Determinare la domanda energetica: Wh da carico e tempo
Il primo passo è determinare la domanda energetica in wattora (Wh). La formula di base è: Wh = V × Ah — equivalentemente: Wh = W × h. Per un'applicazione con un consumo medio di 500 W che funziona 4 ore per ciclo, la domanda energetica è 2.000 Wh.
Nella pratica il carico è raramente costante. Un veicolo a guida automatica (AGV) assorbe molte volte la corrente di marcia brevemente all'avvio, poi opera a carico parziale e si ferma tra un'attività e l'altra. Per il dimensionamento è rilevante il consumo energetico medio per ciclo, derivato dal profilo di carico o da misurazioni su un sistema di riferimento.
Per applicazioni con carico molto variabile — argani, saldatrici, presse — la potenza media da sola non è sufficiente. Deve essere considerata anche l'energia termica (I²t), poiché le correnti di impulso elevate sollecitano termicamente il pacco anche quando il contenuto energetico per ciclo è basso.
Livello di tensione e configurazione celle: serie (S) e parallelo (P)
La tensione nominale del pacco è il numero di celle collegate in serie (S) moltiplicato per la tensione nominale di una singola cella. Le celle LiFePO4 hanno una tensione nominale di circa 3,2 V; le Li-NMC di circa 3,6–3,7 V. Un pacco da 48 V in LiFePO4 richiede tipicamente 15 celle in serie (15S × 3,2 V = 48 V nominale). La tensione di funzionamento reale oscilla tra lo stato completamente carico (15 × 3,65 V ≈ 54,75 V) e il cut-off di scarica (15 × 2,5 V = 37,5 V). Questa variazione di tensione deve essere tollerata dal convertitore DC/DC o dall'inverter di azionamento.
La capacità in Ah è il numero di stringhe di celle in parallelo (P) moltiplicato per la capacità di una singola cella. Due stringhe parallele da 100 Ah ciascuna danno 200 Ah. L'energia totale del pacco è: Wh = V_nominale × Ah_totale.
Il numero di celle in serie è determinato dalla tensione di sistema. Il numero di stringhe in parallelo deriva dalla domanda energetica e dal requisito di C-rate: più stringhe in parallelo non solo aumentano la capacità, ma distribuiscono anche la corrente su più celle, riducendo la C-rate per cella e prolungando la vita utile.
Specificare C-rate, corrente continua e corrente di picco
La C-rate descrive la corrente di carica o scarica in relazione alla capacità nominale: C-rate = corrente [A] / capacità [Ah]. Per un pacco da 100 Ah con una corrente di 100 A, la C-rate è 1C. A 200 A sarebbe 2C e 30 minuti di autonomia teorica.
Per il dimensionamento sono rilevanti due valori di corrente: la corrente di scarica continua che il pacco può sostenere indefinitamente senza sovraccarico termico, e la corrente di picco consentita brevemente (tipicamente da secondi a minuti). Entrambi dipendono dalla chimica della cella e sono specificati dal produttore nel datasheet.
Un errore di dimensionamento frequente: la corrente di picco dell'applicazione viene usata come corrente continua. Corretto: determinare la corrente continua al punto di lavoro tipico; verificare separatamente la corrente di picco rispetto alla corrente di impulso ammissibile della cella.
Pianificare le riserve: DoD, invecchiamento e temperatura
La capacità nominale di una cella è un valore di laboratorio a condizioni definite (tipicamente 25 °C, corrente di scarica 0,2C). In operazione reale la capacità utilizzabile è inferiore — per tre ragioni:
Prima: la profondità di scarica (DoD). Un pacco che viene sempre scaricato allo 0 % invecchia molto più rapidamente di uno che si ferma al 20 % di carica residua. La pratica raccomanda di limitare il range utilizzabile all'80–90 % di DoD, pianificando una riserva di capacità del 10–20 % in fondo.
Seconda: l'invecchiamento. Le celle al litio perdono capacità a ogni ciclo e nel tempo. Un pacco che deve ancora avere l'80 % della capacità iniziale dopo 1.000 cicli deve essere dimensionato più grande fin dall'inizio. Come regola empirica: LiFePO4 con C-rate moderata e 80 % di DoD può raggiungere 2.000–3.000 cicli fino alla soglia dell'80 %.
Terza: la temperatura. A basse temperature la capacità utilizzabile scende notevolmente. A 0 °C la capacità disponibile di un pacco LiFePO4 può essere il 10–20 % al di sotto del valore a 25 °C. Le applicazioni all'aperto o in celle frigorifere devono tenerne conto e potrebbe essere necessaria una riscaldamento attivo.
Errori tipici di dimensionamento
Errore 1 — Capacità nominale equiparata a capacità utilizzabile: Un'applicazione che richiede 10 kWh e ordina un pacco da 10 kWh otterrà meno in condizioni reali. Riserva di DoD, margine di invecchiamento e riduzione per temperatura si sommano facilmente al 30–40 %.
Errore 2 — Variazione di tensione non considerata: Un pacco da 48 V (LiFePO4, 15S) eroga 54,75 V completamente carico e 37,5 V scarico. I convertitori e gli inverter specificati solo fino a 48 V saranno sovratensionati con il pacco pieno.
Errore 3 — C-rate della cella ignorata: Le celle 18650 commerciali per elettronica di consumo sono progettate per 0,5C. Operarle a 2C continuo in un AGV causa surriscaldamento, rapido invecchiamento e rischio di sicurezza.
Errore 4 — BMS come sostituto del dimensionamento: Il BMS protegge il pacco da violazioni dei limiti ma non può compensare un pacco strutturalmente sottodimensionato. Un pacco operato continuamente ai suoi limiti termici o elettrici invecchia prematuramente — anche se il BMS non interviene mai.
Lista di controllo per il dimensionamento del pacco batteria
- ✓Domanda energetica in Wh derivata dal profilo di carico o da misurazioni — non stimata?
- ✓Livello di tensione definito — tensione a piena carica, nominale e di cut-off allineate con l'elettronica di sistema?
- ✓Corrente continua e di picco determinate separatamente e verificate con il datasheet della cella?
- ✓Riserva di DoD inclusa (tipicamente 10–20 % di capacità residua come limite inferiore)?
- ✓Margine di invecchiamento considerato — dimensionamento basato sulla capacità a fine vita, non su quella iniziale?
- ✓Intervallo di temperatura operativa considerato — riduzione di capacità e limiti di corrente di carica a bassa temperatura?
- ✓Limiti BMS adattati alla chimica e alla configurazione di celle scelta?
I primi tre punti stabiliscono la dimensione base del pacco. I punti da quattro a sei determinano se il pacco è sufficiente per tutta la vita utile e in tutte le condizioni operative. Se non siete certi di quale margine di capacità sia appropriato per la vostra applicazione, siamo lieti di analizzarlo sulla base del vostro capitolato.