dovuto optare per un inverter ad onda sinusoidale modificata, ovvero un inverter che produce essenzialmente un’onda quadra e che in teoria vanno bene solo per alimentare carichi resistivi, ma non per motori come per esempio l’asciugacapelli, frigorifero, la pompa di calore.

Pertanto potete immaginare come sono rimasto sorpreso di pagare l’inverter, compresa la spedizione, e la dogana, solo 215€, ovvero meno di 0.1€ per Watt. Mi sembrava di aver trovato il paese di Bengodi.

Inverter sinusoidale

La corrente elettrica alternata viene distribuita in modo alternato, con una forma d’onda sinusoidale. La frequenza è di 50 Hz, la tensione di picco è 325V, mentre in genere si fa riferimento alla tensione efficace che vale 230V.

Qui trovate una descrizione.

Nota a margine: lo sapete che prima la tensione alternata in Italia era di soli 220V e poi è passata a 230V a seguito del processo di integrazione europea? Ci sono voluti anni, ma finalmente tutta l’Unione Europea adotta lo stesso standard per la distribuzione dell’energia elettrica.

Un inverter di buona qualità deve essere in grado di replicare questa forma d’onda, con la tensione corretta e la frequenza corretta.

CC BY-SA 3.0, Link

Inverter a onda sinusoidale modificata

Nel caso di un inverter a forma d’onda sinusoidale modificata, l’inverter si fa uno sconto e al posto di generare la forma d’onda sinusoidale pulita, genera qualcosa che gli assomiglia, come per esempio la seguente forma d’onda:

Per come me la ricordavo io, questi inverter avevano il vantaggio di costare molto meno, e lo svantaggio di non essere adatti per i carichi capacitivi o induttivi, ovvero:

  • Tubi al neon
  • Frigoriferi
  • Asciugacapelli
  • Aspirapolvere
  • Trasformatori di tensione

Alla luce della tecnologia attuale questa nozione andrebbe aggiornata, dato che quasi tutti i gli elettrodomestici citati hanno prima un raddrizzatore e poi un inverter a frequenza variabile che controlla il motore, oppure la frequenza con cui viene alimentato il tubo al neon, oppure la pompa di calore / frigorifero, pertanto forse il problema non esiste più, ma questo è quello che mi ricordo.

Voglio un inverter sinusoidale, ovvio

Alla luce di quanto detto sopra, ovviamente io ero alla ricerca di un inverter sinusoidale, ovvio no?

E di nuovo vedere che costava così poco, mi faceva piangere di gioia.

Alla fine questo è quello che ho comprato su Aliexpress.

https://www.aliexpress.com/item/2054327664.html?spm=a2g0o.productlist.0.0.1d8a75ccF6mong&algo_pvid=45a3ad64-83a1-4cb6-9252-f70b01d53583&algo_expid=45a3ad64-83a1-4cb6-9252-f70b01d53583-0&btsid=16a36412-a8d7-4516-813a-6eb4b4dd1a0d&ws_ab_test=searchweb0_0,searchweb201602_7,searchweb201603_60

Finisce l’idillio

Tutto ha funzionato benissimo, fino a che non ho aggiunto al mio pacco di batterie un monitor in grado di mostrare tensione, corrente, potenza e ed energia prodotta.

Ebbene, mi sono accorto che il mio inverter, appena acceso, inizia a consumare ben 25 / 30 W, anche senza carico. Lo potete vedere nel video del BBQ fatto con le batterie.

Ora capite che 30W di potenza continua, sono in grado di scaricare il mio gigantesco pacco di batterie in nemmeno 2 giorni (30 x 24 x 2 = 1440 Wh, contro una energia accumulata di circa 1000Wh). E questo senza produrre alcunché! E io che pensavo di alimentare casa mia per un giorno intero! Se tutto va bene sopravvivo 6 ore.

No Load Current Draw

A questo punto ho controllato le specifiche e ho notato un parametro che non avevo considerato durante l’acquisto. Questo parametro si chiama: No Load Current Draw ed indica il consumo di corrente della batteria quando l’inverter è acceso senza elettrodomestici collegati. Ed è abbastanza preciso, dato che per il mio inverter a 48V il consumo è di 0.4A (Tralasciate l’errore di scrivere la A di Ampere minuscola…), che a 50 V fanno circa 20W

Cosa influenza il consumo a zero carico?

