Puoi fidarti di una batteria al litio ad alta tensione? Tutti gli elementi che ne garantiscono la sicurezza
12 settembre 2024
La transizione dei mezzi industriali all’elettrico è in corso da tempo e sta portando ad una crescita non solo del numero di applicazioni elettrificate, ma anche delle loro dimensioni e delle potenze.
Sono infatti sempre di più i produttori che decidono di sostenere un percorso di conversione tecnologica, motivati dai numerosi vantaggi dell’elettrificazione al litio in termini di Total Cost of Ownership sul lungo periodo, sostenibilità e flessibilità d’uso.
Le attuali evoluzioni tecnologiche e i grandi passi avanti compiuti nel settore permettono, infatti, anche a quei segmenti con necessità di potenze superiori, di guardare all’elettrificazione al litio come una scelta percorribile per aumentare la sostenibilità e l’efficienza dei propri mezzi.
Queste esigenze trovano una risposta concreta nelle batterie ad alta tensione, dette anche high voltage, capaci di supportare applicazioni con elevate potenze e svolgendo un ruolo fondamentale nello spingere la rivoluzione elettrica anche in questi ambiti applicativi.
Cos’è una batteria ad alta tensione? Ambiti applicativi, vantaggi e timori
Prima di analizzarne le funzionalità e potenzialità, è fondamentale chiarire cosa si intende per una batteria ad alta tensione e quali sono le sue principali caratteristiche.
Nel mondo industriale, vengono comunemente definite a bassa tensione le batterie fino a 102,4V nominali, anche se le norme limitano ufficialmente questa categoria al di sotto dei 60V massimi. Le batterie high voltage, invece, partono da 300V fino a superare gli 800V.
Quando vengono impiegate le batterie high-voltage
I costi di una soluzione di elettrificazione a bassa tensione sono inferiori rispetto a una soluzione ad alta tensione, poiché includono componenti commerciali più facilmente reperibili in ambito industriale, oltre a non necessitare componenti specifici per l’alta tensione, ad esempio connettori e dispositivi che, per aumentare il grado di sicurezza, hanno un costo più elevato.
Tuttavia, non si può utilizzare un’alimentazione a bassa tensione quando le potenze si alzano. Quello che, molto spesso impone la scelta della tensione, è la potenza del motore elettrico: in ambito industriale motori superiori ai 20/30kW richiedono una tensione superiore per rimanere compatti ed efficienti.
Ancora molti OEMs sono scettici nell’adottare soluzioni high voltage, principalmente per timori riguardo alla sicurezza, spaventati dai potenziali rischi associati all’alta tensione.
Batterie ad alta tensione: una soluzione adeguata alle esigenze di applicazioni che richiedono elevata potenza
Le batterie ad alta tensione sono quindi fondamentali per soddisfare i bisogni di veicoli con motori ad alta potenza e che, di conseguenza, necessitano di elevate prestazioni e alta autonomia, come nel caso di applicazioni industriali heavy duty.
Ne è un esempio rappresentativo la Flash Battery 396.8V – 420Ah 166.6kWh, il pacco batterie high voltage customizzato che abbiamo realizzato per una gru cingolata ibrida.
Il progetto ha richiesto un approfondito studio meccanico per individuare la migliore soluzione di alloggiamento della batteria nel veicolo. Data l’elevata richiesta di energia, è stata progettata una struttura composta da 4 unità collegate in serie, separate e posizionate in due vani distinti del telaio. Inoltre, l’integrazione della batteria con specifici sistemi di controllo dell’isolamento e HVIL ha permesso di rispettare i rigorosi standard di sicurezza richiesti delle applicazioni ad alta tensione.
Ma non solo! Le batterie ad alta tensione sono elementi fondamentali nei veicoli elettrici, offrendo i vantaggi di elevate prestazioni, lunga autonomia e ricariche rapide. Se la tensione nominale di una batteria al litio che equipaggia un’auto elettrica è nella maggioranza dei casi di 400V, come per la nota Tesla Model S, ci sono già case automobilistiche che hanno deciso di passare a batterie con un sistema a 800V, come nel caso della Porsche Taycan.
Vantaggi in termini di efficienza ma dubbi sulla sicurezza
Come in ogni ambito, tuttavia, dobbiamo tenere conto anche del rovescio della medaglia: le batterie al litio ad alta tensione possono essere tanto performanti quanto pericolose, se non progettate in modo corretto.
Gli elevati livelli di tensione richiesti da una batteria high voltage comportano infatti la necessità di adottare misure e protocolli di sicurezza rigorosi per assicurare l’affidabilità dei sistemi e l’incolumità degli operatori.
