La classica domanda per questo tipo di problema

Ho una e-bike con batteria Li-ion da 36 V e 14 Ah. La batteria originale aveva perso molta autonomia ed è stata ricellata mantenendo il BMS originale. Sono state installate celle nuove. La batteria arriva al 100% di carica, ma l’autonomia è rimasta molto inferiore alle aspettative. In salita, quando aumenta la richiesta di potenza, l’indicatore scende rapidamente e in alcuni casi il motore si disattiva. Vorrei sapere se è possibile verificare la capacità reale del pacco, il bilanciamento dei gruppi, il comportamento sotto carico e il funzionamento del BMS prima di sostituire nuovamente le celle.

La risposta che riceve spesso il ciclista è …

“Le celle sono vecchie: basta sostituirle.”

Una batteria agli ioni di litio può perdere capacità con l’invecchiamento, con i cicli di carica e scarica, con le alte temperature e anche durante lunghi periodi di inutilizzo. La capacità residua, normalmente espressa attraverso il parametro State of Health (SoH), è uno degli indicatori utilizzati per descrivere lo stato della batteria.

Ma esiste un caso più difficile da diagnosticare: le celle vengono sostituite con altre nuove e correttamente dimensionate, eppure la batteria continua ad avere un’autonomia anormalmente bassa.

Il proprietario può quindi trovarsi davanti a una situazione apparentemente assurda:

• la batteria è stata ricellata;
• le celle installate sono nuove;
• la tensione nominale del pacco è corretta;
• il caricatore porta la batteria alla tensione prevista;
• il motore funziona;
• ma l’autonomia rimane molto inferiore a quella attesa.

In questi casi non bisogna dare automaticamente la colpa alle celle. Il problema può trovarsi nel Battery Management System (BMS), nei sensori, nella misura della corrente, nella stima dello stato di carica oppure nell’interazione tra BMS, batteria, controller e display della bicicletta.

1. Che cosa fa realmente un BMS?

Il BMS non è semplicemente un interruttore elettronico che impedisce alla batteria di scaricarsi troppo.

In un moderno pacco agli ioni di litio può occuparsi di diverse funzioni:

• monitoraggio delle tensioni dei gruppi di celle;
• monitoraggio della temperatura;
• protezione da sovraccarica;
• protezione da scarica eccessiva;
• protezione da sovracorrente;
• gestione del bilanciamento;
• misura della corrente;
• stima dello State of Charge (SoC);
• stima dello State of Health (SoH);
• registrazione di eventi o condizioni anomale;
• comunicazione con il controller della bicicletta.

La letteratura tecnica considera infatti SoC e SoH due delle principali grandezze che un sistema BMS deve stimare o monitorare. Questa distinzione è fondamentale. La capacità fisica delle celle e la capacità che il sistema elettronico ritiene disponibile non sono necessariamente la stessa cosa.

2. Capacità reale e capacità “conosciuta” dal sistema

Supponiamo di avere una batteria nominale da: 36 V – 14 Ah

La capacità energetica nominale è approssimativamente: 36 × 14 = 504 Wh

Dopo alcuni anni, le celle possono essere degradate e avere, per esempio, una capacità effettiva di 10 Ah.

Il pacco potrebbe quindi avere soltanto: 36 × 10 = 360 Wh

In questo caso la perdita di autonomia è facilmente comprensibile. Ma immaginiamo ora che un tecnico sostituisca le celle con un nuovo pacco da 14 Ah. Fisicamente la batteria può essere tornata vicina ai 500 Wh.

Questo, però, non significa necessariamente che ogni sistema elettronico della bicicletta sappia immediatamente che la batteria è tornata a 14 Ah. Ed è qui che entra in gioco la gestione elettronica della batteria.

3. Il BMS può utilizzare una stima della capacità

La gestione della batteria non si basa sempre sulla semplice lettura della tensione. La tensione, infatti, non permette da sola di sapere con precisione quanta energia rimane.

Per stimare lo stato di carica possono essere utilizzate diverse informazioni, tra cui:

• corrente entrante e uscente;
• tensione delle celle;
• temperatura;
• comportamento durante la carica;
• comportamento durante la scarica;
• modelli matematici della batteria;
• capacità stimata;
• resistenza interna;
• storico di utilizzo.

