Impianto solare e batterie LiFePO4

Arrivate !! Vi avevo scritto un articolo sul fatto che mi sarebbero arrivate le batterie al Litio Ferro Fosfato (LiFePO4 – LFP) e finalmente sono arrivate. Vediamo subito le caratteristiche principali :

Capacità nominale: 150Ah
Capacità minima: 150Ah
Impedenza interna: 0.2 ~ 0.3m Ω
Tensione nominale: 3.2 V
Dimensioni (L * W * H): 174*48*171 millimetri
Peso: 2.95 ± 10 kg
Corrente costante consigliata: 150A (1C)
Tensione minima: 2.5 V
Corrente Costante: 75A (0.5C)
Tensione di carica: 3.65 V
Massima Corrente di Scarica: 228A (3 min)
Massima Corrente di Scarica: 300A (30 S)
Ciclo di vita (80% DOD – Depth Of Discharge): 4000 cicli
Temperatura di ricarica:-5 ~ 60 °C
Lo scarico di Temperatura:-30 ~ 60 °C

La prima cosa che si nota è che la cella è da 3.2V, come tutte le batterie al litio, motivo per cui per raggiungere i 48V del mio impianto dovrò metterne 16 in serie. Voi direte che la matematica non è un’opinione e che 3.2*16 non mi da 48 ma 51.2. Verissimo, ma è anche vero che la tensione della cella non è un numero costante, dipende infatti dalla carica della batteria stessa, ed quindi i 48V sono solamente un valore di riferimento che nella realtà  possono arrivare ad un massimo di 57.6V.

Bilanciamento

Come collego le celle? Basta metterle in serie? Si e no. Se acquistate da un produttore serio come questo, non ci sono problemi in quanto avete la garanzia che le celle che vi hanno consegnato sono tutte identiche, nei limiti delle tolleranze produttive, e sono già state bilanciate in fabbrica prima della consegna, ossia avranno tutte il medesimo voltaggio con uno scarto irrisorio. Questa è una garanzia per il vostro impianto, oltre a risparmiarvi un sacco di lavoro. In questo caso si, dopo aver verificato che non ci sono danni strutturali legati al trasporto e confermato che il voltaggio delle celle non differisce oltre 0.05V, potete collegarle in serie ed il lavoro è quasi fatto, non dovete far altro che installare il BMS (vedi sotto) e collegare il pacco batterie al resto dell’impianto.

In caso contrario il lavoro sarà più complesso, ma cerchiamo di capire perchè. Partiamo da un concetto molto importante, ossia quello che le celle sottoposte ad una scarica o una carica eccessiva portano al danneggiamento della cella stessa. Questo è di fondamentale importanza per capire tutto il discorso che ne segue. Ora facciamo finta di avere 3 batterie di capacità 10 (valore del tutto arbitrario), facciamo allo stesso modo finta che il limite minimo di scarica è 1 ed il massimo di carica è 9 oltrepassando i quali le celle si danneggiano. Ora prendiamo le tre batterie, una carica a 3, una a 5 e l’altra a 8. Le mettiamo in serie così come sono. Scarichiamo di 4.5 punti. La prima finisce sotto zero, la seconda a 0.5 e la terza a 4.5. Di fatto le prime due celle sono morte, l’unica che non si è danneggiata è l’ultima che contiene ancora una buona quantità della sua carica. L’esempio è forse semplicistico, ma rende bene l’idea del perchè le batterie devono essere ben bilanciate. Tenete conto che fra il 20% di carica e l’80% c’è una differenza di tensione di solo 0.1V (sulla singola cella). E se non sono ben bilanciate come facciamo? Possiamo usare un resistore come questo, da applicare ai terminali delle celle più cariche, in modo da scaricarle sino allo stesso livello di quelle meno cariche. La scarica è molto lenta, può richiedere anche oltre 10 ore di tempo, dipende dallo sbilanciamento, ma bisogna arrivare in modo estremamente graduale al risultato voluto. La misura della tensione deve essere tra l’altro fatta con batterie a riposo da alcune ore, non subito dopo averle usate in carica o scarica.

