Accumulatore al litio su misura: quando le batterie standard non vanno bene

Requisiti tipici: meccanici, termici, elettrici

Il motivo più frequente per una costruzione su misura è lo spazio di installazione: una macchina forestale ha uno slot di montaggio definito, uno strumento per uso esterno ammette solo una carcassa con un determinato spessore di parete, un veicolo speciale ha un vano che non corrisponde né in lunghezza né in altezza ai formati standard. Qui il progetto parte dalle dimensioni esterne — non dal catalogo.

Termicamente, molte applicazioni speciali impongono requisiti che superano la specifica di un prodotto standard: funzionamento a −20 °C nel servizio invernale, calore generato da correnti di impulso elevate negli strumenti di misura, o irraggiamento solare continuo sulle carrozzerie dei veicoli. Queste condizioni determinano se è necessario un isolamento passivo, una pellicola riscaldante attiva o una soluzione di carcassa con raffreddamento attivo — e quale chimica delle celle (LiFePO4 vs. Li-NMC) offre le proprietà termiche più favorevoli per il caso di carico specifico.

Elettricamente, tensione nominale, capacità utilizzabile, corrente massima di scarica e strategia di ricarica sono i quattro pilastri della specifica. A questi si aggiungono l'interfaccia di comunicazione (CAN, SMBus, UART, proprietaria), la classificazione di protezione del connettore (almeno IP54 per uso esterno, IP65/IP67 con esposizione a spruzzi d'acqua o pulizia ad alta pressione), e — particolarmente rilevante nelle applicazioni veicolari — la logica di spegnimento di sicurezza del BMS coordinata con il controllore del veicolo di livello superiore.

Esempi applicativi: macchine forestali, topografia, veicoli di emergenza

Nelle macchine forestali, le harvester e i forwarder operano in condizioni estreme: vibrazioni, escursioni termiche da −25 °C in inverno a oltre 50 °C nel vano motore durante l'estate, polvere, umidità e urti meccanici. Un pacco batteria per un forwarder a trazione elettrica deve garantire una rigidità della carcassa e un assorbimento degli urti ben superiori a quelli di un pacco batteria industriale standard. Inoltre, la maggior parte dei produttori di macchine forestali specifica le proprie dimensioni di montaggio, rendendo di fatto inevitabile una costruzione su misura.

Gli strumenti di misura e topografici — strumenti geodetici, unità di analisi mobili, attrezzature a terra per droni — richiedono pacchi batteria con alta densità di energia in piccolo volume, lunghi periodi di stoccaggio senza scarica profonda e una affidabilità tale che un guasto inaspettato sul campo non sia tollerabile. Le celle LiFePO4 con bassa autodiscarica e protezione BMS matura sono lo standard di affidabilità; il fattore di forma segue lo strumento, non viceversa.

I veicoli di emergenza e delle autorità — vigili del fuoco, polizia, soccorso, esercito — sono in alcuni casi soggetti a regole di appalto pubblico che impongono non solo requisiti tecnici ma anche formali: marcatura CE, scheda tecnica, dichiarazione di conformità, documentazione per l'ente appaltante. Allo stesso tempo, gli spazi di installazione nelle carrozzerie di veicoli speciali sono individuali, cosicché ogni consegna è in sostanza una costruzione su misura. I livelli di tensione tipici in queste applicazioni sono 24 V, 48 V e 72 V — spesso in combinazione con un sistema di ricarica alimentato dalla rete di bordo del veicolo.

Requisiti di omologazione e conformità normativa

Per ogni pacco batteria immesso sul mercato europeo, la marcatura CE è obbligatoria. Le direttive applicabili dipendono dall'applicazione: la Direttiva Bassa Tensione (LVD, 2014/35/UE) si applica alle apparecchiature elettriche con tensione nominale compresa tra 50 V CA e 1000 V CA o tra 75 V CC e 1500 V CC. Al di sotto di questi limiti la LVD non si applica, ma si applica il Regolamento Generale sulla Sicurezza dei Prodotti. La Direttiva EMC (2014/30/UE) si applica inoltre se il pacco batteria contiene elettronica attiva (BMS) che può generare emissioni elettromagnetiche.

Per il trasporto di batterie al litio si applicano le prove UN 38.3: vibrazione, urto, impatto, sollecitazione termica, sovracarica, cortocircuito, schiacciamento e verifica del cortocircuito esterno. Queste prove devono essere ripetute per ogni nuova combinazione cella/pacco — un rapporto di prova per una configurazione simile non copre il nuovo progetto. Il rapporto di prova è documento obbligatorio per il trasporto aereo (IATA), marittimo (IMDG) e stradale secondo ADR.

Per le applicazioni in macchine o veicoli, la Direttiva Macchine (2006/42/CE) o il suo regolamento successore può applicarsi adicionalmente se il pacco batteria è classificato come componente di sicurezza di una macchina. In tal caso, una valutazione dei rischi secondo EN ISO 12100 fa parte della documentazione, e il concetto di sicurezza del BMS deve essere dimostrabilmente coordinato con il concetto della macchina.

Processo: capitolato → prototipo → rilascio della serie

Una costruzione su misura inizia con il capitolato: il documento che descrive in modo inequivocabile tutti i requisiti — dimensioni esterne, livello di tensione, capacità, corrente di scarica e di ricarica, campo di temperatura, classificazione di protezione, interfaccia di comunicazione, requisiti di certificazione, volume di unità previsto e requisiti logistici. Un capitolato completo evita successive ambiguità interpretative ed è la base per un'offerta vincolante.

Al capitolato segue la selezione delle celle e progettazione del pacco: quale chimica delle celle (LiFePO4 per longevità e sicurezza termica, Li-NMC per maggiore densità di energia) è adatta al caso di carico? Come vengono collegate le celle (configurazione serie/parallelo) per raggiungere la tensione e la capacità obiettivo? Quale modello di BMS soddisfa i requisiti di comunicazione e protezione? Il risultato è una distinta base definita.

Il passo successivo è la fase prototipo: fabbricazione di uno o più prototipi funzionali per prove meccaniche di installazione, messa in servizio elettrica e prove ambientali presso il cliente. Sulla base del prototipo vengono definite e incorporate le modifiche necessarie prima che il verbale di ispezione del primo pezzo venga formalmente chiuso.

Il rilascio della serie richiede che tutte le prove (UN 38.3, prova di tipo conforme CE, parametrizzazione BMS) siano completate e documentate, e che la produzione in serie funzioni in condizioni controllate con ispezione dell'arrivo e dell'uscita della merce. Hellpower Energy fornisce con ogni pacco di serie la documentazione di conformità completa — dichiarazione di conformità, rapporti di prova, scheda di dati di sicurezza — come parte obbligatoria della consegna.