I sistemi di stima di SoC e SoH sono infatti un campo tecnico complesso proprio perché il comportamento elettrochimico delle celle è non lineare e SoC e SoH sono strettamente correlati. Di conseguenza, in alcuni sistemi un ricellaggio non equivale automaticamente a un “reset” dell’elettronica.

4. Il caso particolare: batteria ricellata, ma autonomia ancora bassa

Consideriamo questo scenario. Una batteria di una e-bike ha dieci anni di vita e presenta un’autonomia molto ridotta.

Il tecnico effettua un ricellaggio completo: vecchie celle → nuove celle

Il nuovo pacco ha:

• stessa configurazione elettrica;
• stessa tensione nominale;
• capacità uguale o superiore all’originale;
• celle correttamente selezionate;
• connessioni corrette.

La batteria viene quindi installata sulla bicicletta. Il proprietario si aspetta un netto miglioramento.

Invece succede qualcosa di strano: l’autonomia aumenta poco oppure rimane sorprendentemente bassa.

A questo punto è un errore concludere immediatamente: Le celle nuove sono difettose. Potrebbe essere necessario verificare l’intera catena di gestione energetica.

5. Un esempio concreto

Immaginiamo una batteria originariamente da 500 Wh.

Dopo anni di utilizzo: capacità fisica stimata: 300 Wh

Il BMS e il sistema di controllo hanno quindi lavorato per anni con una batteria degradata.

Ora vengono installate celle nuove: capacità fisica: 500 Wh

Se il sistema utilizza algoritmi di stima della capacità, contatori di carica, parametri di apprendimento o altri dati memorizzati, il comportamento successivo dipende dalla specifica implementazione. Non tutti i BMS funzionano nello stesso modo. Alcuni sistemi sono relativamente semplici. Altri sono “smart” e comunicano con il controller tramite un’interfaccia digitale, fornendo informazioni sullo stato della batteria e sulle condizioni di funzionamento.

Per questo motivo non è corretto affermare genericamente che: “dopo il ricellaggio bisogna sempre resettare il BMS.”

La formulazione tecnicamente corretta è: “Bisogna verificare se quello specifico sistema BMS utilizza parametri di capacità appresi, dati storici o procedure di inizializzazione che possono influenzare il comportamento dopo la sostituzione delle celle.”

6. Come capire se il problema è nelle celle oppure nel BMS

Questa è la parte più importante della diagnosi. Una batteria che ha poca autonomia può presentare sintomi simili per cause completamente diverse.

Caso A — Celle realmente sottocapaci

Possibili sintomi:

• autonomia ridotta;
• tensione che cala rapidamente sotto carico;
• aumento della resistenza interna;
• un gruppo di celle che raggiunge prima degli altri la soglia minima;
• spegnimento del BMS durante forti accelerazioni;
• forte differenza di comportamento tra batteria a riposo e batteria sotto carico.

In questo caso il ricellaggio può essere la soluzione corretta.

Caso B — Celle nuove ma pacco non correttamente bilanciato

Un altro problema possibile è lo sbilanciamento tra i gruppi di celle. Supponiamo che un pacco abbia 10 gruppi in serie. Se nove gruppi sono perfettamente carichi ma uno raggiunge prima la soglia di protezione, il BMS può interrompere la scarica anche se, nel complesso, rimane ancora energia negli altri gruppi.

Il risultato percepito dal ciclista può essere: “La batteria indica ancora carica, ma il motore si spegne.” Questo non dimostra automaticamente che il pacco sia scarico. Può indicare che un gruppo ha raggiunto una condizione limite prima degli altri.

7. Un sintomo particolarmente interessante: la batteria “sembra piena”, ma si scarica subito

Questo è uno dei sintomi che meritano maggiore attenzione.

Per esempio:

1. il caricatore termina normalmente;
2. il display indica 100%;
3. la bicicletta funziona normalmente;
4. dopo pochi chilometri l’indicatore precipita;
5. oppure il sistema riduce drasticamente la potenza;
6. infine il motore viene disabilitato.

Non bisogna interpretare automaticamente il 100% visualizzato come: “la batteria contiene esattamente il 100% della sua capacità nominale.” Il valore visualizzato è una stima dello stato di carica. La stima può dipendere dall’algoritmo utilizzato, dalla capacità assunta dal sistema, dalla corrente misurata e da altri parametri.

