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Auto di nuova generazione: sostituzione della batteria

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Partiamo con il dire che il parco auto europeo sta cambiando molto velocemente, anche per effetto dei rigidi target che i legislatori hanno imposto sulle emissioni di CO2 delle automobili, infatti entro il 2021 dovrà rientrare in 95g/km. Questi nuovi target hanno portato i costruttori a progettare automobili con tecnologie e motori sofisticati introducendo caratteristiche avanzate come lo start e stop, sistemi per la gestione della batteria e alternatori intelligenti, che non ricaricano più le batterie in modalità continua.

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Come calcolare l’amperaggio necessario per un impianto

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Vedremo in questo articolo come calcolare l’amperaggio necessario per il nostro impianto.

  1. Dovremo verificare tutti i carichi elettrici calcolando la potenza in watt (W Tot)
  2. Divideremo poi i W tot con il voltaggio dell’impianto (V) trovando così il valore della corrente richiesta in Ampere (A)
  3. Moltiplicheremo la corrente richiesta (A) per il numero di ore giornaliere durante le quali il pacco batterie sarà attivo (h). Troveremo così Gli Ampere Ora (Ah) 
  4. A questo punto moltiplicheremo gli Ampere Ora Ah per l’indice di sicurezza 1,5 calcolando il valore reale della capacità necessaria.
Ecco la formula:

W Tot/V = A
A x h= Ah
A x 1,5 = Ah reali

Scheda di sicurezza (SDS) o scheda a 16 punti

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Questo articolo è molto importante per tutti coloro che lavorano, come noi con prodotti chimici. Iniziamo con la spiegazione.

Una scheda di sicurezza (SDS) è un documento legale in cui vengono elencati tutti i pericoli per la salute dell’uomo e dell’ambiente di un prodotto chimico. In particolare vi sono elencate le componenti, il produttore, i rischi per il trasporto, per l’uomo e per l’ambiente, le indicazioni per lo smaltimento, le frasi H ed i consigli P, i limiti di esposizione TLV/TWA e le protezioni da indossare per il lavoratore (Dispositivi di Protezione Individuale) che ne entra in contatto.
In Europa la struttura ed il contenuto tecnico delle schede di sicurezza è regolato dal regolamento n. 1907/2006 del Parlamento Europeo del Consiglio del 18 dicembre 2006 concernente la registrazione, la valutazione, l’autorizzazione e la restrizione delle sostanze chimiche (REACH). Il REACH integra i criteri delle precedenti direttive 67/548/CEE e 1999/45/CE (che stabiliscono i preparati e le sostanze interessati ed i criteri per l’imballaggio e la loro etichettatura), rendendo obbligatoria le SDS anche nei seguenti casi:
  • sostanze persistenti, bioaccumulanti e tossiche (PBT)
  • molto persistenti e molto bioaccumulanti (vPvB) in base ai criteri di cui all’allegato XIII
  • sostanze incluse nella lista di quelle eventualmente candidate all’autorizzazione, disposta dall’art. 59
  • su richiesta dell’utilizzatore professionale, per preparati non classificati ma contenenti (in concentrazione individuale pari o superiore all’1% in peso per preparati solidi e liquidi o allo 0,2% in volume per preparati gassosi) sostanze pericolose, oppure dotate di valore limite d’esposizione professionale o ancora rientranti nei casi di cui sopra.

Struttura SDS europea

La struttura della scheda di sicurezza deve essere composta dai seguenti 16 punti obbligatori:

  1. Identificazione della sostanza/preparato e della società/impresa
  2. Identificazione dei pericoli
  3. Composizione/informazioni sugli ingredienti
  4. Misure di primo soccorso
  5. Misure antincendio
  6. Misure in caso di rilascio accidentale
  7. Manipolazione e immagazzinamento
  8. Controllo dell’esposizione
  9. Proprietà fisiche e chimiche
  10. Stabilità e reattività
  11. Informazioni tossicologiche
  12. Informazioni ecologiche
  13. Considerazioni sullo smaltimento
  14. Informazioni sul trasporto
  15. Informazioni sulla regolamentazione
  16. Altre informazioni

Cliccando Qui potete vederne un esempio

"Una vigile e provvida #paura è la #madre della #sicurezza." – #Edmund #Burke – #pianetabatteria http://t.co/raKcdlXOdC

