Comunicato stampa

COMUNICATO STAMPA
La strada giusta verso la ricarica efficiente delle batterie
Background tecnico del nuovo processo di carica Ri di Fronius
(Wels, Austria, giugno 2014) Il processo di carica "Ri" presentato dall'azienda austriaca Fronius,
leader nei sistemi di ricarica delle batterie da trazione per carrelli elettrici ha suscitato molto
interesse. In molti stanno utilizzando il nuovo processo di carica e approfittando dei vantaggi di
questa nuova tecnologia. Questo articolo è pensato per coloro che desiderano approfondire
l'argomento e conoscere i dettagli del funzionamento del processo di carica Ri.
L'ottimizzazione continua dell'efficienza dei carrelli elettrici è al centro delle attività di ricerca e sviluppo da
parecchi anni. Si è cercato e si cerca continuamente di impiegare con profitto le nuove conoscenze tecniche
nell'ambito dei gruppi propulsori, dell'elettronica di comando e dell'accumulo dell'energia elettrica. L'accumulo
dell'energia risulta da sempre come priorità di ricercatori e sviluppatori. Di conseguenza anche la carica degli
accumulatori, di seguito denominati "batterie", risulta di primaria importanza.
La batteria piombo-acido è conosciuta da oltre 100 anni ed è l'accumulatore di energia maggiormente
utilizzato nei carrelli elettrici. In questo tipo di batteria, durante la ricarica, l'energia elettrica viene trasformata
in energia chimica. Collegando un dispositivo di consumo, l'energia chimica viene nuovamente ritrasformata
in energia elettrica. Nel corso del tempo i processi di carica hanno subito continue modifiche: dai primissimi
caricabatterie con trasformatore a 50 Hz e processo di carica non regolato ai caricabatterie ad alta frequenza
(HF) con processo di carica regolato, fino ad arrivare agli apparecchi comandati da microprocessore e dotati
di complessi algoritmi di carica. Oggi il processo di carica più conosciuto e diffuso nell'intralogistica è la carica
IUI.
Fronius, che sviluppa e produce sistemi di ricarica dal 1946, ha dato vita ad un nuovo rivoluzionario metodo di
ricarica denominato "processo di carica Ri". Di seguito si descrivono le caratteristiche che contraddistinguono
questo concetto dagli altri processi di carica e i vantaggi che ne derivano in termini di efficienza energetica e
rendimento di carica.
Resistenza interna
La resistenza interna di una batteria (abbreviato "Ri") è un valore specifico della batteria, che si modifica
durante la carica e lo scaricamento. Questo é causato dalla variazione della densitá degli acidi e diversi altri
fattori. Per comprendere il funzionamento del nuovo processo di carica descritto di seguito, si deve tener
presente il comportamento della resistenza di una batteria piombo-acido. La Fig. 1 illustra le resistenze
fondamentali ripartite per componenti di una batteria piombo-acido e il suo comportamento durante la carica.
Durante la carica, la resistenza della batteria cambia continuamente. La variazione più consistente della
resistenza interna si verifica nella fase iniziale e finale della carica. La densità degli acidi e il materiale attivo
della batteria sono i principali responsabili dell'aumento della resistenza in una batteria scarica. Nel campo
delle batterie, quando si parla di materiali attivi si intendono sempre i componenti sull'anodo (polo positivo) e
sul catodo (polo negativo). Questi materiali durante la carica e la scarica della batteria cambiano la loro
composizione.
Con l'aumento dello stato di carica è la resistenza di polarizzazione, fortemente dipendente dalla corrente, la
principale responsabile dell'aumento della resistenza interna. La resistenza di polarizzazione assume un valore
ohmico elevato verso la fine della carica, poiché non vi è più materiale attivo (solfato di piombo) disponibile per
la trasformazione in piombo e ossido di piombo. L'andamento schematico della resistenza interna "R i" nelle
batterie piombo-acido mediante lo stato di carica risulta evidente nella Fig. 2. "SOC" (State of Charge) indica lo
01/2011
1/6
stato di carica della batteria. Influssi esterni, come temperatura, invecchiamento e altri fattori, non vengono qui
considerati.
