Le mediocri prestazioni delle batterie sono state a lungo un freno allo sviluppo dei veicoli elettrici. L’attuale frenetico sviluppo di apparecchiature elettroniche portatili fortunatamente ha molto accelerato la ricerca in questo settore e sono ora disponibili per i produttori di biciclette elettriche molte convincenti alternative.

Come potete vedere nella tabella seguente, nessuna delle tecnologie disponibili è perfetta.

Alcune sono tuttavia sono ormai osolete nel mondo delle ebikes: le batterie al piombo, ad esempio, sia per il peso notevole (che le rende trasportabili con molta fatica), che per la capacità troppo fortemente dipendente dalla temperatura esterna, cosa che le rende sicuramente meno efficaci in inverno, altre, ad esempio le batterie al Ni-Cd, non sono mai state usate per trazione quindi sono descritte in quest’articolo solo per illustrare l’evoluzione avvenuta nella tecnologia .

Tipo batteria Peso Prezzo Tempo vita Tempo ricarica Effetto memoria Sensib.tà temp. Bilancio
Pb (Piombo) – – ++ + – – -riduzione della capacità con la temperatura
.senza effetto memoria
-lungo tempo di ricarica
-molto pesante
Ni-Cd
(Nichel-cadmio)
+ + + – – + -leggera
-tempo di carica ridotto
.molto inquinante (cadmio)
-costosa
-effetto memoria
Ni-Mh + + + + leggera
(Nichel-metallo idruro)             -tempo di ricarica ridotto
-costosa
-leggero effetto memoria
Li-on
(Litio-ione
la tecnologia
moderna più diffusa)
++ – – ++ + + + -tempo di ricarica ridotto
-ottimo rapporto peso/potenza
-costosa
-problemi di sicurezza se non è di qualità
-non ha effetto memoria
               
Li (litio-polimero, non molto
utilizzate nelle
bici elettriche)
+ – – +++ + + + -non ha effetto memoria
-tempo di ricarica veloce
buon rapporto peso/potenza (ma meno bene di Li)
-lunga durata del tempo di vita
-costosa
-priva dei problemi legati alla sicurezza (cioè al possibile incendio

I criteri considerati nella tabella sono i seguenti:

il peso:

la batteria è pesante? quale è il suo rapporto peso/potenza?

il prezzo:

la batteria è costosa? quale è lil suo rapporto prezzo/potenza?

la garanzia:

qual’è il periodo di garanzia praticato dal costruttore? 6 mesi o piuttosto 2 anni o ancora di più?

la durata di vita:

quanti cicli completi di carica-scarica potrò eseguire?

il tempo di ricarica:

il tempo necessario per ricaricare la mia batteria quanto dura? dura 2h o piuttosto 5h?

l’effetto memoria:

il problema dell’effetto memoria (problema nella resa della batteria in caso di ricarica prima della scarica completa della batteria) è presente?

la sensibilità alle temperature basse:

la velocità della reazione chimica che si produce all’interno della batteria può essere fortemente influenzata dalla temperatura esterna. La questione alla quale proviamo a rispondere con questo criterio è: la mia batteria lo conserverà la sua capacità anche con il tempo freddo?

Notate che la presenza di un ‘+ ‘(più) in una casella indica sempre qualche cosa di positivo. Nello stesso modo, un segno ‘- ‘(meno) indica una valutazione negativa.
Per esempio, se il criterio di peso è notato ‘+ + ‘, ciò significa che il peso della batteria in questione è molto ridotto, cosa che ad esempio è un importante vantaggio su una bicicletta elettrica. La batteria ideale presenterebbe quindi un doppio segno ‘+ + ‘per ognuno dei parametri considerati.

I parametri più importanti di una batteria

Quando si sceglie o valuta una batteria, molti parametri devono essere osservati attentamente. Con esclusione del tipo di tecnologia, spiegate in precedenza, la capacità e la tensione sono determinanti.

La capacità:

rappresenta la quantità d’elettricità che può essere accumulata nella batteria. Questa cifra tende a diminuire col tempo ed con il numero di cicli di carica-scarica effettuati. L’unità utilizzata è “l’AMPERE/ORA”, notato “Ah”. Una batteria di 12 Ah potrà fornire ad esempio una corrente di 1 ampère per un periodo di 12 ore.

La tensione:

espressa in “VOLT”, rappresenta la differenza di potenziale tra i due terminali della batteria. In generale, si utilizza una forte tensione per alimentare un motore potente. Questa norma è a volte distorta dal fatto che alcuni motori poco efficienti richiedono una forte tensione nonostante una potenza meccanica fornita debole.