Dopo giornate passate a cercare su internet informazioni su questo parametro, spulciando siti di camper, roulotte, camping, eccetera, ho capito che il consumo a riposo, aumenta con:

  • L’aumento della tensione di lavoro! Io ho scelto il modello a 48V per avere minori correnti (per avere 2500W a 50V servono 50A, ma se usassi 12V mi servirebbero 200A!) e quindi efficienza maggiore, ma questo parametro tende ad essere maggiore al crescere della tensione.
  • L’aumento della potenza. Lo stesso modello a 48V esiste anche da 1000W e consuma solo 0.2A al posto di 0.4, mentre nel modello da 5000W la corrente sale a 0.9A.
  • Il tipo di inverter ovvero gli inverter ad onda sinusoidale modificata, che io credevo avessero senso solo per una questione di costo, in realtà hanno anche il vantaggio di dimezzare il consumo di elettricità a riposo.
  • Il costo! Ci sono inverter molto più costosi, che appartengono alla categoria degli inverter solari, che a parità di potenza, consumano solo 6 Watt, non 20/30 W come il mio. Alcuni dichiarano addirittura 2W.

Tra le altre cose, dalle mie ricerche ho scoperto che il mio povero inverter è uno dei migliori, tra quelli economici. Molti infatti assorbono una corrente di ben 0.8A a 48V, che fanno quasi 40W. Anche la sua efficienza (92%) è superiore alla media, che è attorno al 90%.

Un grande inverter

Quello che io ho comprato è un inverter per applicazioni Off-Grid, non per applicazioni solari, ma vale la pena di fare un confronto, per capire come mai gli inverter solari costano molto di più.

Per prima cosa hanno dei rendimenti superiori al 98%. Anche questo è un dato incredibile. Io ricordo benissimo di quando gli inverter non superavano il 75%, e i pannelli solari costavano 10.000 lire al Watt. Inoltre il consumo notturno, ovvero il consumo senza carico, per inverter solari è attorno a 6W. Alcuni arrivano addirittura a soli 2W (SMA Sunny Boy)

Simuliamo il costo provocato

Se facciamo il conto, 30W di dissipazione costante, in un giorno fanno 720Wh, in un anno sono ben 263 kWh. Se considerate l’insolazione media del centro Italia di 1300 ore ( https://www.fotovoltaiconorditalia.it/idee/il-calcolo-della-produzione-da-fotovoltaico) capite bene che per fare 263 kWh serve una potenza di picco di 200W. Quindi in pratica un pannello serve solo per alimentare l’inverter. E il costo di questo pannello si aggira attorno ai 200 €.

Se invece usassi l’inverter migliore che ho trovato, SMA Sunny Boy con soli 2 W, in un anno fanno solo 2 x 24 x 365 = 20kWh. Sempre considerando 1300 ore di sole, si ottiene che basta un pannello di 15W per mantenere l’inverter operativo.

Certo però il costo supera gli 800€, anche se il confronto non è equo, dato che l’inverter solare è in grado di usare sia i pannelli che le batterie, ha una app per il suo controllo monitoraggio ed è certificato per immettere la corrente in rete.

Concludendo

Alla fine, se un inverter costa di più, il motivo c’è! E al solito non esiste un inverter che va bene per tutto, ma si deve trovare quello che funziona meglio in base all’uso che vogliamo fare.

Vi lascio il link del sito più interessante che ho trovato, che ho apprezzato perché a differenza di altri siti mi hanno dato l’impressione di capire di che cosa stessero parlando, principalmente perché hanno provate diverse soluzioni sul loro Van camperizzato.

Un Powerbank da 100W? /2

Le nuove batterie 21700 e il nuovo standard USB Type C cambieranno la storia? Seconda puntata.

Introduzione

Nella puntata precedente mi sono soffermato sulle applicazioni delle pile al litio 18650 e sulla loro evoluzione, le 21700. Oggi proviamo a progettare un Powerbank da 20.000 mA con i due modelli di pila per vedere come cambia il rendimento. Per semplificare, supponiamo che il powerbank sia formato da 6 celle in parallelo.

Dove trovare i dati

Ci appoggeremo al sito www.lygte-info.dk che è una vera miniera di dati sulle pile ricaricabili al litio, sia 18650 che 21700. Non so chi mantenga il sito, ma sono tantissime le celle testate nel corso degli anni, e vi si trova il test report per quasi tutte le celle disponibili sul mercato.

Primo caso: 6 pile 18650

Partiamo con le celle LG 18650 MH1 da 3200 mA. Queste celle sono interessanti perché sono state testate a novembre 2014, quindi non sono nuovissime, ma 4 anni non sono certo un’era geologica.

Inoltre c0n 3200 mA avevano al tempo, una ottima capacità (oggi le migliori arrivano a 3500 mA) e visto che 6 celle in parallelo fanno 19200 mA, sono un buon compromesso per costruire il nostro power bank.

6 celle x 3200 = 19200 mA

Se volessi estrarre 100W dalle celle? Supponendo una tensione di 3.6V, servono circa 28A, pertanto prendo la curva a 5A.

Ecco il grafico corrispondente a 0.2A (che usiamo come indicatore della tensione nominale) e 5A

Come si vede, anche con una scarica a 5A le celle sono in grado di erogare leggermente più di 3000 mA (ovvero 3.0 Ah).

