Tecnologia: Alternatore e batterie al litio – Ecco come il motore diventa una centrale elettrica

È una fresca mattina di primavera nell’arcipelago di Stoccolma. La Linjett 36 offre un comfort come a casa: frigoriferi, congelatori, riscaldamento, 230 volt e, in più, tantissima elettronica di navigazione. Nelle ultime 24 ore abbiamo consumato volutamente molta energia. Il monitor della batteria indica uno stato di carica di circa il 70%. I dispositivi hanno prelevato ben 120 ampere-ora dalla batteria al litio. Dieci minuti dopo, al termine di una breve tratta a motore attraverso l’arcipelago, il display mostra già quasi 40 ampere-ora ricaricati. Più o meno quanto consumerebbe la Linjett in 24 ore senza il nostro atteggiamento spericolato del «accendiamo tutto».

Potrebbe interessarti anche:

• ​Tecnologia: come ricaricare al meglio le batterie al litio
• ​Alimentazione elettrica: con un minimo sforzo, l'alternatore fornisce più corrente
• ​Cosa occorre sapere sulle batterie al litio-ferro-fosfato
• Rischio per la sicurezza? Batterie al litio contro sistemi al fosfato di ferro
• Cosa occorre tenere presente nella scelta di un sistema di accumulo di energia di grandi dimensioni

Quello che funziona laggiù nel vano motore non è un normale alternatore. Si tratta di un sistema ad alte prestazioni raffreddato ad acqua ideato dallo sviluppatore svedese Dan Kimblad, che dimostra cosa si possa ottenere ottimizzando in modo sistematico la ricarica tramite l’alternatore. L’alternatore immette costantemente 250 ampere nella batteria e rimane appena tiepido; il raddrizzatore, anch’esso raffreddato ad acqua, è posizionato separatamente, mentre l’acqua di raffreddamento viene prelevata dal motore e passa attraverso un proprio piccolo scambiatore di calore. Questo sistema rappresenta un estremo di una lunga scala. L’altro estremo è ben noto alla maggior parte dei proprietari: un alternatore di serie proveniente dal settore automobilistico, un nuovo pacco batterie al litio e la silenziosa speranza che, in qualche modo, tutto funzioni insieme. Il più delle volte, però, non è così.

Perché i grandi giacimenti di litio creano nuovi problemi

​I grandi banchi di batterie LiFePO4 a bordo rendono possibile molte cose che prima erano riservate alla rete elettrica del porto: cottura a induzione, lavatrice o lavastoviglie. Il comfort aumenta, ma con esso anche il fabbisogno energetico. Uno yacht ben attrezzato con una capacità di litio compresa tra 400 e 500 ampere-ora consuma facilmente da 100 a 150 ampere-ora al giorno durante il viaggio. Tuttavia, l’energia deve anche essere reimmessa nella batteria, preferibilmente indipendentemente dalla corrente di terra. Il desiderio di molti armatori è ovvio: sfruttare il più efficacemente possibile i tempi di funzionamento del motore, comunque necessari, per la ricarica. Ed è proprio qui che sta il problema. Infatti, l’alternatore, che dovrebbe svolgere questo compito, non è progettato proprio per questo scopo.

«Gli alternatori di serie montati sui motori delle imbarcazioni provengono quasi senza eccezioni dal settore automobilistico», spiega Michael Kögel di Philippi, uno dei produttori tedeschi più esperti di componenti elettrici di bordo. Nelle automobili, l’alternatore svolge un compito piuttosto semplice: dopo l’avviamento del motore, reintegra le circa cinque ampere-ora che il motorino di avviamento ha prelevato dalla batteria. Successivamente, alimenta l’impianto elettrico di bordo con utenze di modesta potenza. Il tutto ottimizzato in termini di costi.

