Perché la tensione della batteria diminuisce quando si accelera: la resistenza interna
Quando si accelera, la tensione della batteria diminuisce, per poi risalire non appena si rilascia l'acceleratore. Questo fenomeno, chiamato calo di tensione, è dovuto alla resistenza interna delle celle e dei collegamenti: più la corrente è elevata, maggiore è il calo di tensione durante l'accelerazione, e maggiore è il riscaldamento della batteria. È un fenomeno normale in una certa misura. Diventa un problema quando il calo di tensione causa una perdita di potenza, fa impazzire l'indicatore di carica o provoca lo spegnimento della batteria. Ecco da dove proviene, cosa lo aggrava e come ridurlo.
L'essenziale
- Calo di tensione = corrente moltiplicata per la resistenza interna: raddoppiare la corrente raddoppia il calo.
- Il calore prodotto aumenta in proporzione al quadrato della corrente: raddoppiare la corrente lo moltiplica per quattro.
- La resistenza interna aumenta con il freddo, con una batteria scarica e con l'invecchiamento.
- Una caduta troppo violenta può causare una perdita di potenza, che a sua volta può innescare l'intervento dei sistemi di protezione (BMS) o del controller.
- Un maggior numero di celle in parallelo, celle di alta qualità e buoni collegamenti riducono la perdita di energia.
Il meccanismo: la resistenza interna
Una batteria non è una sorgente di tensione perfetta. Le celle, le strisce di nichel, le saldature, i cavi e i connettori oppongono tutti una piccola resistenza al passaggio della corrente. Questa resistenza "consuma" una parte della tensione non appena la corrente scorre, secondo la legge di Ohm:
`tensione sotto carico = tensione a vuoto − corrente × resistenza interna`
Un esempio di calcolo, con un valore scelto a scopo illustrativo: se la resistenza totale di una batteria fosse di 0,1 ohm, una corrente di 100 A ne farebbe scendere la tensione di 10 V durante l'accelerazione. E questa resistenza dissiperebbe 100 × 100 × 0,1 = 1000 W in calore, all'interno della batteria, per tutto questo tempo.
In una batteria, la resistenza di una singola cella viene moltiplicata per il numero di celle in serie e divisa per il numero di celle in parallelo. Ecco perché una batteria con molte celle in parallelo mantiene meglio la sua tensione.
Ciò che aumenta la caduta di tensione
| Fattore | Perché |
|---|---|
| Corrente elevata | La caduta di tensione è proporzionale alla corrente: controller riparato, configurazione a doppio motore, avviamento in salita |
| Freddo | La chimica delle celle rallenta, e la loro resistenza interna aumenta notevolmente |
| Batteria scarica | La tensione a circuito aperto è inferiore, e la resistenza aumenta verso la fine della scarica |
| Invecchiamento | La resistenza interna delle celle aumenta con il numero di cicli di carica e scarica e con il passare degli anni |
| Celle "energia" | Progettate per la capacità, presentano una resistenza maggiore rispetto alle celle ad alta potenza |
| Connessioni danneggiate | Connettore ossidato o allentato, saldatura crepata: un ulteriore punto di resistenza che provoca un surriscaldamento localizzato |
Le conseguenze per il monopattino
Una potenza che si sprigiona
La potenza disponibile è il risultato del prodotto tra la tensione e la corrente. Se la tensione diminuisce durante l'accelerazione, il controller non è più in grado di erogare la potenza impostata, soprattutto in salita e quando la batteria è quasi scarica. Lo scooter sembra "poco reattivo".
Un indicatore che impazzisce
Molti display stimano la carica residua in base alla tensione. Ad ogni accelerazione, l'indicatore scende, per poi risalire quando si rilascia l'acceleratore. Non è la batteria a scaricarsi improvvisamente: è la tensione a diminuire sotto sforzo.