Effetti del processo di carica sulla potenza dissipata
Dopo aver considerato il comportamento della resistenza interna durante il processo di carica, si considera
ora la potenza dissipata "PDissipata". Nei metodi tradizionali il processo di carica è suddiviso in tre fasi.
1.
Fase "I", a corrente costante
In questa fase la carica viene eseguita con corrente costante fino al raggiungimento di una determinata
tensione (di solito 2,4 V per cella). La corrente di carica viene selezionata in funzione della capacità della
batteria e impostata mediante il caricabatteria, ad esempio 20 A/100 Ah.
2.
Fase "U", a corrente decrescente
Una volta raggiunto il limite di tensione definito nella fase "I" della carica, si mantiene la tensione
costante. Con l'aumentare dello stato di carica, la corrente di carica diminuisce. Quando la corrente
scende fino ad un valore prestabilito, il caricabatteria passa alla successiva e ultima fase di carica.
3.
Fase "I2", gasificazione
In questa fase la carica viene nuovamente eseguita con corrente costante, e la tensione aumenta di
conseguenza. Un valore limite di tensione prestabilito ha solo una funzione di spegnimento di sicurezza.
La fase di gasificazione contribuisce solo in misura minima alla carica completa della batteria. Solo una
minima parte dell'energia fornita in questa fase rimane disponibile nella batteria. Questa energia fornita
nella fase di gasificazione viene impiegata per dar attivare una reazione secondaria (elettrolisi
dell'acqua), che di conseguenza dà origine alla formazione di gas. La fase di gasificazione è importante
per prevenire la stratificazione dell'acido e compensare le tolleranze di capacità delle singole celle.
La "Fase "I" di carica rappresenta il 70-80% della carica. Ciò significa che durante questa fase, la resistenza
interna subisce notevoli variazioni. La potenza dissipata che risulta dalla combinazione di corrente costante
erogata e resistenza ha la seguente formula:
PDissipata = I2 x Ri
Nella Fig. 3viene rappresentata la potenza dissipata "PDissipata" in funzione della resistenza interna a corrente
di carica costante. La potenza dissipata rappresenta però un fenomeno indesiderato. Questa è la causa
principale del riscaldamento della batteria. Le conseguenti reazioni chimiche nella batteria con temperatura
interna superiore a i 40°C subiscono un'accelerazione che influisce negativamente sulla sua aspettativa di
vita. I motivi di queste potenze dissipate sono da ricercare nelle curve caratteristiche di carica programmate
con valori fissi che non tengono conto dello stato di carica e delle condizioni delle batterie. Spesso le correnti
di carica risultano essere troppo alte.
Per aumentare l'efficienza energetica, Fronius si serve dell'innovativo processo di carica Ri. Questo processo
non prevede l'erogazione costante della corrente di carica "I", bensì la sua regolazione in funzione della
resistenza interna "Ri". Ne risulta, in presenza di una resistenza interna elevata, una corrente di carica "I" bassa
e viceversa. Quindi, a parità di resistenza interna della batteria "Ri", se si dimezza la corrente di carica si riduce
la potenza dissipata "PDissipata" a solo un quarto.
A titolo di esempio si riporta un calcolo con Ri = 50 mOhm e I = 100 A:
PDissipata = I2 x Ri
PDissipata = 1002 x 0,050
PDissipata = 500 W
01/2011
2/6
Dimezzando la corrente di carica si ottiene il calcolo seguente:
𝐼
PDissipata = ( )2 x Ri
2
PDissipata = (
100 2
)
2
x 0,050
PDissipata = 125 W
La Fig. 4 illustra uno schema dell'adattamento della corrente di carica "I" alla resistenza interna "R i" e l'effetto
sulla potenza dissipata "PDissipata". Nell'applicazione pratica questo metodo consente di aumentare l'efficienza
energetica già nella fase di carica principale rispetto al tradizionale processo di carica IUI. Tuttavia,
l'adattamento della corrente di carica non solo riduce al minimo le perdite sulla resistenza interna, ma agisce
anche sugli effetti parassitari descritti di seguito.