— Pianeta Batteria (@PianetaBatteria) 5 Febbraio 2015

Batterie al litio

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La tecnologia moderna ha messo a disposizione di tutti una gran quantità di dispositivi elettronici portatili, quali cellulari e computer portatili, che necessitano di batterie leggere, ricaricabili e di lunga durata per esser alimentati. Inoltre la possibilità di avere notevoli quantità d’energia erogata in tempi lunghi mediante un sistema leggero è di sicuro interesse anche in altri campi, tra i quali quello degli autoveicoli. Tali esigenze hanno portato alla ricerca di batterie compatte e con un’elevata densità d’energia e al conseguente sviluppo delle batterie a ioni di litio.
Queste infatti sono notevolmente vantaggiose rispetto ad altre tecnologie, come è evidente dalla figura 1. Il voltaggio raggiungibile dalle celle ( circa 4V ) è possibile grazie all’utilizzo di elettroliti non-acquosi (il Litio reagirebbe in presenza d’acqua), i quali inoltre rendono il dispositivo utilizzabile entro un ampio intervallo di temperature.
Il meccanismo di funzionamento delle batterie al Litio si basa sulla migrazione di ioni di Li che vengono ciclicamente estratti da e introdotti in una matrice ospite (elettrodo) durante i processi di ricarica ed utilizzo. Parallelamente alla migrazione degli ioni avviene la riduzione/ossidazione della matrice ospite, che provoca il flusso esterno degli elettroni.
Inizialmente furono prodotte batterie con catodi composti da un materiale accettore di ioni Li e da un  anodo di Litio metallico (batterie a Litio metallico). In un secondo momento sono stati sviluppati dispositivi in cui gli elettrodi sono costituiti da materiali con struttura aperta da cui gli ioni potevano esser estratti ed inseriti. In un simile sistema  teoricamente qualsiasi liquido o solido conduttore di ioni di Li può esser usato come elettrolita; vengono utilizzati, ad esempio, sali di Litio (perclorato di Litio LiClO4) sciolti in solventi organici (carbonato di propilene) o misti oppure membrane polimeriche conduttrici (ossido di polietilene). Materiali interessanti per la funzione di matrice ospite sono materiali a struttura lamellare, ma anche materiali con siti interstiziali accessibili dagli ioni (il che implica la presenza di canali di diffusione preferenziali) e, recentemente, anche materiali amorfi. La matrice ospite subisce una modifica dovuta solo ad un riassestamento atomico, senza significativi cambiamenti, cosa che permette di tornare, dopo la ricarica, ad uno stato identico a quello originale (contrariamene alle tradizionali batterie).
 I primi prototipi utilizzavano un catodo in TiS2 e un anodo di Litio immersi in un elettrolita non-acquoso. Il catodo presenta una struttura lamellare e durante il funzionamento gli ioni di Li si inseriscono tra le lamelle del TiS2 interagendo con i legami di van der Waals; la carica elettrica viene conservata dalla riduzione degli ioni da Ti4+ a Ti3+ e il conseguente passaggio di elettroni nel circuito esterno. Il meccanismo inverso avviene durante la ricarica della batteria, con ossidazione degli ioni di Ti ed estrazione di Li dalle lamelle del catodo. Durante questi processi la struttura del catodo rimane inalterata e questo giustifica la reversibilità del processo. In seguito l’uso dell’anodo in Litio metallico venne abbandonato, in quanto l’alta reattività del Litio provocava fenomeni corrosivi molto intensi all’interfaccia con l’elettrolita, causando sia il degrado del dispositivo che problemi di sicurezza, sino ad arrivare a casi estremi di autocombustione delle batterie.
Divenne quindi necessario usare come anodo un materiale in grado di ospitare gli ioni di Litio, allo stesso modo del catodo. Ovviamente non si può usare lo stesso materiale per l’anodo e per il catodo, pena l’assenza di una driving-force che causi il movimento degli ioni tra un elettrodo e l’altro, non essendoci nessuna differenza d’energia tra i due stati. Attualmente i materiali più promettenti per la costruzione dei catodi sono ossidi di Mn, Ni, Co, i quali presentano una struttura cristallina piuttosto aperta con canali e spazi all’ interno dei quali si inseriscono facilmente gli ioni di Litio, mentre per l’anodo è molto utilizzata la grafite. Questa presenta la ben nota struttura a strati, con piani di atomi disposti in strutture esagonali fortemente legati tra loro, mentre i vari piani sono tenuti assieme da legami deboli.
Dal momento che gli ioni di Litio si legano più debolmente alla grafite che agli ossidi metallici, il loro spostamento verso il catodo è energeticamente favorito. Durante la ricarica questa tendenza è invertita.
La differenza di potenziale a circuito aperto Voc è dato dalla differenza tra i potenziali chimici del Litio tra catodo ed anodo:



dove µc è il potenziale di catodo, µa quello di anodo e F è la costante di Faraday.
Il voltaggio di circuito aperto dipende dalle energie necessarie al movimento sia degli elettroni che degli ioni di Litio. L’energia per il movimento degli elettroni dipende dalla funzione lavoro dei materiali costituenti l’anodo e il catodo, mentre quella per lo spostamento degli ioni di Litio dipende fortemente dalla struttura cristallina e dalla geometria della matrice ospite. In base a considerazioni termodinamiche, al fine di evitare indesiderate reazioni di ossidazione o di riduzione nell’elettrolita, le energie redox del catodo e dell’anodo devono essere comprese nella banda gap dell’elettrolita, per cui:

eVoc = µc – µa < Eg

Sistemi Stop – Start

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L’aumento dei prezzi dell’energia e l’inasprimento delle normative sulle emissioni hanno portato alla ricerca di soluzioni tecniche per risparmiare energia e ridurre le emissioni nocive. Oltre al miglioramento dell’efficienza termica dei motori e alla riduzione degli attriti nelle trasmissioni e nell’aerodinamica dei veicoli sono stati sviluppati i dispositivi “Stop-Start” che fanno spegnere automaticamente i motori senza intervento del conducente in tutte quelle pause di attesa ai semafori e nelle code, molto frequenti nei percorsi urbani, dove non è necessario disporre dell’energia da questi fornita.

I dispositivi “Stop-Start” permettono un risparmio di carburante fino al 15% con riduzione delle emissioni di CO2, soprattutto nella marcia nei centri urbani dove è possibile ottenere i maggiori benefici in termini di consumi.
La necessità di far fronte a frequenti spegnimenti e riavviamenti automatici del motore con conseguenti carichi di corrente supplementare comporta delle modifiche ai sistemi di gestione elettronica del veicolo e l’adozione di batterie adeguate alle maggiori richieste di energia dell’impianto elettrico durante le fermate a motore spento e a correnti di ricarica più intense per recuperare velocemente la carica subito dopo il riavviamento del motore.
Le batterie in particolare devono essere in grado di sopportare cicli di scarica prolungati e cicli di ricarica brevi e intensi.
Da qui la necessità di adottare batterie adeguate a queste nuove esigenze.

 
Il rendimento di carica
 
La batteria non restituisce tutta la corrente che riceve in fase di carica: una parte della corrente viene dispersa sotto forma di calore durante le reazione chimica all’interno delle celle elettrolitiche. Questa perdita è dell’ordine del 5-10% per una carica lenta, ma può anche aumentare in caso di carica rapida. Questo significa che per ottenere una carica completa occorre fornire circa il 10% in più della capacità nominale della batteria.
Il circuito di carica
 
La ricarica della batteria è affidata a un generatore di corrente costituito da un alternatore trifase con regolatore di tensione e raddrizzatore di corrente (*). In base alle condizioni di funzionamento dell’impianto la corrente può essere fornita sia dal generatore che dalla batteria che dispongono della potenza e della capacità adeguata a far fronte alle richieste di energia degli utilizzatori.

(*) L’alternatore trifase assicura un elevato rendimento nella produzione di energia elettrica a fronte di dimensioni compatte, mentre il regolatore di tensione permette di adeguare la corrente in uscita dal generatore ai consumi di corrente dell’impianto e allo stato di carica della batteria mantenendo la tensione costante; il raddrizzatore di corrente trasforma la corrente alternata in corrente continua per assicurare la ricarica della batteria e il corretto funzionamento di tutti i componenti elettrici ed elettronici del veicolo.

Recupero dell’energia in frenata
In decelerazione il motore gira in modalità “cut-off” (*) grazie all’energia cinetica del veicolo in movimento.
In questa condizione l’energia elettrica fornita dall’alternatore non comporta alcun consumo di carburante. Questa produzione “gratuita” di elettricità viene sfruttata per aumentare la corrente di ricarica della batteria durante la frenata allo scopo di ridurne i tempi tra uno “stop-start” e l’altro. Il sistema di gestione elettronica dell’impianto comanda il regolatore di tensione in modo da massimizzare la produzione di energia elettrica in decelerazione (fase passiva) minimizzando così l’apporto energetico durante la fase attiva del motore che comporterebbe un ulteriore, anche se minimo, consumo di carburante per la ricarica della batteria. Il processo permette di recuperare velocemente la carica della batteria ottenendo nel contempo un maggior freno motore; per aumentare la corrente di carica il regolatore di tensione infatti incrementa il campo elettromagnetico induttore dell’alternatore che svolge così azione frenante per il motore e per il veicolo. In questo ciclo energetico la batteria ha un ruolo chiave in quanto deve essere in grado di sopportare cicli di scarica e ricarica intensi e frequenti senza deteriorarsi; ciò è possibile grazie alla tecnologia AGM.