8. Perché misurare soltanto la tensione non basta

Uno degli errori diagnostici più frequenti consiste nel misurare la tensione della batteria a vuoto.

Per esempio: 41,8 V

su una batteria nominalmente da 36 V può sembrare un valore perfettamente plausibile per un pacco completamente carico.

Ma questa misura non risponde a domande fondamentali:

• quanta capacità è realmente disponibile?
• qual è la resistenza interna?
• i gruppi sono equilibrati?
• cosa succede sotto carico?
• il BMS sta limitando la corrente?
• il sensore di corrente misura correttamente?
• il BMS sta comunicando correttamente con il controller?

Per questo una diagnosi seria dovrebbe distinguere almeno tra: tensione a riposo e comportamento sotto carico. I test professionali di una batteria possono infatti includere capacità effettiva, resistenza interna, andamento della tensione e comportamento durante una prova di carico.

9. Il test più significativo: misurare l’energia realmente erogata

Se vogliamo capire se una batteria da 500 Wh possiede realmente circa 500 Wh utilizzabili, la domanda corretta non è: “Quanto misura la tensione?” ma: “Quanta energia riesce effettivamente a fornire nelle condizioni di prova previste?” Una prova controllata di scarica può permettere di determinare la capacità effettiva.

Per esempio:

Se la prova dimostra che il pacco è effettivamente in grado di fornire circa 485 Wh, ma sulla bicicletta vengono utilizzati molti meno Wh, diventa molto interessante indagare non soltanto le celle, ma anche il sistema di gestione e controllo.

10. Un altro elemento spesso trascurato: la misura della corrente

Molti sistemi BMS utilizzano la corrente per stimare quanta carica è entrata o uscita dalla batteria. Un errore nella misura della corrente può quindi compromettere la stima dello stato di carica. In termini semplificati, se il sistema “crede” che siano usciti 10 Ah quando in realtà ne sono usciti 7 Ah, il suo modello interno della batteria può progressivamente allontanarsi dalla realtà. Questo è uno dei motivi per cui la stima di SoC non è una semplice lettura di tensione. La ricerca sui sistemi BMS utilizza infatti modelli che combinano tensione, corrente e comportamento dinamico della batteria per stimare SoC e capacità.

11. Attenzione alla parola “reset”

Quando si parla di queste problematiche, compare spesso una soluzione apparentemente semplice: “Basta resettare il BMS.” La frase è però troppo generica. Un BMS non è necessariamente un dispositivo che dispone di un unico contatore facilmente azzerabile.

A seconda del sistema possono esistere:

• parametri di configurazione;
• dati di capacità;
• contatori di carica;
• informazioni sullo stato della batteria;
• registri di errore;
• soglie di protezione;
• parametri di bilanciamento;
• dati di apprendimento;
• firmware;
• protocolli di comunicazione proprietari.

Inoltre, in alcuni sistemi il BMS può comunicare con il controller della bicicletta, e un componente sostitutivo apparentemente compatibile può non esserlo realmente a livello elettronico o software. Per questo non è consigliabile bypassare il BMS o sostituirlo casualmente con un modello generico. Un BMS svolge anche funzioni di sicurezza e protezione del pacco.

12. La diagnosi corretta parte dal sistema completo

Una batteria e-bike non dovrebbe essere considerata come un semplice contenitore di celle. È più corretto considerare almeno questi elementi:

celle, collegamenti, sensori, BMS, comunicazione, controller, motore

Un’anomalia in uno qualsiasi di questi elementi può produrre sintomi apparentemente simili.

Per esempio, una batteria che “ha poca autonomia” potrebbe in realtà avere:

1. celle degradate;
2. celle nuove ma di capacità inferiore a quella dichiarata;
3. gruppo di celle sbilanciato;
4. BMS difettoso;
5. sensore di temperatura problematico;
6. misura di corrente errata;
7. protezione da sovracorrente troppo facilmente attivata;
8. comunicazione BMS-controller non corretta;
9. stima di SoC non coerente;
10. problema nel controller della bicicletta;
11. consumo anomalo del motore o dell’elettronica.

La diagnosi deve quindi partire dai sintomi osservabili, non dalla soluzione già scelta.