Effetti del processo di carica sul rendimento di carica
Per caricare completamente la batteria, occorre immettere nella batteria più corrente "Qin" di quanta ne sia stata
sottratta durante la scarica "Qout". Il rapporto tra le due cariche è solitamente chiamato fattore di carica o
charging factor "CF", il valore reciproco è denominato rendimento di carica "η Carica" o grado di efficienza di
Coulomb. Esprimendolo con una formula, si presenta così:
CF =
Qin
Qout
ηCarica =
1
𝐶𝐹
"Qout" si determina mediante uno scaricamento con corrente definita, solitamente "C/5". Una corrente di
scarica di "C/5" significa che la batteria viene scaricata con una corrente di scarica corrispondente a un quinto
della capacità nominale.
Per un ciclo completo di carica e scarica con un comune processo di carica IUI, il fattore di carica "CF" tipico
si attesta tra 1,12 e 1,25 circa. Nel corso della vita della batteria però il fattore di carica può variare
notevolmente. Determinante per il ridotto rendimento di carica rispetto all'elevato fattore di carica nelle
batterie piombo-acido è l'elettrolisi dell'acqua, che ha luogo come reazione secondaria. Questa reazione
secondaria non contribuisce all'accumulo dell'energia ed è continuamente in concorrenza con la reazione
principale, responsabile dell'accumulo di energia e quindi della trasformazione del solfato di piombo in
piombo e ossido di piombo. Il fattore di carica dipende pertanto dal processo di carica e dalla tensione ai
morsetti da esso prodotta.
La Fig. 5 illustra uno schema elettrico notevolmente semplificato di una batteria piombo-acido, nel quale
risulta evidente la tensione agli elettrodi "E0" come alimentatore variabile, la resistenza interna "Ri"
precedentemente considerata, la corrente di carica "I" e la reazione secondaria "R RS" come resistenza in
parallelo corrispondente. Durante il processo di carica la tensione "E 0" aumenta e col suo aumentare una
parte della carica dà luogo ad una reazione secondaria definita elettrolisi.
Poiché, come risaputo, anche la resistenza interna aumenta per via della resistenza di polarizzazione (vedere
Fig. 1), in presenza di una corrente di carica "I" costante aumenta anche la caduta di tensione "URi" su di
essa.
URi = I x R1
Ciò significa che la caduta di tensione supplementare "URi" determina un aumento della reazione secondaria
già nella fase di carica principale, facendo così scorrere più corrente nella reazione secondaria di quanta si
desideri.
UKl = URi + E0
Questa corrente di carica andata ad attivare la reazione secondaria non viene quindi trasformata in carica ed
aumenta così il fattore di carica necessario per una ricarica completa della batteria.
01/2011
3/6
I = IRS + IRP
In questa formula, "IRP" indica la corrente che scorre nella reazione principale, contribuendo quindi alla carica
della batteria. "IRS" rappresenta la parte di corrente di carica che va persa mediante la reazione secondaria e
che quindi non si trasforma in carica. La Fig. 6 illustra uno schema della fase "I" di carica principale.
Durante lo sviluppo del nuovo processo di carica Ri è stata data importanza al mantenimento al livello più
basso possibile della reazione secondaria nella fase di carica principale, al fine di utilizzare la maggior parte
della corrente di carica per la reazione principale. Questo ha un senso solo nella fase di carica principale,
durante la quale l'elettrolisi dell'acqua e la formazione di gas che ne deriva non sono desiderati in quanto
inefficaci. Nella fase finale di carica, dove con l'aumento dello stato di carica si pone fine alla reazione
principale, la corrente di carica viene utilizzata per l'attivazione della reazione secondaria necessaria per la
miscelazione degli acidi. Questa fase viene definita anche "fase di gasificazione". Così facendo è possibile
ridurre al minimo il fattore di carica necessario.
