Accumulatori al Litio Ferro Fosfato
(LFP - LiFePo₄).

Gli accumulatori al Litio Ferro Fosfato, abbastanza recenti ma già molto diffusi, sono la versione per il momento più sicura fra le varie tipologie di accumulatori al Litio.
Pur avendo massa e volume maggiore a parità di energia accumulata rispetto a quelle agli Ioni di Litio (Li-Ion), sono nettamente più sicure e facili da gestire.
Vengono prodotte in grandi quantità e formati, consentendone l'uso in tutte le applicazioni che richiedono lo stoccaggio di energia con ingombri ragionevolmente ridotti, specialmente se confrontate con gli accumulatori al piombo.
In sintesi, gli accumulatori LFP sono delle piccole centrali, al loro interno ci sono gli elementi, un bilanciatore attivo o passivo, un BMS (battery management system) e ancora una protezione elettromeccanica o un fusibile.

Le caratteristiche principali delle batterie LiFePo4.

4	Numero di elementi per un accumulatore da 12 V.
3.2 V	Tensione nominale per elemento.
3.65 V	Tensione massima per elemento completamente carico.
2.5 V	Tensione minima per elemento completamente scarico.
1000 - 6000	Vita dell'accumulatore in numero di cicli carica-scarica.
0.02 ohm	Resistenza interna di un accumulatore da 12 V - 100 Ah.
1C	Corrente di scarica e scarica massima ammessa (1C = corrente ugiale all'amperaggio della batteria)
10 - 40 °C	Range di temperatura consigliato per l'utilizzo standard (carica, scarica, stoccaggio).
-10 - 50 °C	Range di temperatura limite per la scarica.
-10 °C	Temperatura minima da non oltrepassare per la scarica (dipende anche dalla corrente).
0 °C	Temperatura minima da non oltrepassare per la carica (dipende anche dalla corrente).

Cenni sulla tipologia costruttiva.
I più comuni accumulatori LFP sono composti da un catodo (un sottilissimo foglio in alluminio con uno strato di litio depositato su di esso) da un separatore isolante poroso e da un anodo (un sottilissimo foglio di rame con su depositato uno strato di grafite).
I tre strati sono posizionati uno sull'altro, ritagliati in rettangoli tutti uguali oppure avvolti uno sull'altro fino ad ottenere la superficie necessaria ad ottenere la potenza richiesta dal modello di accumulatore in oggetto.
Nella fase di assemblaggio viene inserita una precisa quantità di elettrolita, il tutto è contenuto in una busta sigillata dopo aver fatto il vuoto.
In base alla tipologia costruttiva, le buste possono essere usate così come sono o inserite all'interno di un contenitore che quasi sempre è in alluminio.

Considerazioni elettrotecniche.
Qui è visibile uno schema elettrico equivalente semplificato di un'elemento LFP; anche i meno esperti potranno riconoscere le componenti che determinano i parametri elettrici dell'elemento stesso.
In basso la sorgente di tensione continua con la sua resistenza caratteristica, quella misurabile all'esterno con apposita strumentazione, il valore di resistenza varia con la potenza dell'elemento, più alta è la potenza e più la resistenza diminuisce. Misurare questo valore può essere utile a stabilire la bontà dell'elemento in oggetto.
La capacità, raffigurata con il simbolo del condensatore è un parametro legato alla superficie totale degli elettrodi, che è più grande negli elementi di maggior potenza.
La resistenza in parallelo rappresenta il carico di autoscarica, che essendo nocivo deve essere più basso possibile.

Con che orientamento o posizionamento possono lavorare ?
I formati più piccoli possono lavorare indifferentemente con qualsiasi orientamento, i formati più grandi, prismatici o a sacco possono lavorare anch'essi in qualsiasi posizione, ma per questi è meglio controllare le specifiche del produttore.
Fondamentalmente si tratta di elementi ermetici sottovuoto, quindi, all'interno, l'elettrolita occupa tutti gli spazi senza creare sacche d'aria che potrebbero far calare il rendimento in certe posizioni.

Come si caricano gli accumulatori LFP.
Gli accumulatori LiFePo4 devono essere caricati in due fasi distinte, la prima a corrente costante fino al raggiungimento di un certo voltaggio e la seconda a tensione costante fino al quasi azzeramento della corrente.
Questo argomento è complesso, verrà approfondito con un'articolo specifico.

Tipi di accumulatori LFP o LiFePo4 in commercio.
Esistono varie tipologie costruttive ciascuna più utilizzata di altre nelle varie applicazioni, come ad esempio:

• Cilindriche (formati 14500, 16340, 18350, 18500, 18650, 20700, 21700, 26650 e altri ancora) usate principalmente per pacchi batteria di piccola e media capacità oppure singolarmente all'interno di apparecchiature elettroniche.
• Prismatiche (parallelepipedi di varie dimensioni e potenza) usate in tutte le applicazioni fra le quali automotive e impianti fotovoltaici.
• A sacco (in vari formati) per automotive e apparecchiature elettroniche ma in alcuni casi utilizzate anche negli impianti fotovoltaici.