Ora vediamo un secondo problema. Nell’esempio di sopra abbiamo dato per scontato che le batterie abbiano tutte una capacità identica. Le abbiamo bilanciate, facciamo perciò finta che tutte sono ora al 50% della carica, quindi a 5 e scaricandole di 4 punti arriveranno ora tutte a 1. Perfetto direte voi. Si certo, se fossero davvero identiche. Ma così non sarà mai, ci sono delle tolleranze costruttive, minori nei prodotti di qualità, maggiori in quelle più “economiche”. Inoltre queste differenze tendono ad aumentare con l’utilizzo, e non parliamo di batterie che arrivano da produttori diversi. Potrebbe quindi essere che non tutte le batterie hanno 10 di capacità. Facciamo finta che delle 3 viste sopra una abbia una capacità solo di 9. Caricata al 50% sarà a 4.5 e non a 5 come le altre e scaricando di 4 come abbiamo fatto prima due celle arrivano a 1, ma questa scende a 0.5 danneggiandosi. Nella pratica succede che scaricando le batterie che abbiamo precedentemente bilanciato, le loro tensioni tendono a divergere durante lo scaricamento, in particolare quella con minor capacità avrà una tensione che tende a ridursi più precocemente. Ecco che in questi casi bisogna attuare un “bilanciamento verso il basso”,ossia dobbiamo portarle lentamente ad uno stato di carica residua di circa il 10%, procedendo molto lentamente con il resistore prima menzionato. A questo punto, una volta bilanciate “verso il basso”, possiamo iniziare a ricaricarle. In questo modo ora sappiamo che le batterie “verso il basso” si comporteranno allo stesso modo e non rischiamo di danneggiarle. Ovviamente anche il processo di carica deve essere tenuto sotto stretta osservazione perchè la cella con minor capacità si caricherà prima ed una volta carica quest’ultima dovrà essere interrotto il processo di carica anche se le altre non hanno raggiunto il loro massimo potenziale. Da questo discorso si chiarisce che sarà la cella a minor capacità a determinare la quantità di energia realmente sfruttabile da tutto il pacco di batterie. Una volta raggiunto il punto di carica massima siamo pronti per l’utilizzo del sistema, anche se è consigliato fare almeno un ulteriore ciclo di scarica e ricarica del pacco batterie per verificare che il bilanciamento sia perfetto e non si verifichino ulteriori problemi.

Tre, due, uno via….

Abbiamo bilanciato il sistema e siamo partiti. Bene, passa il tempo, sfruttiamo le nostre batterie e cosa succede? Succede che le piccole differenze nella fabbricazione, le disomogeneità di temperatura, etc, etc, provocheranno nel tempo uno sbilanciamento delle cariche che avevamo fatto con tanta fatica, tanto più marcato quanto più ci avviciniamo agli estremi di massima carica e scarica durante il nomrale utilizzo. Abbiamo perciò due soluzioni. O ogni 6 mesi circa smontiamo il nostro pacco batterie e rifacciamo tutto il processo di bilanciamento, oppure lo facciamo fare ad un sistema specializzato. Ed ecco che qui entra in gioco il BMS (Sistema di gestione delle batterie) di cui accennavo sopra, ossia un circuito che effettua per noi questo lavoro.

Il BMS è connesso a tutte le celle della batteria in maniera indipendente, in questo modo è in grado di controllarle singolarmente. Questo sistema si occuperà quindi di fare in modo che le celle mantengano tutte la medesima carica nel tempo, ma non solo. Anche se è vero che probabilmente il vostro regolatore di carica ha già la possibilità di interrompere la carica sopra un certo livello o bloccare il consumo delle batterie sotto il minimo, il BMS permette di farlo analizzando la carica di ogni singola cella, impedendo che la tensione sia troppo elevata o troppo bassa, anche nel caso la tensione media sia perfettamente nel range di funzionamento della batteria. Inoltre il BMS ha generalmente delle funzioni aggiuntive. Ad esempio le batterie LiFePo4 benchè funzionino sino a -10°C, non devono essere caricate quando la temperatura scende al di sotto dei 5°C. Questo per me è un gran bel vantaggio visto che sinora ho utilizzato delle AGM che prevedono una temperatura minima di 10°C motivo per cui avevo installato una stufetta elettrica per impedire di scendere sotto questo valore. Ora non solo le temperature sono ben più basse di quelle permesse prima, ma ho un sistema che in automatico blocca la carica in caso di necessità. Il BMS che ho acquistato a questo indirizzo ha inoltre un modulo bluetooth che mi permette di connettermi via smartphone per leggere tutti i parametri di funzionamento e volendo anche modificare tutta una serie di paramentri di funzionamento. Ad esempio è possibile limitare la corrente di carica delle batterie oltre che settare i voltaggi minimo e massimo di funzionamento.

Vi lascio qui sotto una tabellina con dei valori di riferimento della carica rispetto il voltaggio. Si nota come agli estremi c’è una brusca variazione a differenza della porzione più centrale in cui le variazioni di tensione sono minime a fronte di una grossa variazione della carica residua, si noti ad esempio che fra il 40 ed il 70% della carica ci sono solamente 0.4V di differenza. Si tenga conto anche che questi valori differiscono leggermente in base alle fonti e produttori, inoltre sono riferite alla temperatura standard di 25°C.

