Cos'è una batteria EFB? Significato della batteria EFB
Nel tentativo di ridurre le emissioni di CO2 dei veicoli che hanno un motore a combustione interna (ICE), i produttori stanno facendo sempre più uso di quella che ora è chiamata tecnologia start-stop. In parole povere, si tratta di una tecnologia incorporata nel sistema di gestione di un motore che spegne automaticamente il motore quando è fermo. Il motore si riavvia quando si preme l’acceleratore e il conducente vuole avanzare. L’idea di base è di ridurre il tempo in cui il motore brucia inutilmente il carburante, per esempio quando è fermo ai semafori o agli incroci durante un viaggio.
Questo è più efficace dove il viaggio è frequentemente interrotto come in una città o un paese dove ci sono frequenti pause sulla strada verso una destinazione. Purtroppo, una conseguenza imprevista di ciò è stato l’effetto sulla batteria SLI (avviamento, illuminazione, accensione) del veicolo. In effetti, i primi anni di produzione di queste auto hanno visto richieste di garanzia senza precedenti con batterie SLI nuove di zecca che fallivano in pochi mesi di servizio.
Ci sono state diverse cause di fallimento: sovrascarica, solfatazione e problemi legati al PSoC come la perdita prematura di capacità (PCL). Il problema di base era che le batterie non potevano ricaricarsi sufficientemente dall’alternatore nel tempo disponibile quando l’auto veniva guidata tra i periodi di sosta. Molto semplicemente, quando l’auto si ferma il motore e quindi la carica della batteria dall’alternatore si ferma.
Tuttavia, il carico sulla batteria continua da vari dispositivi che sono ancora in funzione, ad esempio la radio, la gestione del motore, le luci, l’aria condizionata e anche il riscaldamento del parabrezza. Durante questi periodi di arresto, viene prelevata più energia dalla batteria per alimentare questi dispositivi, che non viene sostituita dall’alternatore quando il motore è in funzione. In queste condizioni, la batteria si scaricherà gradualmente e passerà la maggior parte della sua vita in un basso stato di carica con un elettrolito a basso SG.
Caricabatterie EFB
Il programma di test inizia con un periodo di riposo di 10s seguito dalla ricarica dall’alternatore per simulare la guida. Il periodo di carica è calcolato in base alla capacità della batteria (Fig. 2). Alla fine del periodo di guida, l’auto si ferma e viene prelevata una corrente di 50 ampere. Questo è descritto come il carico ospedaliero o il carico elettrico essenziale come il riscaldamento, l’aria condizionata, le luci, la radio ecc. Questi sono i tipici dispositivi che possono essere in funzione mentre l’auto è ferma.
Questo era un grosso problema per la batteria e l’industria automobilistica e nel 2015 un nuovo test standard è stato aggiunto alla norma europea 50342 -6. che era un test di resistenza micro-ibrida per batterie di avviamento. Il principio di base del test è mostrato schematicamente nella Fig.1. Qui si può vedere che i periodi in cui la batteria viene scaricata e caricata è una simulazione di un’auto in viaggio in una zona congestionata o edificata come una città.
Il periodo successivo è una scarica di un paio di secondi a 300 ampere che simula il carico di corrente di avviamento del motore sulla batteria EFB. Tutto questo ciclo si ripete continuamente. Senza entrare nella procedura assoluta del test, si può vedere che questo test è progettato per simulare la guida urbana. Il numero minimo di questi cicli che una batteria dovrebbe essere in grado di eseguire è 8.000. Fig. 3 è un estratto dello standard provvisorio pr50342-6, che ora è stato sostituito dalla versione approvata.
Fig. 3 è un estratto dello standard provvisorio pr50342-6, che ora è stato sostituito dalla versione approvata.
In che modo la batteria EFB è diversa da una batteria allagata?
La funzione primaria del test è quella di evidenziare l’effetto sulle batterie SLI di un progressivo abbassamento dello stato di carica (SoC) di una batteria dovuto a frequenti scariche quando il veicolo si è fermato e una ricarica inadeguata durante il tempo di guida tra le fermate. In generale, il degrado della batteria ha conseguenze catastrofiche e il fallimento potrebbe verificarsi entro mesi a causa della solfatazione delle piastre, degli effetti PSoC come la degradazione del materiale attivo e la stratificazione dell’elettrolito con conseguente corrosione della griglia e spargimento di pasta.
Bisogna sottolineare che questa è una simulazione. Tuttavia, evidenzia la necessità di avere una batteria EFB che può assorbire energia in un breve lasso di tempo per sostituire l’energia rimossa. Chiaramente, in termini assoluti, la capacità di reintegrare l’energia utilizzata da una batteria EFB in un veicolo start-stop dipende da fattori esterni. Alcuni esempi sono: in quale paese si abita, se si guida in città o in campagna, se è metà inverno a Mosca con tutto il calore e la luce in uso, o la Francia in primavera senza luci, calore o A/C in funzione.