13. Come dovrebbe essere diagnosticata una batteria ricellata

Un percorso diagnostico ragionevole può essere organizzato in questo modo.

Fase 1 — Identificazione

Raccogliere:

• marca della bicicletta;
• modello;
• anno approssimativo;
• tensione nominale;
• capacità nominale;
• modello della batteria;
• modello del motore;
• eventuale codice del BMS;
• tipo di connettori;
• eventuale protocollo di comunicazione noto.

Questi dati possono essere decisivi perché due batterie apparentemente simili possono avere sistemi BMS completamente differenti.

Fase 2 — Verifica visiva

Controllare:

• involucro;
• connettori;
• cablaggi;
• eventuali segni di surriscaldamento;
• deformazioni;
• corrosione;
• contatti;
• eventuali modifiche effettuate durante il ricellaggio.

Fase 3 — Verifica elettrica

A seconda della competenza dell’operatore e delle procedure previste:

• tensione totale;
• tensione dei gruppi;
• equilibrio tra gruppi;
• comportamento sotto carico;
• temperatura;
• eventuali cadute di tensione anomale.

Fase 4 — Prova di capacità

Misurare, con strumentazione adeguata e condizioni controllate, quanta energia il pacco riesce effettivamente a erogare.

Fase 5 — Analisi del BMS

Se il sistema lo consente, verificare:

• errori registrati;
• dati di SoC;
• SoH;
• corrente;
• temperatura;
• tensioni dei gruppi;
• eventuali limitazioni;
• comunicazione con il controller.

Fase 6 — Confronto

A questo punto si può confrontare:

capacità fisicamente misurata

con

capacità/stato stimato dal sistema elettronico.

È proprio questa differenza che può far emergere un problema non riconducibile alle celle.

14. Un criterio diagnostico molto utile

Si può sintetizzare il ragionamento con una semplice domanda:

La batteria non contiene energia oppure il sistema non riesce a utilizzarla o a stimarla correttamente?

Sono due problemi molto diversi.

Se la capacità misurata è bassa

È ragionevole sospettare:

• celle;
• qualità del ricellaggio;
• configurazione del pacco;
• bilanciamento;
• resistenza interna.

Se la capacità misurata è buona ma l’e-bike utilizza molta meno energia

Bisogna estendere l’indagine a:

• BMS;
• firmware;
• stima SoC/SoH;
• sensore di corrente;
• protezioni;
• comunicazione;
• controller.

Questa distinzione evita di sostituire nuovamente celle che magari sono perfettamente funzionanti.

15. Attenzione: non tutti i problemi di autonomia dipendono dalla batteria

C’è anche un’altra possibilità.

La batteria può essere perfettamente efficiente, ma la bicicletta può consumare più energia del previsto.

Per esempio:

• freni che sfregano;
• pneumatici sgonfi;
• cuscinetti con attrito anomalo;
• motore con rendimento ridotto;
• controller difettoso;
• assistenza impostata diversamente;
• condizioni di utilizzo differenti;
• temperature basse;
• percorsi con maggiore dislivello.

La temperatura, in particolare, può influenzare significativamente il comportamento delle batterie agli ioni di litio.

Perciò “faccio meno chilometri” non equivale automaticamente a “la batteria ha meno capacità”.

16. Perché questo problema è particolarmente insidioso nelle e-bike più vecchie

Le biciclette elettriche vendute tra il 2010 e il 2020 possono utilizzare architetture elettroniche molto diverse.

Nel corso di quel periodo si è passati da sistemi relativamente semplici a sistemi sempre più integrati, con:

• BMS evoluti;
• sensori multipli;
• comunicazione digitale;
• diagnostica;
• stima di SoC e SoH;
• interazione tra batteria, display e controller.

Su una e-bike relativamente recente può quindi essere possibile leggere informazioni diagnostiche che su una batteria più vecchia semplicemente non erano disponibili. Questo rende particolarmente importante identificare il sistema prima di formulare la diagnosi.

17. Cosa NON fare

Quando una batteria ricellata presenta problemi, alcune “soluzioni” trovate online possono essere pericolose.

Non è consigliabile:

• cortocircuitare il BMS;
• eliminare protezioni;
• collegare direttamente celle o gruppi senza conoscere il circuito;
• sostituire il BMS con un modello scelto soltanto in base alla tensione;
• ignorare un sensore di temperatura;
• caricare un pacco modificato senza verificarne la compatibilità;
• utilizzare celle di provenienza incerta;
• considerare un reset software come soluzione universale.