(*) La modalità “cut-off” consiste nella temporanea interruzione dell’iniezione di carburante al motore in fase di decelerazione per ridurre consumi ed emissioni allo scarico.

Ottimizzazione dello stato di carica della batteria
 
Per un corretto funzionamento del sistema “Stop-Start” occorre evitare che la batteria scenda al di sotto di una certa soglia di carica quando le fermate sono frequenti. La centralina di controllo della batteria adotta una strategia denominata “predizione della tensione di avviamento” che analizza le richieste di corrente e le condizioni di funzionamento del motore e dell’impianto elettrico e disattiva temporaneamente alcune funzioni, soprattutto quelle termiche, che potrebbero portare ad un eccessivo abbassamento dello stato di carica della batteria durante la fase di arresto per poi ripristinarle dopo il riavviamento del motore.
Alcune importanti modifiche ai componenti dell’impianto elettrico…
 

Centraline elettroniche
Riprogrammazione dei software e aggiunta di un segnale in ingresso specifico per la funzione “Stop-Start”.

Alternatore
Collegamento con la centralina di carrozzeria (body) per incrementare la carica della batteria attraverso il regolatore quando richiesto.
Batteria
Batteria senza manutenzione di tipo VRLA, AGM o ECM, con maggiore resistenza ai cicli di carica e scarica.
Motorino di avviamento
Adattato per resistere al maggior numero e alla maggior frequenza dei cicli di avviamento.
Rete Multiplex CAN e derivate (*)
Controllo della batteria attraverso apposito sensore sul polo negativo
Centralina di controllo della batteria connessa in rete CAN e collegata all’interfaccia diagnosi
Cambio e trasmissione
Sensore di rilevamento marcia inserita
(*) CAN – Controller Area Network – Rete dei Controllori di Area
Si tratta di una rete di comunicazione digitale tra le principali centraline elettroniche del veicolo realizzata mediante due soli fili (CAN + e CAN -) attraverso i quali vengono scambiati in tempo reale i messaggi di funzionamento dei vari sistemi. Questa tecnologia mutuata dall’informatica semplifica notevolmente l’impianto elettrico dei moderni veicoli dove molte funzioni dei sistemi elettronici sono interdipendenti l’una dall’altra.
Collegamenti dei sistemi “Stop-Start”
 
1 Servosterzo
2 Segnale di velocità
3 Sistemi di gestione del motore
4 Rilevamento cinture sicurezza
5 Regolazione riscaldamento, ventola, climatizzazione
6 Morsetto 50R (avviamento)
7 Morsetto 30 (+12 V alimentazione centraline)
8 Radio, impianto radio-navigatore
A Batteria
B Motorino di avviamento
C Alternatore
C1 Regolatore di tensione
F Interruttore luci freno
F26 Interruttore pedale frizione
F436 Tasto della funzione Start/Stop
G62 Sensore temperatura liquido raffreddamento
G79 Sensore pedale acceleratore
G701 Sensore di posizione folle del cambio (cambio manuale)
J104 Centralina ABS
J255 Centralina Climatizzatore
J285 Centralina quadro strumenti
J367 Centralina di controllo batteria con sensore
J293 Centralina principale sistema comfort
J500 Centralina servosterzo
J519 Centralina rete di bordo (CAN)
J532 Stabilizzatore di tensione
J533 Interfaccia diagnosi bus dati
J623 Centralina motore ECM
J791 Centralina di assistenza parcheggio
Funzionamento
 
Il sistema “Stop-Start” è generalmente integrato nella centralina motore che comunica con il resto dell’impianto elettrico attraverso la rete CAN e derivate.
Condizioni di spegnimento automatico motore a veicolo fermo
– Veicolo fermo – velocità 0 km/h