La domanda fondamentale è: con un veicolo start-stop a batteria EFB, come si può mettere abbastanza carica nella batteria EFB durante il tempo disponibile per sostituire almeno l'energia tolta?
Sappiamo che l’alternatore dell’auto e il sistema di gestione del motore sono fissi nel loro funzionamento, quindi rimane solo la batteria EFB da modificare. Quindi, quali proprietà della batteria EFB devono essere regolate per migliorare l’assorbimento di corrente e prevenire le conseguenze dannose del basso SG, del funzionamento PSoC, della stratificazione e del PCL, elencati prima? A questo punto, possiamo elencare le caratteristiche della batteria che influenzano il suo assorbimento di corrente e la sua propensione a soffrire degli effetti elencati.
Questi sono:
- Resistenza interna
- Capacità della batteria
- Materiale attivo
- Mobilità degli elettroliti
- Composizione della lega della griglia
Al fine di migliorare le prestazioni della batteria, possiamo esaminare ciascuno di questi elementi per apportare i miglioramenti appropriati.
In primo luogo, la resistenza interna: più questa è alta, minore è la corrente prelevata ad una ricarica di tensione fissa dall’alternatore I = V/R. Più bassa è la corrente, più bassi sono gli ampere-ora restituiti alla batteria EFB durante i periodi in cui il motore dell’auto è in funzione. Nelle prime automobili start-stop, la batteria EFB era certamente sottocaricata nella maggior parte dei viaggi brevi. Questo ha portato presto a un guasto precoce della batteria con alti tassi di ritorno in garanzia. La resistenza interna è una funzione del design della batteria, dei materiali usati e dei processi di produzione utilizzati nella sua fabbricazione
Tra gli aspetti progettuali c’è quello della griglia che, se correttamente sagomata, può minimizzare il percorso di raccolta della corrente. La superficie totale delle piastre è un’altra caratteristica importante: maggiore è la superficie, minore è la resistenza della batteria. In generale, più piastre e più sottili massimizzeranno l’area di conduzione. L’area della sezione trasversale e la qualità di tutte le giunzioni metalliche, vale a dire le saldature tra le celle, le giunzioni delle cinghie dei capicorda e le fusioni di stacco/terminali, contribuiranno tutte alla resistenza interna totale della batteria EFB. Le sezioni trasversali delle aree fuse e saldate dovrebbero essere massimizzate per fornire la più bassa resistività metallica dei componenti.
Durata della batteria EFB. Come migliorare le proprietà della batteria EFB?
- Alcuni aspetti della produzione di batterie al piombo, come le fasi di miscelazione e polimerizzazione della pasta, richiedono severi controlli di processo. Il controllo della temperatura è di fondamentale importanza per produrre la struttura cristallina ottimale nel materiale attivo preformato (AM). Temperature di lavorazione più elevate favoriscono il solfato tetrabasico di dimensioni maggiori, la cui superficie inferiore riduce le proprietà di accettazione della carica dell’AM e quindi l’efficacia della batteria EFB nel funzionamento start-stop.
- La capacità della batteria EFB è un altro fattore importante nel determinare il tasso di assorbimento della corrente. Più alta è la capacità, più alta è la corrente assorbita in ogni particolare stato di carica. La capacità è legata all’area del materiale attivo nelle piastre (di cui sopra). Aumentando la capacità si ottiene un IR più basso con un maggiore assorbimento di corrente rispetto a una batteria di capacità inferiore quando si carica a una tensione fissa.
Di nuovo, questo significa che una maggiore capacità viene restituita alla batteria EFB quando il motore è in funzione. Dà anche il vantaggio di non scaricarsi troppo profondamente durante un’operazione ciclica e quindi di mantenere uno stato di carica (SOC) più elevato durante la sua vita. Il vantaggio di un SOC più alto è che la batteria ha meno probabilità di soffrire di stratificazione dell’elettrolito e del conseguente danno da corrosione che ciò causerebbe.
- L’efficienza del materiale attivo è un altro fattore che è legato al fallimento della batteria. I miglioramenti nell’accettazione della carica possono essere apportati da additivi, principalmente carbonio in diverse forme, nel materiale negativo attivo (NAM). C’è molta speculazione sul ruolo del carbonio, e molte aziende di additivi hanno il loro prodotto proprietario. Questi vanno dai nanotubi di carbonio alla grafite a scaglie, e tutti hanno la proprietà di migliorare l’efficienza del materiale attivo nell’accettare una carica.
Di nuovo, questo è un guadagno positivo per le batterie usate per applicazioni start-stop. Le batterie allagate EFB e sempre più spesso le batterie AGM stanno aumentando il contenuto di carbonio del loro NAM. L’uso di una batteria allagata di capacità superiore aiuterebbe a prevenire la stratificazione riducendo la profondità di scarica durante il normale funzionamento Questo, a sua volta, significa che la batteria EFB ha meno probabilità di soffrire della dannosa separazione di acido denso e basso SG durante i cicli di carica-scarica.