Il valore in ampere riportato sulla targhetta identificativa indica la potenza di picco con l'alternatore a freddo, non la potenza continua. Il paragone di Kögel coglie perfettamente nel segno: è come per un motore, in cui la zona rossa si trova a 6.000 giri – nella pratica si guida a una velocità compresa tra i 3.000 e i 4.000. Il problema principale è il calore residuo. Gli alternatori di serie raggiungono raramente un rendimento superiore al 60%. Ciò significa che, per ogni chilowattora meccanico trasmesso dalla cinghia all’alternatore, almeno il 40% viene convertito in calore prima che anche solo un ampere raggiunga la batteria. Questo era un problema già con le batterie al piombo, nonostante la loro elevata resistenza interna limitasse automaticamente la corrente di carica e proteggesse l’alternatore da se stesso.

Perché il litio sottopone l'alternatore a un carico continuo

Chi passa alle batterie al litio modifica radicalmente le condizioni di funzionamento dell’alternatore. Le batterie LiFePO4 hanno una resistenza interna estremamente bassa, indipendentemente dal fatto che il banco sia carico al dieci, al cinquanta o all’ottanta per cento. Assorbono tutta l’energia che il sistema è in grado di fornire, in alcuni casi per ore, fino a raggiungere quasi il 95% della capacità. L’alternatore funziona alla massima potenza sin dall’avvio del motore e rimane a tale livello finché il motore è in funzione. Un semplice calcolo illustra le implicazioni termiche di questo fenomeno. Un alternatore che eroga 80 ampere a 14,4 volt genera una potenza elettrica in uscita di circa 1,2 kilowatt. Con un rendimento del 60%, la cinghia deve fornire due kilowatt di potenza meccanica per ottenere tale risultato.

La differenza di 800 watt viene convertita in calore all’interno dell’alternatore ed è proprio qui che sta il problema. In un alternatore di serie, una singola ventola soffia aria sugli avvolgimenti dello statore, sul rotore e sul blocco di diodi raddrizzatori sul lato posteriore, il punto termicamente più vulnerabile. Sotto carico continuo al litio, la temperatura dell’alloggiamento sale rapidamente oltre i 100 gradi Celsius. Nel migliore dei casi, il regolatore riduce rapidamente la potenza dell’alternatore.

Degli 80 ampere indicati sulla targhetta, dopo qualche minuto alla batteria ne arrivano forse ancora 40. In dieci minuti di funzionamento del motore si riescono a ricaricare poco meno di sei ampere-ora.

Per le batterie al piombo, un regolatore esterno ad alta potenza prometteva un miglioramento. In combinazione con le batterie al litio, però, non risolve il problema. Il regolatore esterno rileva che il banco di batterie al litio è scarico e porta immediatamente l’alternatore alla potenza massima – per brevi periodi da 70 a 80 ampere. Poiché l’alternatore di serie non è progettato termicamente per questo carico continuo, la sua temperatura sale in breve tempo oltre i 130 gradi. Il regolatore è costretto a ridurre la corrente, spesso portandola a soli 25-35 ampere. Un valore notevolmente inferiore a quello che la batteria al litio potrebbe assorbire.

​Il caricabatterie B2B: una soluzione semplice e spesso azzeccata

Per risolvere il problema della temperatura, è quindi preferibile abbinare il regolatore di serie a un caricabatterie “batteria a batteria”. Mentre il caricabatterie B2B garantisce la corretta curva di carica per le batterie al piombo, immettendo così più energia nella batteria, per le batterie al litio funge da «buttafuori» elettronico: indipendentemente da quanto sia scarica e «avida» la batteria, riceve solo la corrente impostata e non di più. L’alternatore funziona costantemente al 50-60% della sua potenza nominale e non si surriscalda. Sui tragitti brevi inferiori a 15 minuti, il regolatore esterno offre dei vantaggi. In caso di funzionamento prolungato, il vantaggio si inverte.