Ecco perché risulta fondamentale affidarsi ad un fornitore di batterie al litio con esperienza nel settore: è il produttore che deve adottare rigorosi standard di progettazione e produzione, implementando tecnologie avanzate e test accurati per garantire che la batteria funzioni in modo sicuro e affidabile in tutte le situazioni operative.
Sicurezza e ruolo del produttore: l’approccio Flash Battery
Fin dalla nascita di Flash Battery nel 2012, abbiamo scelto di sviluppare un iter consulenziale che ci permettesse, a partire dal dialogo con il cliente, di definire con precisione le caratteristiche che la batteria dovrà avere e le esigenze a cui dovrà rispondere.
Questo approccio ci ha permesso di realizzare centinaia di modelli di batterie completamente personalizzate, studiate ad hoc per le esigenze di lavoro e sviluppate con un concetto di efficienza e sicurezza che si adatta alle esigenze di lavoro richieste da ogni applicazione.
Safety first: le parole chiave per una batteria al lito sicura
Sono tre gli aspetti fondamentali su cui lavoriamo ogni giorno per garantire la totale sicurezza delle nostre batterie fin dalla fase di progettazione: la chimica, un assemblaggio intelligente e lo sviluppo di un’avanzata elettronica di controllo proprietaria.
La chimica LFP (Litio Ferro Fosfato) si è dimostrata la più adatta per le esigenze specifiche del settore industriale non solo in termini di efficienza ma anche di sicurezza. Infatti, non solo conferisce una lunga vita ai mezzi, con oltre 4.000 cicli di carica, ma è anche la più sicura e stabile disponibile sul mercato.
Dopo la chimica, l’assemblaggio delle celle è il secondo elemento cruciale da tenere in considerazione per la sicurezza della batteria al litio. In particolare, la capacità e, quindi, il numero di celle collegate in parallelo all’interno del pacco batteria è determinante.
Utilizzare celle di piccola dimensione richiede molte connessioni parallele per raggiungere la capacità desiderata, aumentando nettamente il rischio di cortocircuito. Per evitare questo rischio, le batterie Flash Battery sono realizzate con un massimo di quattro celle in parallelo, una soluzione che, dopo test e studi del nostro reparto R&D, ha dimostrato essere la migliore per garantire massima sicurezza in tutte le situazioni.
Queste accortezze però non sarebbero sufficienti senza un’elettronica di controllo intelligente. Solamente ponendo grande attenzione a questo aspetto è possibile avere una batteria al litio affidabile e sicura.
Il sistema di gestione della batteria proprietario di Flash Battery, il Flash Balancing System oggi brevettato, non si limita al bilanciamento delle celle. È progettato per offrire un controllo completo e costante di ogni pacco batteria a 360°, garantendo la stabilità delle prestazioni nel tempo.
HVIL (High voltage interlock)
Il sistema High Voltage Interlock (detto anche HVIL) utilizza un circuito continuo a bassa tensione per monitorare la corretta connessione di tutti i componenti ad alta tensione presenti all’interno del mezzo.
Se il segnale HVIL dovesse essere interrotto per qualsiasi motivo, l’alimentazione ad alta tensione verrà disconnessa interrompendo l’erogazione di corrente, per salvaguardare la sicurezza degli utenti.
MSD (Mechanical safety disconnect)
Il Mechanical Safety Disconnect (MSD) è un dispositivo di sicurezza utilizzato in sistemi di batterie ad alta tensione per fornire un metodo fisico di disconnessione del circuito elettrico. Il MSD è tipicamente progettato per essere azionato manualmente per poter garantire la sicurezza degli operatori e dei tecnici durante la manutenzione o in situazioni di emergenza.
Fusibili
I fusibili rappresentano i dispositivi di interruzione della corrente più semplici e meno costosi, ma riescono a proteggere efficacemente il sistema da sovraccarichi causati da cortocircuito.
Il principio di funzionamento di un fusibile è molto semplice, esso è costituito da un contenitore in vetro, ceramica o plastica che contiene un elemento conduttore (ricoperto di sabbia, così da evitare l’insorgenza di un arco elettrico), il quale quando viene percorso da corrente si riscalda e, per effetto Joule, quando supera una certa temperatura si fonde, interrompendo il flusso di corrente.
Scheda dedicata al controllo dell’isolamento
La funzione principale di questo elemento è monitorare costantemente la resistenza di isolamento tra le parti elettriche ad alta tensione della batteria con il telaio del veicolo stesso.
Questo monitoraggio aiuta a prevenire la sicurezza degli operatori, prevenire cortocircuiti o altri guasti elettrici.