Col nuovo processo di carica "Ri" è possibile raggiungere fattori di carica compresi tra 1,05 e 1,12, che a loro
volta corrispondono a un rendimento di carica "η Carica" dell'88-95%.
Sia la ridotta potenza dissipata "PDissipata" sia l'aumentato rendimento di carica "ηCarica" derivano dalla
regolazione della corrente di carica in funzione della resistenza interna della batteria. Sostanzialmente con la
misurazione della resistenza interna della batteria si può definire la tensione di carica. Ciò garantisce che la
corrente di carica si adatti automaticamente alle variazioni della resistenza interna della batteria. Per la prima
volta non è più la corrente, ma la tensione ad essere predefinita. Questo significa che: Se la resistenza della
batteria all'inizio della carica è elevata, la sua capacità di assorbire la corrente sarà minore, quindi il
caricabatterie abbasserà la corrente di carica per ridurre le perdite di carica. Se la resistenza interna nel corso
della carica si riduce, aumenta la capacità della batteria di assorbire la corrente. Il caricabatterie aumenta
quindi automaticamente la corrente di carica e la ridurrà nuovamente quando nel corso della carica la
resistenza della batteria riprenderà a salire. La batteria riceve quindi solo la corrente di carica di cui ha
effettivamente bisogno.
Questa procedura consente un aumento medio dell'efficienza energetica nella fase di carica principale
dell'8% rispetto ai caricabatterie ad alta frequenza con tradizionale processo di carica IUI. La quantità di
energia che deve fornire il caricabatterie per caricare completamente la batteria (quindi fase di gasificazione
inclusa), scende in media fino al 6,5% ed in alcuni casi fino al 10% rispetto ai citati caricabatterie ad alta
frequenza. Per ottenere questi risultati è importante che l'energia risparmiata non si trasformi in calore. Così
facendo si riduce la temperatura media della batteria con effetti positivi anche sulla sua durata.
Sintesi delle caratteristiche del processo di carica Ri
Il grado di efficienza dei sistemi di ricarica dotati del processo di carica Ri è pari al 93%, il rendimento di
carica ed il rendimento complessivo dalla presa di rete fino al carrello aumentano rispettivamente fino al 10%.
Ciò significa che nella trasformazione della corrente alternata in corrente continua (necessaria per caricare la
batteria) e nel processo elettrochimico di carica della batteria che ne consegue, è stato ottimizzato l'utilizzo
dell'energia in modo tale da consentire di ridurre notevolmente i costi energetici.
Inoltre, il minore consumo energetico determina un minore riscaldamento della batteria durante il processo di
carica. Di conseguenza il consumo d'acqua si riduce ed aumenta la durata della batteria. Il processo di carica
Ri in relazione alla vita della batteria presenta un ulteriore vantaggio: Nei frequenti casi in cui la batteria viene
solo parzialmente scaricata, il tempo per la sua ricarica rimane quello predefinito (es. 7-8 ore). In questo
modo, ovvero con correnti di carica basse, la batteria viene sollecitata il meno possibile. Diminuisce
automaticamente il suo riscaldamento e vengono evitati picchi di corrente.
La Zentralverband Elektrotechnik- und Elektroindustrie e. V. (ZVEI) - Associazione per il settore elettrotecnica
ed elettronica con sede a Francoforte sul Meno stabilisce in una direttiva che: "Un fattore che influenza in
modo particolare la durata è costituito dalla tecnologia di carica. È noto che la carica errata provochi più
danneggiamenti alle batterie di quanti ne causa il loro scaricamento." Vale quindi la pena riflettere sulla giusta
tecnologia di carica.
