Batteria per bici elettrica: quasi tutto quello che c’è da sapere!

Batteria per bici elettrica: un componente indispensabile e costoso della VAE

La batteria resta ancora l’elemento più costoso della bicicletta elettrica. Per una questione di costo iniziale, il ciclista elettrico rischia di investire in una batteria dalla capacità limitata per poi dibatterisi con l’autonomia. Bisogna pedalare, anticipare, frenare il meno possibile e non sollecitare troppo la batteria per essere sicuri di arrivare a fine tragitto. La maggior parte delle volte non è installato un wattmetro e il pilota è cieco rispetto alle informazioni che permetterebbero di gestire l’energia di bordo.

In ogni caso, l’obiettivo è definire un investimento duraturo anziché una spesa per un sistema troppo limitato: nelle righe seguenti si potranno trovare alcuni spunti di riflessione, sapendo che si tratta di generalità.

Terre rare: la Cina inevitabile

Oggi la produzione di terre rare – estrazione e raffinazione – è al 90% cinese (saperne di più su Wikipedia). Questa attività è particolarmente nociva per l’ambiente e per ora la Cina sembra adattarsi: un mercato con una crescita annuale del 20% e da 120 miliardi di dollari non si rifiuta. Con queste terre rare aziende cinesi o joint-venture (Sanyo, Panasonic, ecc.) producono celle che alimentano smartphone, computer portatili, sedie a rotelle, automobili e motocicli elettrici, senza dimenticare le biciclette a pedalata assistita (VAE). Il mercato è così importante dal punto di vista strategico che è diventato un elemento della politica estera cinese: il Giappone è già stato minacciato di embargo!

Dalla terra rara alle celle

Una batteria è composta da celle. Sommando le celle in serie e in parallelo si ottiene la tensione desiderata. Torneremo più avanti sulla chimica; sappiate solo che:

• con la tecnologia Li-Ion e LiPo ogni cella ha una tensione nominale di 3,7V e la tensione massima è di 4,2V. Una batteria da 48V è generalmente composta da 13 celle; una volta caricata la tensione massima è di 13*4,2V ossia 54,6V
• con la tecnologia LiFePO4 ogni cella ha una tensione nominale di 3,2V e la tensione massima è di 3,65V. Una batteria da 48V è generalmente composta da 16 celle e quando la batteria è carica, la tensione massima è di 16*3,65V ossia 58,4V

Il montaggio in serie delle celle è identificato dalla lettera S. Sulla batteria da 10Ah composta da 13 celle, si dice che è una 13S1P, dove “1P” indica 1 in parallelo. Nel caso della nostra batteria da 20Ah con due gruppi di 13 celle, si parla di 13S2P: due volte tredici celle.

Battery Management System (BMS)

Le celle che compongono la batteria sono molto fragili: bisogna assolutamente rispettare certe regole: non superare la tensione massima di 4,2V, non scendere sotto la tensione minima. A tal fine una scheda elettronica gestisce:

• lo spegnimento alto e basso,
• l’intensità di scarica e carica
• i parametri di bilanciamento delle celle
• a volte la temperatura così come altri parametri

Le celle e il BMS determinano la capacità in uscita: una batteria che eroga 20Ah e di capacità 20Ah eroga 1C. Se la batteria è in grado di erogare 40Ah, allora è di capacità 2C: le chiamate di corrente sono più forti, ma la durata durante la quale la corrente viene fornita è dimezzata. Il BMS è dimensionato per la capacità in uscita.

A proposito della capacità, è importante comprendere l’adeguatezza tra la potenza richiesta (dal controller) e la capacità della batteria. Se il vostro controller è dato per 28Ah e la vostra batteria da 15Ah può erogare solo 20Ah, allora la vostra configurazione non è corretta.

Il BMS associato alle celle definisce il regime di scarica. Ad esempio:

• Maximal Continuous Discharge C-Rate: 30Amps / significa che la batteria può erogare 30 ampere in modo continuo
• Maximal Discharge Current: 60Amps / significa che la batteria può erogare 60 ampere per alcuni secondi

La chimica

Una batteria è composta da più celle identiche. Le batterie al piombo non sono più usate per le bici (salvo prodotti esca che sconsigliamo formalmente) e oggi sono presenti tre tecnologie, ma non sempre facili da identificare: Europa e Cina non adottano la stessa terminologia!