Tensione	Percentuale di carica
57.6 V	100%
54.4 V	100%
53.6 V	99%
53.2 V	90%
52.8 V	70%
52.4V	40%
52.0 V	30%
51.6 V	20%
51.2 V	17%
50.0 V	14%
48.0 V	9%
40.0 V	0%

Configurazione

Dalla precedente esperienza con le batterie AGM che tra le altre cercherò di ripristinare, mi sono imbattuto in alcuni problemi che prima non avevo preso in considerazione. Ad esempio, il regolatore di carica si alimenta sempre dalle batterie per cui è vero che voi potete impostare un livello di carica minima oltre il quale non viene prelevata corrente per alimentare la vostra casa, ma viene comunque prelevata corrente per alimentare il regolatore di carica. Parliamo di circa 35Wh. Beh non sono tanti. Certo, prendiamo però ad esempio una giornata qualunque, dipendente ovviamente dalla stagione, dal luogo ove vivete, come sono installati i pannelli, etc. Facciamo finta che alle 16 terminiamo la produzione di energia e che la riprendiamo alle 8 l’indomani. Sono 15 ore in cui il regolatore di carica preleva 35Wh. Sono 525W che dobbiamo prevedere quando configuriamo l’inverter, dobbiamo fare perciò in modo che la carica minima preveda almeno un residuo di 500W per alimentare il regolatore di carica durante la notte, oppure dobbiamo lasciare attivo un Raspberry che effettua una piccola carica notturna, sperando che non si blocchi. Di giorno bene o male qualche watt lo si produce, ma talvolta il meteo non ci aiuta e non è raro che piova per settimane, almeno dove vivo io. Questo è proprio il motivo per cui in passato mi sono ritrovato con l’impianto “a terra”, con le batterie completamente scariche (e mi sa che si sono danneggiate proprio così). Io avevo già installato un Raspberry che mi permetteva di ricaricare leggermente le batterie in alcune ore della notte, ma nell’occasione si era bloccato e la carica residua ha continuato a scendere. La sfortuna vuole che fossi stato fuori casa per un paio di giorni impedendomi di intervenire. Purtroppo manca nell’inverter una funzione del tipo “se la carica scende sotto un certo livello attiva una piccola carica di mantenimeto”, ma allo stesso tempo mi secca far si che vengano sempre caricate le batterie con la corrente prelevata dall’enel quando poi magari l’indomani c’è un sacco di sole e le batterie sono già state caricate inutilmente. Visto che sto terminando lo sviluppo del mio sistema di monitoraggio “universale”, ossia funzionante su qualunque tipo di impianto, stavo pensando di aggiungere proprio questo tipo di funzione, un’uscita a relè che permetta di comandare un carica-batterie esterno nelle occasioni in cui si rende necessario, anche se la cosa rende l’impianto ancora più complesso e costoso. Nel frattempo l’unica cosa che posso fare è settare un limite minimo oltre al quale l’inverter si spegne, lasciandomi senza energia. In quel caso dovrei riattivare manualmente l’inverter e subito iniziare una ricarica da rete.

I parametri di funzionamento che prenderò in considerazione saranno:

• Tensione di carica: 58.4 V
• Tensione di mantenimento: 53.6V
• Tensione massima assoluta: 56.8V
• Tensione massima (90%): 53.2V
• Tensione minima (~20%): 51.8V
• Voltaggio minimo assoluto: 40V

Non è detto che siano i migliori, vedrò con l’uso dell’impianto se fare eventuali modifiche, in particolare la tensione di carica di 53.1V è prudenziale, inferiore a quella suggerita dal costruttore. Di fatto noi dobbiamo impostare solo le tensioni minime e massime per indicare i valori di carica della batteria entro cui vogliamo limitarne l’utilizzo, al resto, pur modificabile da noi, ci pensa il BMS. C’è però un fattore importante che devo sottolineare, ossia la massima corrente di scarica, nelle batterie in oggetto è di 1C, quindi 150Ah, ma limiterò questo valore ad 80 (anche perchè il BMS è da 100) così da aumentare la durata della batteria. Si noti che alla tensione nominale di 3.2V 80Ah (0.53C) corrispondono a 4096W, quindi oltre 4kW. Se avessi avuto batterie da 100Ah, limitanto la scarica a 0.53C avrei ottenuto una potenza massima di 2.7kW. Andando oltre quella soglia il BMS taglia la corrente, ma il problema è che l’inverter che è alimentato dalle batterie, si spegne mandando in blocco tutto l’impianto. Purtroppo nell’inverter è settabile una carica massima ma non la scarica massimacosa che limita pesantemente la scelta delle batterie e che probabilmente è una delle prime cause che ha resto inutilizzabili le mie AGM dopo solo un anno di utilizzo.

Spero che questa introduzione possa aver un po’ chiarito le idee sull’uso delle batterie LFP, ma in particolare l’importanza del bilanciamento per prevenire danni all’impianto. Vi lascio al video in cui vi mostro le batterie “dal vero” e dove vado a montare il pacco batterie con il relativo BMS oltre a darvi alcune dritte aggiuntive. Ah, quasi dimenticavo: il software per collegarvi via bluetooth al BMS lo trovate qui (ci ho messo mezza giornata per trovarlo !!).

Bene vi lascio qui sotto con il video correlato (disponibile dal 29 febbraio 2020).

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