- La mobilità dell’elettrolita si riferisce alla capacità dell’elettrolita di muoversi nella batteria EFB. I design allagati hanno la massima mobilità, mentre le varianti AGM e GEL delle batterie al piombo-acido hanno poca o nessuna mobilità. In questi casi, si dice che l’elettrolita è immobilizzato. Mettendo da parte i vantaggi della ricombinazione del gas, e quindi la perdita d’acqua trascurabile inerente a questi progetti, essi conferiscono il vantaggio di minimizzare o prevenire la stratificazione dell’elettrolito dovuta ai cicli di scarica profonda.
- I materiali, in particolare la lega di piombo utilizzata per produrre la griglia, hanno un impatto significativo sulla resistenza interna (IR) della batteria EFB. L’uso di piombo-calcio invece di piombo-antimonio darà una resistività inferiore, principalmente perché la quantità di elementi di lega secondaria è molto più piccola. Bisogna fare molta attenzione quando si sceglie una lega adatta, poiché i metodi di fusione e i controlli di lavorazione devono essere adattati a particolari combinazioni di leghe.
Una lavorazione non corretta della griglia può portare alla rimozione di alcuni degli ingredienti della lega della griglia, sia per precipitazione che per ossidazione allo stato fuso. Queste perdite possono avere un serio impatto sulla resistenza alla corrosione e al creep della rete, che può portare a una grave crescita della rete e a una corrosione penetrante che contribuisce al fallimento precoce della batteria EFB.
Finora sono stati elencati molti requisiti per produrre la batteria EFB ottimale per l’uso start-stop. Inizialmente, la risposta da parte degli OEM automobilistici è stata quella di utilizzare un design AGM della batteria EFB che generalmente ha un IR più basso a causa della sua lega di rete e un leggero sovradimensionamento per prevenire la sovrascarica. Si pensava anche che riducesse l’incidenza della stratificazione a causa dell’immobilità dell’elettrolita. Tuttavia, la riduzione dei costi era anche un fattore importante per gli OEM nel trovare una batteria adatta a questa applicazione. La soluzione più favorita e forse più efficace attualmente disponibile è la Enhanced Flooded Battery (batteria EFB).
Cos'è dunque un EFB?
Il blog finora ha descritto i problemi di un ambiente micro-ibrido per una batteria al piombo acido SLI. Le cause del fallimento sono quasi invariabilmente legate all’incapacità della batteria EFB di assorbire la carica abbastanza rapidamente per sostituire l’energia rimossa quando il motore di un’automobile è inattivo. Questa è anche la causa della stratificazione dell’elettrolito che gioca un ruolo significativo nel ridurre la durata della batteria SLI nei veicoli start-stop. La soluzione EFB fornisce la maggior parte delle caratteristiche di cui una batteria EFB ha bisogno per migliorare significativamente l’accettazione della carica. L’accettazione della carica per una batteria SLI EFB in funzione è spesso indicata come Dynamic Charge Acceptance o DCA.
Un breve riassunto delle caratteristiche dell'EFB:
- Bassa resistenza interna grazie a una migliore progettazione della griglia e all’uso di leghe a bassa resistenza (ternario Pb/Sn/Ca).
- Abbassare la resistenza interna aumentando l’area delle piastre (piastre più sottili).
- Capacità più elevata (batteria EFB più grande) per aumentare l’entità della corrente prelevata alla ricarica a tensione fissa e limitare la profondità di scarica per evitare la stratificazione dell’elettrolito e aumentare la durata del ciclo.
- Materiale attivo potenziato (generalmente additivi a base di carbonio) per migliorare l’accettazione della carica della batteria.
Queste misure si traducono in una batteria EFB allagata che ha una capacità superiore (generalmente più grande) rispetto alle batterie standard, ha griglie avanzate in lega di piombo, un’area di piastra superiore e materiale attivo arricchito di carbonio. Questo è, al momento, il design preferito per le batterie SLI nei veicoli start-stop. È favorita soprattutto perché è più economica di una versione AGM. Le versioni AGM tendono anche ad avere circa il 15% di capacità in meno rispetto a una versione allagata di dimensioni simili. Questo significa un DoD più alto in funzione che si traduce in una vita di ciclo inferiore. Sorprendentemente, i design AGM possono anche soffrire di stratificazione dell’elettrolito se il DoD sul ciclismo è intorno all’80%.
È di fondamentale importanza capire quale tipo di batteria acquistare se (e sicuramente quando), la batteria si guasta sul vostro veicolo start-stop. Se avete bisogno di aiuto con questo, allora non esitate a contattare Microtex che ha l’esperienza e la conoscenza per guidarvi nell’acquisto della vostra batteria. Infatti, se avete qualche problema con le batterie per il quale avete bisogno di aiuto o guida, Microtex, per la maggior parte, sarà il vostro unico punto di riferimento per i consigli e i prodotti per le batterie.