• In Cina LiMnO4 e Li-NiCoMnO2 sono denominate “Li-ion”.
• In Europa si distingue:
  • – Li-Ion per ioni Li+ e un elettrolita liquido in un involucro solido,
  • – Li-Po per un polimero solido che permette un involucro flessibile facilmente identificabile
  • – LiFePO4: Litio Ferro Fosfato

Attenzione: le prime due tecnologie hanno celle da 4,2V max e la terza da 3,65V: di conseguenza, non usare mai un caricabatterie destinato a una tecnologia per un’altra tecnologia. Ad esempio, a 48V la Li-PO si carica a 54,6V e la LiFePO4 a 58,6V!

Numero di cicli

Confronto delle chimiche

• Il prezzo indicativo è per una batteria acquistata in Cina, senza trasporto né tassa di importazione. Per un prezzo consegnato a casa vostra, usate un coefficiente 1,5!

** La % di peso è abbastanza variabile, da 7 a 8kg per una 20Ah, ma a seconda delle batterie si può arrivare a 10 o 11kg per una 48V 20Ah in LiFePO4

*** Una batteria la cui tensione è più alta permetterà di correre più veloce. Empiricamente 48V = 48km/h, ma dipende dall’avvolgimento del motore!

Alcuni commenti:

• il prezzo iniziale favorisce la Li-Ion ma il costo d’esercizio favorisce la LiFePO4. Un calcolo empirico (15000km per una 20Ah in Li-Ion a 450€ e 30000km per una LiFePO4 a 500€) dà un costo d’esercizio di 3€ ogni 100km per la prima e di 1,67 per la seconda.
• la densità energetica favorisce la Li-Ion, il che significa che la Li-Ion pesa meno e può essere determinante a seconda dell’applicazione

Autonomia e consigli sulla capacità

Visto che la batteria è cara, si tende a calcolare al massimo dello stretto necessario. È un errore, perché:

• una batteria non dovrebbe mai essere scaricata oltre l’80% della sua capacità per preservare il suo numero di cicli
• quando si corre a 0° si consuma il 30% in più (perché la resistenza interna aumenta)
• quando soffia il vento il consumo esplode

Questo significa che se pensate che una batteria da 10Ah basti per il vostro tragitto, si consiglia di prendere una batteria da 15Ah.

Come visto più sopra, adattate il controller e la batteria: un controller da 20A si intonerà perfettamente con una batteria che eroga 20A o più in continuo.

Per le cifre in utilizzo reale, consultate il paragrafo “In pratica” qui sotto.

Scariche, ricariche, manutenzione, conservazione

I punti qui sotto sono consigli che permettono di gestire bene la batteria:

• All’inizio dei telefoni cellulari e delle loro batterie al NiCd, a causa dell’effetto memoria di questa chimica, il consiglio era di scaricarle completamente e ricaricarle “al massimo” per rompere l’effetto memoria. Questa idea è rimasta nella memoria collettiva e alcuni (ignoranti) vogliono applicarla alla chimica Li-Ion o LiFePO4 delle batterie delle bici attuali: è un errore terribile e distruttivo, bisogna evitare le scariche profonde
• Se la vostra batteria è di tipo Li-Ion, considerate che ogni cella non deve scendere sotto i 3,2V: per una batteria composta da 13 celle, non scendete sotto i 41,6V, anche se il vostro BMS o il controller hanno spegnimenti bassi inferiori
• In aggiunta al punto precedente, il BMS è un montaggio elettronico che utilizza l’energia della batteria per funzionare, le celle tendono all’autoscarica: ricaricate il più spesso possibile la vostra batteria
• non c’è alcun modo di mantenere la propria batteria (non si può “cambiare il filtro dell’olio” o “rifare la pressione”) se non rispettando le celle: tensioni alte e basse, niente scariche profonde. Detto questo, poiché le celle tendono all’autoscarica, potete ricaricare la batteria almeno una volta al mese
• e per finire con la conservazione: la tendenza all’autoscarica è minore con le basse temperature: per quanto possibile, conservatela al freddo!

