Sommario
- Introduzione
- 1. Il disperato divoratore di energia
- 2. Che cos'è la resistenza interna della batteria?
- 3. Relazione matematica delle perdite
- 4. Reazione a catena: resistenza interna → controller → motore
- 5. Cinque fattori principali per Ri
- 6. Come ridurre la resistenza di sistema e le perdite
- 7. Taratura del sistema: batteria & motore
- 8. Conclusione
Questa guida spiega da una prospettiva ingegneristica la natura della resistenza interna della batteria, i suoi fattori influenti e l'interazione con il rendimento del motore. L'obiettivo è rendere visibile la catena di perdite spesso ignorata — e mostrare leve pragmatiche con cui aumentare in modo tangibile la efficienza complessiva.
1. Il disperato divoratore di energia
Nei sistemi off-grid, nei sistemi energetici per RV o nelle barche elettriche gli utenti spesso considerano capacità, corrente di scarica e autonomia – la resistenza interna della batteria però resta spesso trascurata, pur influenzando fortemente l'efficienza.
Quando si avvia un motore, le correnti possono salire istantaneamente a decine o oltre 100 A. La resistenza interna determina allora quanta energia elettrica viene già nella batteria dissipata in calore. Queste perdite non si vedono direttamente, ma si verificano a ogni avviamento e a ogni variazione di carico – con conseguenze per la potenza di sistema e l'autonomia.
Nota: Più alta è la resistenza interna, maggiori sono le perdite a parità di corrente – e minore la potenza utile che raggiunge il motore.
2. Che cos'è la resistenza interna della batteria?
La resistenza interna della batteria (Ri) è l'insieme di tutte le resistenze che si oppongono al flusso di corrente all'interno della batteria. Si compone di:
- Componente ohmica: conduttori, materiale delle elettrodi, collettori di corrente ecc.
- Componente di polarizzazione: cinetica delle reazioni e migrazione degli ioni; dipende da temperatura, tasso di corrente (C-Rate) e SOC.
Durante la scarica sulla Ri cade una tensione (Udrop = I × Ri) che riduce la tensione ai morsetti – la fonte delle perdite.
3. Relazione matematica delle perdite
Perdita di potenza: Ploss = I² × Ri
Stima del rendimento (approssimazione semplificata): η ≈ 1 − (I × Ri / Ubatt)
Esempio
Batteria LiFePO₄ 12,8 V, Ri = 5 mΩ (0,005 Ω), corrente motore 80 A:
- Potenza dissipata: Ploss = 80² × 0,005 = 32 W
- Con 1000 W di potenza in ingresso al motore sono ≈ 3,2 % di perdita – a carico continuo o picchi a 100 A questo si somma rapidamente e può accelerare riscaldamento e invecchiamento.
4. Reazione a catena: resistenza interna → controller → motore
La catena energetica si può suddividere in tre sezioni:
- Batteria → perdite per resistenza interna → Controller
- Controller → perdite su MOSFET/tracce → Connessioni motore
- Motore → perdite nel rame e nel ferro → Potenza meccanica
Se Ri è elevata, aumentano le perdite nella sezione 1, con i seguenti effetti:
- Coppia di avviamento inferiore: tensione efficace minore al controller/motore.
- Calo di tensione in ingresso: possibile spegnimento per undervoltage del controller.
- Rendimento complessivo ridotto: tempo di funzionamento/autonomia minori.
5. Cinque fattori principali per Ri
- Chimica e qualità della cella: Celle LiFePO₄ tip. 1,5–3 mΩ/cella; nettamente migliori del piombo (≈ 10–15 mΩ/cella). Selezione A+ aumenta la coerenza.
- Temperatura: Al freddo la componente di polarizzazione aumenta notevolmente; a −10 °C Ri può superare il triplo.
- Stato di carica (SOC): Ai limiti (vicino al pieno/vicino al vuoto) Ri aumenta; ottimale è 20–80 % SOC.
- Invecchiamento/cicli: Invecchiamento dell'elettrolita e perdita di materiale aumentano Ri – indicatore visibile del calo di capacità.
- Resistenze di contatto e transizione: morsetti, busbar, crimps, collegamenti a vite – ossidazione/allentamento aggiungono resistenza.
6. Come ridurre la resistenza di sistema e le perdite
1. Celle & assemblaggio
Usare celle A+ di alta qualità con Ri inferiore; connettori saldati al laser e busbar in rame minimizzano le transizioni.
2. Progettazione BMS
MOSFET di potenza in parallelo, spessori di rame elevati (PCB) e percorsi protetti a bassa resistenza mantengono basso il calo di tensione.
3. Cavi & morsetti
Sezione adeguata e coppia di serraggio secondo normativa (es. 12 N·m) riducono la perdita in linea e il riscaldamento.
4. Gestione termica
Pre-riscaldare a freddo o usare batterie auto-riscaldanti. Ogni −10 °C può aumentare Ri di ≈ 20–30 %.
5. Finestra operativa
Preferire 20–80 % SOC; scariche profonde o continue a pieno carico aumentano Ri e l'invecchiamento.
6. Monitoraggio & bilanciamento
Monitoraggio via Bluetooth (tensione cella, temperatura, trend Ri) e bilanciamento regolare evitano hot-spot.
7. Taratura del sistema: batteria & motore
La corrente di scarica continua della batteria deve essere adeguata alla potenza del motore – considerare solo la capacità è un errore comune.
Esempio
- Motore: 800 W, corrente di picco 100 A.
- Batteria adatta: Corrente continua ≥ 100 A, picco ≥ 200 A, Ri ≤ 5 mΩ → caduta ≈ 0,5 V, rendimento rimane ≈ 96 %.
- Batteria non adatta: Ri = 10 mΩ → caduta ≈ 1 V; ≈ 8 % di perdita, regime giri sensibilmente inferiore.
Regola pratica: Ri × I ≤ 3 % della tensione nominale, affinché la tensione al motore resti stabile.
8. Conclusione
La resistenza interna della batteria è spesso sottovalutata – eppure determina in modo decisivo efficienza di scarica, comportamento termico, potenza del motore, stabilità del controller e autonomia.
- Ogni +1 mΩ significa a 100 A una perdita aggiuntiva di 10 W.
- +10 °C di temperatura batteria può raddoppiare la velocità di invecchiamento.
- Ogni spegnimento per undervoltage riduce disponibilità e durata.
Un'elevata efficienza complessiva nasce da molti dettagli: scelta delle celle, sezione dei conduttori, gestione termica, topologia BMS – i veri guadagni di efficienza spesso si trovano in pochi milli-ohm.
Condividi:
Ciclo di vita decennale del LiFePO4: quale variazione del bilancio CO₂?
}