Un regolatore esterno ad alte prestazioni richiede un alternatore progettato per il funzionamento continuo. Questi alternatori ad alta potenza prodotti da Balmar, Electromaax, Arco Marine o Mastervolt sono dotati di conduttori in rame più spessi con un fattore di riempimento più elevato, materiali isolanti più resistenti al calore, cuscinetti più robusti e spesso due ventole di raffreddamento che aumentano notevolmente la portata d'aria. Inoltre, il raddrizzatore è di dimensioni maggiori ed è posizionato in modo da garantire una migliore dissipazione termica. Molti sistemi ad alta potenza lo collocano sistematicamente all’esterno: come raddrizzatore remoto montato esternamente, situato in un punto meglio ventilato del vano motore e che può essere raffreddato separatamente. Il sistema svedese di Kimpower è quello che si spinge più in là: l’alternatore e il raddrizzatore esterno condividono un proprio circuito di raffreddamento ad acqua. Il risultato: una temperatura superficiale di 44 gradi in funzionamento continuo invece di oltre 100 gradi nei sistemi raffreddati ad aria.

​La cinghia è spesso il prossimo collo di bottiglia

A potenze molto elevate, la trasmissione a cinghia diventa rapidamente un collo di bottiglia meccanico. Fino a circa 100 ampere di potenza dell’alternatore è adatta una normale cinghia trapezoidale. Gli alternatori più potenti richiedono non solo un motore diesel sufficientemente robusto, ma anche cinghie trapezoidali dentate e nuove pulegge. Per Yanmar, Volvo e alcuni altri produttori sono disponibili kit di conversione realizzati da Balmar o Electromaax, per i quali occorre prevedere una spesa compresa tra circa 600 e 900 euro. Un aspetto importante da tenere presente: se la pompa di circolazione dell’acqua di raffreddamento si trova sullo stesso percorso della cinghia, l’elevata tensione della cinghia può danneggiarne i cuscinetti; in tal caso, la soluzione più indicata è un sistema di cinghie separato per l’alternatore ad alta potenza. I motori più recenti sono solitamente dotati di serie di cinghie trapezoidali nervate, il che rende la conversione più semplice.

La trappola mortale BMS

Il fenomeno che si verifica quando il BMS di una batteria al litio interviene per spegnere bruscamente la batteria, mentre contemporaneamente scorre una corrente di carica elevata – a causa di sovratensione, sovratemperatura o difetti delle celle – è denominato “load dump”. Il problema è l’energia immagazzinata nel campo magnetico dell’alternatore. Questa non può più defluire nella batteria e deve essere scaricata da qualche parte. La tensione nella rete di bordo sale improvvisamente fino a 100 volt. I primi componenti ad esserne colpiti sono quasi sempre i diodi raddrizzatori dell’alternatore, che vengono distrutti da questo picco di tensione.

La soluzione più pulita è un sistema al litio con BMS dotato di comunicazione esterna: avvisa tempestivamente il regolatore dell’alternatore prima di spegnersi. I sistemi Victron con BMS esterno o Mastervolt offrono questa interfaccia. Chi opta per batterie al litio "drop-in" senza comunicazione BMS esterna deve prevedere moduli di protezione contro il load dump esterni, come quelli disponibili ad esempio da Balmar o Sterling Power. Un «load dump» può verificarsi anche senza batterie al litio, a causa di cavi allentati o dello spegnimento dell’impianto elettrico del motore durante il funzionamento.

L'offerta spazia dai prodotti economici a quelli di fascia alta

Per la conversione ad alternatori ad alte prestazioni, il mercato offre soluzioni con potenze comprese tra 100 e 250 ampere e prezzi che vanno da 2.500 a circa 8.000 euro. Balmar è un marchio affermato da decenni e fornisce, per la maggior parte dei motori, combinazioni su misura composte da alternatore ad alta potenza e regolatore esterno. Lo stesso vale per Electromaax, Mastervolt e Arco Marine. I loro regolatori Zeus e Omega sono tra i modelli più potenti e possono essere abbinati anche ad altri alternatori.

Il non plus ultra – per quanto costoso – sembra essere attualmente la soluzione prodotta in piccole serie da Kimpower. Grazie a una dissipazione del calore senza pari, è in grado di fornire la massima potenza continua.