01/2011
4/6
Caratteri: 13.217 senza spazi
Didascalie delle immagini
Per la tabella, vedere sotto.
Fig. 1 Resistenze ripartite per componenti di una batteria piombo-acido e il suo
comportamento durante la carica (immagine: Fronius).
Fig. 2 Schema dell'andamento della resistenza interna "Ri" nelle batterie
piombo-acido in funzione dello stato di carica (immagine: Fronius).
Fig. 3
Schema della potenza dissipata mediante la resistenza interna con
corrente di carica costante (immagine: Fronius).
Fig. 4 Schema dell'adattamento della corrente di carica "I" in relazione alla
resistenza interna "Ri" ed effetto sulla potenza dissipata "PDissipata"
(immagine: Fronius).
Fig. 5 Schema elettrico semplificato di una batteria piombo-acido con potenziale
elettrodio "E0" variabile in base alla resistenza interna "Ri", corrente di
carica "I" e reazione secondaria "RRS" come resistenza in parallelo
corrispondente (immagine: Fronius).
Fig. 6 Schema rappresentativo della corrente "IRP" che contribuisce alla carica
della batteria e di quella che va persa mediante la reazione secondaria
(immagine: Fronius).
"Col nuovo processo di carica Ri è possibile raggiungere fattori di carica
compresi tra 1,05 e 1,12", afferma l'autore Jürgen Binder, Sviluppatore di
processo per le tecnologie di carica delle batterie presso Fronius International
GmbH a Wels, Austria (immagine: Fronius).
Il co-autore Wolfgang Degenhard è giornalista tecnico indipendente a Esslingen
am Neckar, Germania (immagine: Degenhard).
Foto: Fronius International GmbH, riproduzione gratuita.
Sito Internet:
Fronius Perfect Charging: www.fronius.it
01/2011
5/6
Informazioni su Fronius International GmbH
Fronius International GmbH è un'azienda austriaca con sede sociale a Pettenbach e altre sedi a Wels,
Thalheim, Steinhaus e Sattledt. Con 3344 dipendenti impiegati a livello globale, svolge la propria attività nei
settori delle tecniche di saldatura, del fotovoltaico e delle tecnologie di ricarica. Grazie a 20 società
internazionali Fronius e a partner commerciali/rappresentanti in oltre 60 Paesi, la quota di esportazione
raggiunge il 92% circa. L'innovazione dei prodotti e dei servizi offerti, nonché 1008 brevetti attivi, fanno di
Fronius il leader tecnologico di mercato a livello mondiale.
Fronius International GmbH
Per ulteriori informazioni, contattare: Boris Ringwald, +43 664 602416436, [email protected]
Per una copia della documentazione, contattare: Boris Ringwald, Froniusplatz 1, 4600 Wels, Austria
Fronius Italia S.r.l.
Per ulteriori informazioni, contattare: Davide Miotello, +39 366 9117792, [email protected],
Per una copia della documentazione, contattare: Davide Miotello, Fronius Italia S.r.l., Via dell'Agricoltura, 46,
37012 Bussolengo (VR)
Tabella Fig. 1
Componente
Variazione della resistenza durante la carica
Ponticello di
collegamento
Nessuna variazione
Ponticello
Nessuna variazione
Griglia di elettrodi
Nessuna variazione
Materiale attivo
Resistenza di
polarizzazione
Elettrolito
01/2011
Resistenza in funzione dello stato di carica. Con l'aumentare dello scaricamento
aumenta rapidamente, poiché il materiale scaricato (solfato di piombo) conduce
meno rispetto al materiale caricato (piombo/ossido di piombo).
È una "resistenza" dipendente dalla corrente che aumenta verso la fine della
fase di carica principale, poiché il reagente necessario non è più disponibile in
quantità sufficiente.
La resistenza elettrica dell'elettrolito (acido solforico) dipende dalla
concentrazione ed è maggiore all'inizio della carica.
6/6