Gli elementi LFP si possono collegare in serie ?
Sicuramente si, a patto di usare tutti elementi uguali e di installare un bilanciatore che corregge eventuali piccole differenze fra un elemento e l'altro quando lavorano agli estremi del loro range di tensione.

Esempio di pacco batterie da 12 V nominali in configurazione 2P 4S, composto da batterie in parallelo di uguale capacità e uguale voltaggio:

Gli elementi LFP si possono collegare in parallelo ?
Tutti gli accumulatori LFP sono costituiti da elementi paralleli fino ad ottenere la potenza richiesta, quindi il parallelo di elementi finiti è possibile, a patto di usare tutti elementi con la stessa tensione, per quanto riguarda l'amperaggio è consentito porre in parallelo elementi con amperaggio diverso.
Importante creare paralleli tutti uguali per poterli poi collegare in serie e raggiungere la tensione voluta.

Infine, pur essendo fattibile, è consigliabile non porre in parallelo elementi di amperaggio molto diverso fra loro, ad esempio uno da 200 A con un altro da 5 A, in questi casi se l'elemento più piccolo si guastasse quello di maggior potenza si scaricherebbe tutto su di esso innalzando molto la sua temperatura con danni immaginabili.
Tanto per fare un esempio, il parallelo di elementi da 100 A con altri da 300 A è fattibile rimanendo in sicurezza. Per tutti i casi in cui è necessario parallelizzare elementi di capacità molto diversa è necessario dotarli di protezioni individuali.

Esempio di pacco batterie da 12 V nominali in configurazione 2P 4S, composto da batterie in parallelo di diversa capacità e uguale voltaggio:

I pacchi batteria LFP si possono collegare in parallelo ?
Si, sono parallelizzabili se hanno la stessa tensione e la corrente non troppo diversa fra di loro.

I pacchi batteria LFP si possono collegare in serie ?
Si, si possono collegare in serie esclusivamente se dello stesso amperaggio, volendo essere pignoli si può aggiungere un bilanciatore fra i due pacchi.

Perché molti costruttori di pacchi batteria LFP sconsigliano il parallelo fra moduli con amperaggi diversi ?
Uno dei motivi è quello di evitare qualsiasi problema in fase di gestione della garanzia, un altro motivo reale è che se i moduli sono collegati in master-slave attraverso il BMS, devono avere le stesse caratteristiche per poter essere gestite correttamente impostando dinamicamente i parametri del caricatore che le alimenta.

Il bilanciatore.
I pacchi batterie LFP tendono naturalmente a sbilanciarsi, specialmente quando la tensione di ciascun elemento si avvicina agli estremi del range di tensione utilizzabile.
Il bilanciatore si occupa di mantenere tutti gli elementi atta stessa tensione spostando piccole quantità di energia da un'elemento all'altro fino ad equalizzarli tutti.
Esistono bilanciatori di ogni tipo, attivi e passivi, di piccola e di discreta potenza, per gli elementi di piccolo amperaggio andranno bene quelli che possono gestire una corrente massima di 0.05 - 0.1 A, per gli elementi da 300 A dovranno essere scelti bilanciatori che possano gestire da 1 a 5 A.
Più il bilanciatore è potente e più si riduce il tempo di intervento, quando tutti gli elementi sono equalizzati la corrente si riduce a zero.

Alcuni esempi di bilanciatori:
Resistivo a sinistra, capacitivo al centro, induttivo a destra.

Chi scrive, preferisce i bilanciatori capacitivi perché funzionano bene, possono gestire correnti adatte agli elementi da 300 A, a riposo (elementi equalizzati) consumano poca energia, costano poco, sono affidabili e il loro principio di funzionamento è semplice.

Il BMS (battery management system).
Il BMS è un sistema complesso che si occupa di controllare costantemente i parametri della batteria staccandola se necessario.

Le funzioni principali del BMS sono:

• Controllo della tensione di ciascun elemento, se supera il limite massimo o minimo ammesso interrompe i collegamenti di potenza.
• Bilanciamento delle celle in modo che abbiano tutte la stessa tensione.
• Controllo della temperatura delle batterie, se superano il limite massimo o minimo ammesso interrompe i collegamenti di potenza.
• Controllo dei limiti di corrente in fase di carica o scarica (con due valori diversi), se superano il limite massimo o minimo ammesso interrompe i collegamenti di potenza.
• Eseguire la misurazione e il conteggio dell'energia che scorre verso o dagli elementi per poter definire il SOC (state of charge).
• Eventualmente comunicare con l'inverter e le altre batterie collegate per ottimizzare i parametri di carica in base al SOC.
• Visualizzare i parametri su un display integrato o con collegamenti tipo WiFi o bluetooth trasmetterli ad una applicazione sul cellulare o pc.