– Regime motore inferiore a 1200 giri/min

– Temperatura liquido raffreddamento compresa tra 25° e 100° C
– Depressione del servofreno superiore a 550 mbar
– Stato di carica della batteria adeguato per riavviare il motore (precedente calcolo di predizione della tensione di avviamento)
– Temperatura della batteria compresa tra -1° e 55° C
– Richiesta di climatizzazione non eccessiva e differenza tra la temperatura richiesta e quella alle bocchette non superiore a 8° C
– Filtro antiparticolato diesel NON in fase di rigenerazione
Condizioni di riavviamento automatico a fine sosta
 

– Cintura di sicurezza del conducente allacciata

– Cofano motore chiuso
– Porta conducente chiusa
– Leva del cambio in folle (cambio manuale)
– Pedale della frizione premuto (segnale di avviamento per cambio manuale)
– Rilascio del pedale del freno (segnale di avviamento per cambio automatico o robotizzato)
Condizioni di riavviamento automatico durante la sosta
 

– Movimento del veicolo dovuto al rilascio del pedale del freno

– Attivazioni di funzioni che richiedono il motore in moto (es. lunotto termico, richiesta di maggiore/minore temperatura dal climatizzatore, sedili riscaldati, etc..)
– Cambiamento delle condizioni ambientali, della temperatura del liquido di raffreddamento motore, della temperatura dell’aria interna, etc…
– Depressione nel servofreno insufficiente
– Stato di carica della batteria insufficiente per coprire i fabbisogni dell’impianto
Condizioni di inibizione della funzione “Stop-Start”
 

– Sistema disattivato dall’apposito tasto

– Stato di carica della batteria insufficiente per riavviare del motore
– Funzione sbrinamento (lunotto, parabrezza, specchietti, etc…)
– Differenza di oltre 8° C di temperatura tra abitacolo e bocchette aria
– Alternatore difettoso

Centralina e sensore di controllo batteria (ove montato)
 
Sensore di controllo batteria
Il sensore della batteria rileva i seguenti dati:
– Tensione
– Corrente di ricarica
– Temperatura
La centralina di controllo batteria trasmette i dati del sensore alla centralina motore e alle altre centraline collegate in rete CAN per la gestione della funzione “Stop-Start”. In caso di malfunzionamento o interruzione del sensore la funzione “Stop-Start”. viene disattivata.
Batterie VRLA
 
Come abbiamo già visto le batterie VRLA (Valve Regulated Lead-Acid – al piombo-acido regolate da valvola), di tipo AGM, presentano alcuni importanti vantaggi rispetto alle tradizionali batterie al piombo-acido con elettrodi immersi:
– Maggiore CCA per l’avviamento a freddo
– Maggiore resistenza alla scarica elevata
– Maggiore resistenza a urti e vibrazioni
– Funzionamento anche in posizione non livellata
– Minore deposito di acido
– Assenza di manutenzione
E’ importantissimo tener presente che le batterie VRLA hanno tensioni di cella e tensioni di mantenimento carica diverse dalle batterie a elettrolito liquido.
Questo comporta una calibrazione specifica del sensore e della centralina di controllo batteria, pertanto:
la batteria originale deve essere sostituita
con una dello stesso tipo, dimensioni e capacità
 
Considerando la sensibilità alle tensioni e alle variazioni di tensione dei moderni sistemi elettronici degli autoveicoli il principio di sostituire la batteria originale con una dello stesso tipo e capacità deve essere sempre rispettato indipendentemente dalla presenza di dispositivi “Stop-Start”.
Stabilizzatore di tensione
 

Alcuni veicoli sono dotati di uno stabilizzatore di tensione per assicurare l’alimentazione stabilizzata a 12V a tutte le centraline elettroniche in determinate condizioni di utilizzo gravose quando la tensione dell’impianto può scendere al di sotto della soglia critica (es. durante l’avviamento).
In caso di tensione di alimentazione insufficiente alcune centraline possono incorrere nei seguenti malfunzionamenti:

– Accensione della spia diagnostica di errore
– Memorizzazione di codici di guasti inesistenti
– Cancellazione di codici di errore precedentemente memorizzati
– Azzeramento dei dati di funzionamento programmati (data e ora, stazioni radio, temperatura clima, codice di sicurezza GPS, etc…)
– Perdita degli aggiornamenti software
Lo stabilizzatore di tensione è un convertitore DC/DC (*) che entro certi limiti stabilizza la tensione in uscita ad un valore prescritto (nel nostro caso 12V) indipendentemente dalla tensione in ingresso.
(*) Il convertitore DC/DC è un trasformatore di tensione funzionante in corrente continua (DC)
Tabella dei consumi di corrente in Ampere tipici dei principali componenti elettrici ed elettronici