Interruzioni
Quando la tensione di un gruppo di celle scende al di sotto della soglia minima del BMS (Battery Management System), quest'ultimo interrompe l'alimentazione della batteria per proteggerla: tutto si spegne. Il controller può anche ridurre la potenza o interrompere l'alimentazione se rileva una tensione troppo bassa. Questo scenario è dettagliato nella nostra guida batteria e BMS che si interrompono quando si accelera. In ogni caso, è il gruppo di celle con la tensione più bassa a determinare l'azione: anche un solo gruppo di celle scarico può causare l'interruzione dell'alimentazione dell'intera batteria.
Calore
Il calore prodotto aumenta in proporzione al quadrato della corrente. Una batteria che si scarica rapidamente si surriscalda molto, e questo calore accelera l'invecchiamento delle celle, aumentando ulteriormente la loro resistenza. Si tratta di un circolo vizioso.
Come ridurre la caduta di tensione?
- `Abbinare il controller alla batteria: limitare la corrente assorbita dalla batteria al valore che le celle possono gestire senza problemi.`
- `Guidare con una batteria "temperata": durante l'inverno, una batteria conservata in un ambiente caldo mantiene meglio la sua tensione.`
- `Verificare i collegamenti: un connettore annerito o allentato può causare una perdita di potenza e un punto caldo.`
- Aggiungere una batteria in parallelo: una batteria esterna condivide la corrente con quella interna. La nostra batteria esterna Performance (S) 72 V 15 Ah, con celle ad alta capacità di scarica, è progettata per questo scopo.
- Passare a una batteria ad alta potenza: celle ad alta scarica, più celle in parallelo, collegamenti robusti. La nostra batteria Performance da 80 V e 40,5 Ah per Nami Burn-E, realizzata con celle Molicel P45B, eroga fino a 450 A di picco, contro i 98 A della batteria originale. La differenza è spiegata in batteria Performance o autonomia.
Misurare l'abbassamento
Un BMS connesso o un controller programmabile permette di registrare la tensione e la corrente durante un'accelerazione. Confrontare la tensione a vuoto con la tensione al picco dello sforzo fornisce un'indicazione della resistenza della batteria: dividere la caduta di tensione per la corrente. Ripetere la misurazione nelle stesse condizioni (carica, temperatura) da una stagione all'altra: se la caduta di tensione aumenta notevolmente alla stessa corrente, la batteria sta invecchiando o una connessione si sta deteriorando. La lettura dei valori di una cella è dettagliata nella scheda tecnica di una cella al litio.
Consiglio per l'officina.
Una batteria che si scarica più velocemente del solito, con lo stesso utilizzo, segnala quasi sempre un gruppo di celle danneggiate o una connessione che si surriscalda. Prima di sostituire la batteria, fate controllare la tensione di ogni gruppo e lo stato dei connettori. E se desiderate davvero più potenza, considerate le nostre batterie per scooter elettrici Performance prima di intervenire sul controller.
Domande frequenti
È normale che la tensione diminuisca ad ogni accelerazione?
Sì, tutte le batterie tendono a diminuire le loro prestazioni sotto sforzo. Ciò che conta è l'entità di questa diminuzione: se provoca un calo significativo della potenza o fa scattare la protezione della batteria, significa che la batteria è sottodimensionata, troppo fredda, scarica o danneggiata.
Perché il mio indicatore di livello si alza quando lascio l'acceleratore?
Poiché il display indica la tensione, e la tensione aumenta non appena la corrente diminuisce. La carica residua effettiva si può leggere a riposo, dopo alcuni istanti senza accelerare.
Perché la perdita di velocità è più accentuata quando la batteria è quasi scarica?
Alla fine della scarica, la tensione a circuito aperto è più bassa e la resistenza interna delle celle aumenta. La stessa accelerazione, quindi, fa scendere la tensione a un livello più basso, spesso fino alla soglia di interruzione.
Un controller più potente può risolvere il problema?
No, questo lo peggiora: richiede più corrente, quindi la caduta di tensione e il surriscaldamento aumentano. La soluzione sta nella batteria.