Cose che danneggiano un accumulatore LFP:

• Cariche e scariche con correnti elevate - Anche se gli accumulatori LiFePo4 accettano correnti di carica - scarica anche superiori a 1C, se vengono stressati meno aumenta il numero di cicli utili.
• Cariche e scariche profonde - Per aumentare la vita utile, tutti i produttori consigliano di non caricare al 100% e non scaricare totalmente gli accumulatori, un ragionevole compromesso é la scarica fino al 10% e la ricarica fermandosi al 90%. Il problema però é che riferendosi alla sola tensione risulta assolutamente impossibile conoscere la percentuale di carica di un'accumulatore LFP.
• Rigonfiamenti - Se molto stressate, le batterie composte da elementi prismatici possono gonfiarsi, ciò é causato dall'aumento della pressione interna che i contenitori in alluminio rettangolari non sono in grado di sopportare, per questo motivo é sempre meglio chiudere tutti gli elementi con appositi tiranti che gli impediscano di gonfiare.
  La chiusura degli elementi non é facoltativa o inutile come quà e là dichiarato ma una condizione indispensabile per far si che gli elementi possano sopportare lo stress fino all'apertura delle valvole di sicurezza senza che si rompano le saldature del contenitore.
  La chiusura degli elementi serve anche a ridurre le sollecitazioni meccaniche causate dai ponticelli (chiamati erroneamente bus bar) collegati ai morsetti di ciascun elemento, sarebbe sempre meglio usare ponticelli flessibili.
  Per far lavorare gli elementi prismatici liberi, senza alcun vincolo o compressione, é necessario ridurre di molto lo sfruttamento delle capacità degli stessi non scendendo sotto al 15-20% e non oltrepassando il 80-85% di carica utile.
  Rimane comunque il rischio di rottura prematura in caso di imprevisti perché come già scritto, il contenitore con pareti piane (prismatico) non può fisicamente sopportare la pressione di apertura delle valvole senza danneggiarsi irreparabilmente molto prima della pressione massima prevista.
• Sollecitazioni ai morsetti - Le sollecitazioni meccaniche e/o elettriche ai morsetti sono dannosissime, meglio usare collegamenti flessibili, chiusi con la giusta coppia, dotati di rondella elastica per mantenere il contatto stabile alle varie temperature di lavoro.
  Pulire sempre con carta vetro finissima le superfici di contatto che usano l'alluminio. L'alluminio é adattissimo ma il suo ossido é un'isolante.
• Carica con rumore di fondo (ripple) - Meglio caricare gli accumulatori LFP scegliendo apparecchiature ben filtrate, specialmente quando la corrente di carica é elevata.

Imprecisioni, dicerie e bufale da sfatare:

• Eseguire il ciclo di top-balance e bottom-balance - Quando arrivano gli elementi nuovi, se si tratta di prodotti di qualità, non é necessario eseguire il lungo ciclo di bilanciamento a minima e massima tensione con tutti gli elementi in parallelo. Basta collegare tutti gli elementi nella configurazione definitiva, installare un buon bilanciatore ed eseguire la prima carica con bassa intensità di corrente. Anche il collegamento incrociato dei cavi che alimentano il parallelo degli elementi fà sorridere considerando la corrente in gioco che alla fine del ciclo é tendente allo zero.
• Asportare lo strato di stagno dal piano di contatto dei capicorda - Questa affermazione sfrutta una pseudoscenza. Si basa sul fatto che lo stagno é un conduttore peggiore del rame, quindi, asportandolo si riduce la resistenza elettrica di contatto.
  Ciò sarebbe vero se lo spessore dello stagno non fosse di pochi millesimi di millimetro e di conseguenza ininfluente sul valore di conducibilità dei vari elementi fissati insieme.
  Lo scopo del rivestimento in stagno é quello di evitare ossidazioni sulle varie superfici, di adattarsi meglio alle non planarità sfruttando la maggiore duttilità dello stagno stesso.
• Collegare in parallelo pacchi batteria della stessa azienda, prodotti nello stesso periodo - La differenza più importante fra un pacco batterie nuovo e un pacco batterie usato o di marca diversa é la resistenza interna, esattamente come fra due pacchi di diversa capacità, e non esiste alcuna controindicazione al parallelo.
  Solo se collegate in master-slave con il caricatore (o inverter) potrebbero dare problemi perché la gestione del caricatore verrebbe fatta dal pacco master e le sue impostazioni potrebbero non essere adatte a pacchi batterie diversi fra di loro.
  Per quanto riguarda invece i pacchi batteria collegati in serie é importante che siano della stessa azienda e prodotte nello stesso periodo, o per la precisione con la stessa resistenza interna.
• Oltre ad una certa tensione (esempio 3.4 V) per elemento, la batteria non si carica più ma dissipa solo calore - Come scritto più volte in questo documento, non é possibile stabilire in alcun modo lo stato di carica degli elementi LFP misurando la sola tensione; i grafici spesso riportati come esempio per giustificare questa teoria sono sempre riferiti ad una corrente di carica.
  In pratica, quando gli elementi arrivano a 3.4 V e la corrente di carica é ancora elevata, diciamo oltre 0.04 C, gli elementi si caricano eccome.
  Se invece arrivano a quella tensione con corrente di carica vicina allo zero, effettivamente la carica é quasi completa. Quasi completa perché ricordiamo ancora che la carica al 100% reale si ottiene solo arrivando a 3.6 V con corrente prossima allo zero.