In pratica

• una batteria 48V 20Ah LiIon
• motore Nine Continent 9×7
• circa 70km al giorno lavorativo per un anno, circa 400 cicli di ricarica (ogni 35km). Perdita di capacità dopo 400 cicli: circa il 20% (restano 16Ah)
• la bici è usata “in modalità scooter”, cioè senza mai pedalare

Qui sotto i chilometri mensili in un anno (misurazione GPS, registrazione su RunKeeper):

Sul tragitto:

• velocità media in auto = 44km/h
• velocità media in VAE = 42km/h

Alcune osservazioni:

• il freddo aumenta la resistenza interna della batteria: in inverno, con temperature intorno agli 0°, il consumo è il 30% superiore che a 25°
• autonomia 55km con una batteria 48V 20Ah e il RH205 9×7 a 25° senza vento, controller 24Ah, percorso pianeggiante e senza pedalare a una media di +40km/h
• autonomia 41km con una 48V 15Ah e il motore RH205 9×7 a 25° senza vento, controller 24Ah, percorso pianeggiante e senza pedalare a una media di +40km/h
• riducendo la velocità il consumo diminuisce fortemente. Con la batteria 20Ah a 30km/h si può contare su 80km di autonomia

Alcune cifre di percorsi reali (motore RH205 9×7, batteria 48V 20Ah, controller 24A):

• 38 km a una media di 41km/h, vento contrario 10km/h, velocità max 48km/h, consumo 12A
• Velocità Max 55,4km/h con vento in coda di 30km/h
• 36km a una media di 43,7km/h
• 72km con una carica, 35km “in modalità scooter” a velocità massima, il resto pedalando leggermente

Batterie da modellismo?

A priori le batterie da modellismo possono rappresentare un’alternativa allettante: il costo è limitato e si può pensare di fare la manutenzione da soli giocando con i pacchi. Ad esempio si possono assemblare due LiPo da 24V 8Ah per farsi un pacco 48V a basso costo.

In realtà, l’unico vantaggio è quello del costo a priori, ma la realtà assomiglia a un miraggio:

• assemblare un pacco di batterie presenta un primo inconveniente: la qualità delle unità ricevute. Infatti, capita spesso che:
  • in un lotto di batterie che si desidera assemblare, uno dei pacchi sia scarso (una cella primaria difettosa) e sia l’intero pacco a essere scarso (ad esempio delle Hobby King 24V 8000mAh…)
  • la capacità dichiarata è ben lontana dal conto (esempio WinForce, ne servono sei da 5000mAh per avere le stesse prestazioni di due Hobby King da 8000mAh)
• il pacco assemblato da sé non ha BMS. Così si può facilmente scaricare il pacco oltre il limite. Questo è impossibile con una batteria che integra il BMS. Si può risolvere il problema realizzando o acquistando un BMS…
• la sorveglianza di ogni cella passa per un fischietto LiPo… O no! Così, ancora connessioni da effettuare, e soprattutto non dimenticare di scollegare il fischietto che scaricherà la batteria
• la carica è penosa: si può o caricare ogni batteria una alla volta (ideale: alzarsi di notte alla fine di una batteria per caricare l’altra) o comprare fili in quantità e caricare il tutto in parallelo. Evitate di caricare tutto ciò in ufficio, si vedrà!
• Bisogna acquistare un caricabatterie specifico e di buona qualità, il che non è economico
• Oltre al caricabatterie bisogna acquistare un alimentatore per il caricabatterie

In conclusione, assemblare le proprie batterie è possibile, ma in termini di costo non è necessariamente vantaggioso. Inoltre, bisognerà prevedere tempo, pazienza e prove prima di giungere a una soluzione duratura. Senza contare che tutti i fili e le scatole (caricabatterie, alimentatore, scheda per carica in parallelo, batterie) non passano inosservati: è molto difficile caricare in modo discreto in ufficio.