Panoramica delle soluzioni

​Il caricabatterie B2B: poca potenza, ma affidabile

Il caricabatterie “da batteria a batteria” è la soluzione più semplice e, per molti proprietari, quella giusta al problema della ricarica delle batterie al litio tramite l’alternatore di serie. Non aumenta la potenza di ricarica, ma protegge l’alternatore. Sul lato di ingresso, fornisce all’alternatore un carico costante e regolato, indipendentemente da quanto sia scarico o “affamato” il banco di batterie al litio. Sul lato di uscita fornisce una curva di carica ottimizzata per le batterie LiFePO4. Per evitare di sovraccaricare l’alternatore, la corrente in ingresso non dovrebbe superare di molto circa la metà della corrente nominale dell’alternatore. Diversi produttori, costo: 40 A, a partire da 330 euro.

​​Alternatore ausiliario: indipendente e potente

​Anziché sostituire l'alternatore di serie, se ne monta un secondo – in genere un alternatore ad alta potenza – sul motore. Il vantaggio risiede nella separazione sistematica dei sistemi: l'impianto elettrico del motore rimane inalterato. Il banco dei carichi viene caricato direttamente tramite l’alternatore supplementare con il proprio regolatore ad alte prestazioni. Non è necessario un caricatore B2B. In caso di batterie al litio «drop-in» prive di BMS comunicante, è opportuno prevedere un modulo esterno di protezione contro il load dump. Lo svantaggio è l’ingombro aggiuntivo e il supporto necessario, che potrebbe dover essere realizzato su misura. Costo: 170 A, a partire da 2.500 euro.

​Potenza massima: l'alternatore raffreddato ad acqua

Chi desidera una potenza di ricarica superiore a quella fornita dall’alternatore di serie tramite collegamento B2B, può sostituirlo con un alternatore ad alte prestazioni. Quest’ultimo è progettato per un carico continuo. Per i comuni motori Yanmar e Volvo sono disponibili kit di conversione specifici prodotti da Arco, Balmar, Electromaax e altri produttori. Idealmente, questo alternatore ricarica direttamente la batteria di servizio: la batteria di avviamento può essere alimentata tramite un caricabatterie B2B. All’apice della gamma si trova il sistema raffreddato ad acqua di Kimpower: il sistema, sviluppato dallo svedese Dan Kimblad, funziona con un alternatore speciale e un raddrizzatore esterno, anch’esso raffreddato ad acqua. Il risultato: una corrente di carica continua compresa tra 220 e 250 ampere a una temperatura di circa 44 gradi. Kimpower è disponibile come opzione sugli yacht Linjett (supplemento di 7.900 euro); i kit di retrofit per motori Yanmar e Volvo sono disponibili su richiesta. Maggiori informazioni: kimpower.se

​Suggerimenti di lettura

Teoria e pratica dell'impianto elettrico di bordo di Jens Feddern tratta l'impianto elettrico di bordo in tutta la sua ampiezza. Al centro dell'attenzione vi sono la generazione di energia elettrica, le batterie, i processi di ricarica e la distribuzione dell'energia elettrica a bordo. Proprio per i lettori e le lettrici che desiderano comprendere come la batteria, l'alternatore e la tecnologia di ricarica siano interconnessi come sistema, il volume fornisce le basi tecniche necessarie.

Impianto elettrico perfetto per l'imbarcazione Il libro di Andy Johnson pone maggiormente l’accento sull’installazione pratica a bordo e sulla corretta realizzazione degli impianti elettrici, tenendo conto dell’intera architettura dell’alimentazione elettrica. Chi desidera passare dal singolo problema relativo all’alternatore al quadro più ampio dell’impianto elettrico dell’imbarcazione, troverà qui un quadro pratico più ampio.

​Grande batteria al litio, tanto comfort, grandi aspettative: l’alternatore di bordo è forse il collo di bottiglia più sottovalutato in molte conversioni? Partecipa alla discussione nei commenti.