Questi parametri possono facilmente essere messi in relazione con l’autonomia della batteria in ore grazia alla formula seguente:


Il valore dell’autonomia così ottenuta tuttavia è del tutto teorica e non corrisponde esattamente alla realtà:
da una parte, i motori delle biciclette elettriche naturalmente non funzionano costantemente a pieno regime, e d’altra parte, nessun motore restituisce il 100% dell’energia elettrica ricevuta dalla batteria (nel migliore dei casi, questo rendimento si posiziona intorno al 90%).

Permette tuttavia di comprendere la relazione lineare che esiste tra la capacità e l’autonomia (in pratica una moltiplicazione per 2 della capacità della batteria moltiplica anche per 2 l’autonomia della bici).

I costruttori di biciclette quando pubblicizzano i valori di autonomia delle proprie biciclette espongono i dati che possono essere ottenuti con una bici che effettua una “passeggiata” in pianura e con un certo apporto muscolare (in genere intorno al 50%) da parte del guidatore. Per passeggiata si intende che la bici parte e non si ferma più se non dopo avere esaurito la carica.
In realtà la bici assorbe molto nel transitorio necessario per portarla alla velocità di crociera e poi abbastanza poco per il suo mantenimento. E’ evidente quindi che se la bici viene utilizzata nel reale traffico cittadino il transitorio iniziale viene ripetuto in continuazione e questo porta ad un abbattimento dell’autonomia di circa il 25-30% che può anche aumentare se si percorrono molti tratti in salita.

Tipi di batterie

Batterie NiCd e NiMh (non utilizzate nelle bici elettriche se non la NiMh in taluni vecchi modelli)

Effetto memoria nelle batterie NiCd e NiMh
Sotto diversi aspetti, una batteria ricaricabile mostra caratteristiche umane: ha bisogno di una buona alimentazione, preferisce un clima temperato e, nel caso delle batterie al Nichel-Cadmio (NiCd) ed in misura molto più ridotta anche (NiMh), richiede un regolare esercizio, per prevenire il fenomeno chiamato “memoria”.

Il termine memoria deriva dall’originale “memoria ciclica”, che sta a significare che una batteria NiCd può ricordare quanta percentuale di scarica è stata richiesta nelle precedenti scariche. I miglioramenti nella tecnologia delle batterie hanno virtualmente eliminato questo fenomeno. Test eseguiti nei laboratori della Black&Decker, per esempio, hanno mostrato che gli effetti di memoria ciclica erano così piccoli che potevano essere rilevati solo con strumentazione di alta sensibilità. Dopo che la stessa batteria era stata scaricata su periodi di tempo diversi, l’effetto di memoria ciclica non poteva più essere rilevato.

Più per un fatto di cultura generale che per l’effettivo interesse nel settore specifico delle bici elettriche (in quanto non sono utlizzate per questa applicazione) si descrive la problematica del cosiddetto “effetto memoria” tipico delle batterie al Ni-Cd. Il problema con le moderne batterie NiCd non è tanto quello della memoria ciclica quanto gli effetti della formazione cristallina. Nella maggior parte dei casi comunque, c’è una combinazione dei due fenomeni (d’ora in avanti quando parleremo di memoria intenderemo la formazione cristallina). I materiali attivi di una batteria NiCd (nickel e cadmio) si presentano sotto forma di piccolissimi cristalli. In una cella buona questi cristalli rimangono piccoli, con il risultato di avere la massima area superficiale1. Quando si verifica l’effetto memoria, i cristalli crescono e riducono drasticamente l’area superficiale1. Il risultato è un’abbassamento della tensione che porta ad una perdita di prestazioni. Una parte della capacità è sempre presente ma non può essere prelevata a causa della bassa tensione della batteria. Nello stadio avanzato, i bordi taglienti dei cristalli crescono fino a perforare il divisorio interno della cella, causando alte correnti di auto-scarica attraverso i cortocircuiti così generatisi.

Un’altra forma di effetto memoria che si verifica in alcune celle è la formazione di un composto intermetallico di nikel e cadmio che lega a sè una parte del cadmio necessario al funzionamento e crea una resistenza extra in serie alla cella. Il ricondizionamento tramite scarica profonda aiuta a rompere questo composto e restituisce la capacità persa.