Connettori
In una batteria ad alta tensione i connettori differiscono rispetto ai connettori tradizionali di una batteria a bassa tensione perché devono prevedere distanze di isolamento superiori, non deve essere possibile arrivare a contatto diretto con le dita e devono includere i contatti su cui deve passare il circuito HVIL per verificare la corretta connessione.
Teleruttori
Il teleruttore è un dispositivo elettromeccanico di sicurezza. Quando è chiuso, permette il flusso di corrente tra la batteria e il carico (come nel caso del motore di un veicolo elettrico). In situazioni di emergenza o anomalie, come sovraccarichi, cortocircuiti, surriscaldamenti o altro, il teleruttore può aprirsi per interrompere il circuito e prevenire danni alla batteria o ai componenti del sistema.
I teleruttori sono fondamentali per aprire il circuito anche quando il veicolo stesso è spento, riducendo quindi ulteriori rischi a valle della batteria. In aggiunta, per migliorare il livello di sicurezza solitamente si utilizza più di un teleruttore, ad esempio uno sul polo positivo e uno sul polo negativo, per essere certi che almeno uno intervenga in caso di bisogno.
Battery Management System: quando l’elettronica fa la differenza
Ormai è chiaro: la scelta di un’elettronica di controllo intelligente svolge un ruolo fondamentale per garantire la sicurezza del tuo sistema. In particolare, un elemento che fa realmente la differenza nelle situazioni di pericolo è il Battery Management System,ovvero il software di gestione della batteria.
Possiamo definire il BMS come il vero e proprio cervello della batteria, che monitora costantemente la tensione e la temperatura di ogni cella, assicurandosi che nessuna di queste superi i limiti di sicurezza.
Nel caso in cui una cella dovesse raggiungere una tensione o temperatura critica, il BMS interviene per bilanciare le celle o interrompere il processo di carica/scarica dialogando direttamente con il veicolo e con il caricabatterie. Allo stesso modo, in caso di surriscaldamento il BMS può ridurre la potenza o spegnere il sistema per evitare danni o incendi aprendo il teleruttore e interrompendo il flusso di corrente.
Ma i BMS non sono tutti uguali, e uno non vale l’altro
Flash Battery nasce proprio dalla convinzione che, per fare davvero la differenza nel mondo delle batterie al litio per l’industria, fosse necessario concentrarsi sull’elettronica. Già nel 2009, infatti, gli amici e soci fondatori Marco Righi e Alan Pastorelli, ora rispettivamente CEO e CTO dell’azienda, capirono che, solo attraverso un sistema di gestione delle batterie (BMS) all’avanguardia, si potesse ottenere un prodotto veramente innovativo.
Insieme iniziarono così a sviluppare il proprio sistema di gestione delle batterie al litio.
Con il Flash Balancing System, il sistema di bilanciamento delle celle combinato, attivo e passivo, ad alta potenza (20A) proprietario, nel 2012, Flash Battery approda sul mercato ritagliandosi un posto di rilievo nel panorama emergente delle batterie al litio per l’industria.
“All’inizio dell’attività ci siamo dedicati principalmente alla produzione di elettronica per rendere le batterie già esistenti dei nostri clienti più sicure e performanti. Tuttavia, ci siamo presto resi conto che il vero valore aggiunto stava nella creazione di pacchi batteria completi, che grazie al Flash Balancing System, non solo risultavano affidabili, ma anche intelligenti, sicuri e con una durata di vita superiore a quella del mezzo su cui venivano installati. L’ottenimento del brevetto italiano per innovazione industriale ottenuto dal nostro BMS nel 2022 è stato il coronamento di oltre di 10 anni di continuo impegno per rendere l’elettrificazione industriale più efficiente e sicura per un numero sempre crescente di applicazioni.”
Manutenzione predittiva: grazie al controllo remoto è possibile anticipare le anomalie
Ma c’è di più! Prova ad immaginarti i vantaggi di prevedere un problema di sicurezza ancora prima che si verifichi. Se progettato in modo attento, un BMS garantisce la stabilità delle prestazioni nel tempo, previene anomalie e svolge autodiagnostica e manutenzione predittiva fornendo un controllo completo del pacco batteria.
Grazie al Flash Data Center , il nostro sistema cloud di controllo remoto, che sfrutta intelligenza artificiale e machine learning, non devi aspettare che sia troppo tardi per accorgerti di un’anomalia.
La nostra tecnologia AI raccoglie e analizza in tempo reale i dati di funzionamento di tutte le batterie Flash Battery presenti nel mondo ed è in grado di riconoscere comportamenti potenzialmente anomali in modo proattivo comunicandoli direttamente al nostro ufficio After Sales che potrà intervenire tempestivamente. Ciò permetterà al produttore di evitare onerosi fermi macchina e i ben più gravi problemi di sicurezza sui mezzi.