Guardando la curva, stimo la tensione media erogata dalla cella mettendomi a metà della capacità erogata, ovvero a 1.50 Ah, e guardando la corrispondente tensione (3.4V)

Ora, data la tensione, quanti ampere servono per generare 100W?

100W / 3.6V = 29.41 A, ovvero 4.9 A per cella

Quindi la curva a 5 A è ragionevole.

Potenza dissipata (caso 18650)

Come faccio a sapere quanta potenza viene dissipata dalla resistenza interna delle celle? L’approssimazione più semplice è quella di guardare la differenza di tensione tra la curva a 0.2A e la curva a 5A. Guardando il grafico si vede che si tratta di circa 300 mV.

Pertanto posso supporre che la resistenza interna della cella si mangi circa 300 mV (il che corrisponde ad una resistenza interna di 60 milli Ohm

0.3 V / 5A = 0.060 Ohm

Se leggete i dati riportati sulla scheda del test, troverete una resistenza interna di 0.070 Ohm

Dato che in totale ci sono 29A, con 300 mV, fanno: 8.7W

Naturalmente questa è una approssimazione basata sulla tensione media, quindi anche sulla corrente media.

Se consideriamo la tensione iniziale di 3.9V otteniamo una corrente di:

100W / 3.9V = 25.6A -> 4.2 A per cella

Se invece considero la tensione finale di 3V, ottengo una corrente di

100W / 3.0V = 33.3 -> 5.5A per cella

Quindi visto che la corrente aumenta mano a mano che la cella si scarica, così anche la potenza dissipata e possiamo stimare considerando sempre 0.3V tra un valore minimo quando la cella è carica:

0.3V x 25.6 A = 7.7W

Ad un valore massimo, quando la cella è scarica di:

0.3V x 33.3A = 10W

Secondo caso: 6 pile 21700

In questo secondo caso proviamo a simulare un powerbank formato da 6 celle Samsung INR21700-30T, che seppure nominalmente hanno una capacità inferiore, in pratica erogano comunque 3 Ah quando vengono usate con un carico di 5A.

Nuovamente prendiamo un punto intermedio della curva, corrispondente a 1.50 Ah, e leggiamo la tensione corrispondente, che vale 3.6V.

Sulla base della tensione media, valutiamo la corrente media come:

100W / 3.6V = 28 A -> 4.66 A per cella

Ora valutando la differenza di tensione tra la curva a 0.2A e la curva a 5A, otteniamo una tensione di circa 100 mV.

Basta questo numero per capire che questo tipo di batterie ha una efficienza circa 3 volte superiore, dato che passiamo da 300 mV a 100 mV.

Potenza dissipata (caso 21700)

Se prendo la corrente media di 28A, una perdita di tensione di 100 mV ottengo una potenza dissipata di soli 2.8W

28A x 100 mV = 2.8W

Se considero la tensione iniziale di 4.1 V ottengo una corrente di:

100W / 4.1V = 24A -> 4 A per cella

Che corrisponde ad una potenza minima di 2.4W

Nel calcolo della potenza massima, corrispondente al caso in cui le celle sono scariche, vanno fatte alcune considerazioni.

Guardando la curva si vede come dopo aver erogato 2.75 Ah la curva della tensione abbia un crollo verticale. Pertanto prendiamo come riferimento una tensione 3.2V. Con questa tensione la corrente diventa:

100W / 3.2V = 31 A -> 5.2A per cella

La potenza dissipata in questo caso diventa 5.2W.

Analizzando Litonite Vulcan Plus

Non saprei dire per certo che Litonite Vulcan Plus sia costruito con celle 21700. Posso però dire che le dimensioni del powerbank (171 x 79 x 23 mm) sono compatibili, dato che lo spessore è di 23 mm, ovvero di soli 2 mm in più.

Anche la scelta delle 6 celle, mi sembra compatibile, se consideriamo una disposizione di 3 celle x 2. Infatti 3 celle affiancate occupano 21 x 3 = 63 mm, mentre la larghezza complessiva è di 79 mm.

Quanto alla lunghezza, due celle sono lunghe 2 x 70 mm ovvero 140mm, pertanto rimangono circa 30 mm per l’elettronica di controllo.

Inoltre il contenitore in alluminio e non in plastica mi fa pensare alla necessità di scaricare bene il calore.

Concludendo

Nella simulazione fatta solo le celle 21700 riescono a dissipare una potenza accettabile erogando 100W di potenza. Se consideriamo la potenza media, abbiamo solo 2.8W, che sono adatti a stare in tasca.

Se considero l’efficienza del sistema, ottengo 100W con 2.8W di perdita, si tratta di una efficienza del 97%.

Attendo i vostri commenti!