Prevenzione effetto memoria = Esercizio regolare

Gli effetti della formazione cristallina sono più pronunciati se una batteria NiCd è lasciata sotto carica per giorni interi o è ripetutamente caricata senza una scarica completa periodica. Dal momento che la maggior parte delle applicazioni non usano tutta l’energia prima della ricarica, una scarica periodica fino ad 1 volt per cella (chiamata esercizio) è essenziale per prevenire nelle batterie NiCd la crescita di formazioni cristalline sugli elementi delle celle.

Tutte le batterie NiCd con utilizzo regolare o in tampone (in ricarica pronte per l’utilizzo al bisogno) dovrebbero essere esercitate una volta al mese. Con questi cicli di esercizi mensili non c’è bisogno di ulteriori attenzioni e la batteria può essere utilizzata per qualsiasi modalità di utilizzo (e conseguentemente di scarica) senza preoccupazioni per l’effetto memoria.

Anche le batterie NiMH soffrono di un effetto memoria ma assai meno pronunciato – hanno bisogno di esercizio solo una volta ogni 3 mesi. A causa della minore vita utile di queste batterie non è consigliato sovra-esercitarle.

Non è necessario, nè consigliabile, scaricare una batteria NiCd prima di ogni carica perchè questo sovra-esercizio sforza eccessivamente le batterie. E’ un fenomeno analogo a quello di un asciugamano che, lavato dopo ogni utilizzo, si sfibra precocemente. E’ comunque necessario lavare periodicamente quell’asciugamano!

Recupero effetto memoria – Ricondizionamento
Se non viene effettuato esercizio per diversi mesi, i cristalli si legano tra loro rendendo più difficile la loro dissoluzione. In tal caso l’esercizio non è più sufficiente a rigenerare una batteria e c’è bisogno del ricondizionamento. Il ricondizionamento è una scarica lenta e profonda che rimuove tutta l’energia rimanente nella batteria portando ogni cella ad una tensione inferiore ad 1 volt. Test effettuati dall’esercito americano hanno mostrato che una cella NiCd deve essere scaricata ad almeno 0,6 volt per dissolvere le formazioni cristalline più resistenti. Durante il ricondizionamento la corrente deve essere accuratamente controllata per prevenire l’inversione di polarità della cella.

Batterie Li-Ion

esempio di moderne batterie Li-Ion

Come prolungare la vita di una batteria al Li-Ion

A differenza delle batterie al nickel-cadmio e Nichel-Mh, le batterie agli ioni di litio andrebbero ricaricate presto e spesso.Sarebbe meglio cioè evitare frequenti scariche complete (profonde) da sostituire con frequenti scariche parziali e successive ricariche. Grazie alla totale mancanza dell’effetto memoria è infatti consigliabile ricaricarle spesso, anche se la carica residua è ancora superiore al 50%.

Tuttavia, per mantenere sana e reattiva la chimica, i più ecenti studi consigliano di effettuare anche sulle batterie al Li-Ion periodicamente 1 scarica completa (diciamo 1 volta al mese se si usa spesso la bici)

Come conservare la batteria Li-Ion in caso di lungo inutilizzo

Se le batterie non vengono utilizzate per un lungo periodo, prima di riporle sarebbe consigliabile caricarle a circa il 40% e non a piena carica.
Quando non si utilizza la batteria per lunghi periodi, la si può rimuovere dalla bici e mantenerla in un luogo fresco.
Nella tabella seguente vengono indicati approssimativamente i valori di perdita di capacità permanente delle batterie al Li-Ion in funzione della temperatura di immagazzinamento e della percentuale di carica della batteria all’inizio dell’immagazzinamento.

Se ne evince che le batterie al Li-Ion andrebbero mantenute semicariche e al fresco. L’invecchiamento è molto più rapido alle alte temperature. Le alte temperature all’interno delle automobili provocano ad esempio un degrado rapido delle batterie al Li-Ion.

Le batterie al litio non dovrebbero mai essere lasciate scaricate completamente (0%) per lungo tempo.Le moderne batterie al Litio utilizzate nelle bici elettriche comprendono al loro interno un circuito a microprocessore che, tra le varie funzioni di controllo inerenti la sicurezza del funzionamento, impedisce anche l’erogazione della corrente quando la tensione scende al di sotto di una soglia prefissata.

Secondo alcune fonti, le batterie al Li-Ion non andrebbero congelate. Nota che la maggior parte delle batterie al Li-Ion congelano approssimativamente a -40 °C, molto meno delle più bassa temperatura raggiungibile dalla maggior parte dei freezer casalinghi.