Una batteria agli ioni di litio contiene una notevole quantità di energia e un intervento errato può compromettere sia la sicurezza sia l’affidabilità del pacco.

18. Come descrivere il problema …

Questa parte può essere molto importante.

Scrivere: “La batteria della mia e-bike non dura.” fornisce pochissime informazioni.

Una richiesta molto più utile sarebbe: “Ho una e-bike del 2016 con batteria Li-ion 36 V 14 Ah. La batteria originale aveva un’autonomia molto ridotta. È stata ricellata mantenendo la configurazione originale e installando celle nuove. Dopo il ricellaggio la batteria si carica normalmente, ma l’autonomia è aumentata soltanto da circa 15 km a 20 km. Il display indica 100% dopo la ricarica e la batteria non presenta errori evidenti. Vorrei capire se il problema può dipendere dalle celle, dal bilanciamento, dal BMS, dalla misura della corrente o dalla comunicazione con il controller.”

Questa descrizione permette al tecnico di costruire una diagnosi differenziale, invece di cercare immediatamente una singola causa.

19. Le informazioni più utili da fornire

Quando si chiede assistenza é utile indicare:

Bicicletta

• marca;
• modello;
• anno;
• motore;
• chilometraggio approssimativo.

Batteria

• marca;
• modello;
• tensione;
• capacità originale;
• capacità dopo il ricellaggio;
• numero di gruppi in serie, se conosciuto;
• tipo di celle.

Intervento effettuato

• solo sostituzione celle;
• sostituzione BMS;
• sostituzione celle + BMS;
• modifica della capacità;
• mantenimento del cablaggio originale.

Sintomi

• autonomia;
• comportamento dell’indicatore;
• eventuali spegnimenti;
• eventuali errori;
• comportamento sotto forte accelerazione;
• comportamento in salita;
• comportamento quando la batteria è quasi scarica.

Misure

Se disponibili:

• tensione totale;
• tensione dei singoli gruppi;
• capacità effettivamente misurata;
• corrente;
• temperatura;
• eventuali codici errore.

20. La domanda giusta da fare

Invece di chiedere: “Come riparo la mia batteria?”

è molto più utile chiedere: “Quali sono le possibili cause, ordinate per probabilità, considerando che le celle sono state sostituite ma l’autonomia è rimasta molto bassa? Quali misure distinguono una causa dall’altra?”

Questa formulazione sposta l’attenzione dalla soluzione prematura alla diagnosi.

21. Una checklist diagnostica rapida

Questa tabella non costituisce una diagnosi automatica: lo stesso sintomo può avere cause differenti.

22. La conclusione più importante

Quando una batteria e-bike viene ricellata, la domanda non dovrebbe essere soltanto: “Sono state montate celle nuove?”

La domanda corretta è: “Il sistema completo è in grado di utilizzare, misurare e gestire correttamente la capacità delle nuove celle?”

Una batteria è infatti un sistema composto da elementi elettrochimici ed elettronici. Le celle determinano quanta energia il pacco può fisicamente immagazzinare e fornire, mentre il BMS ne controlla numerosi aspetti di sicurezza e gestione. Nei sistemi più evoluti, la stima dello stato di carica e dello stato di salute introduce inoltre una componente algoritmica che non può essere dedotta semplicemente dalla tensione misurata ai morsetti.

Per questo motivo, quando una batteria ricellata continua a comportarsi come quella vecchia, non bisogna automaticamente ricominciare dalla sostituzione delle celle.

La sequenza diagnostica più razionale è: 1. identificare il sistema, 2. verificare il pacco, 3. misurare la capacità reale, 4. controllare il bilanciamento, 5. analizzare il BMS, 6. verificare la comunicazione con la bicicletta, 7. soltanto alla fine decidere quale componente sostituire. È questa distinzione tra energia realmente disponibile ed energia riconosciuta o utilizzabile dal sistema che permette di spiegare alcuni dei casi più difficili di batterie per e-bike apparentemente “nuove” ma ancora affette da una forte perdita di autonomia.

Avvertenza importante

Questo articolo ha esclusivamente finalità informative e divulgative. Le informazioni riportate hanno lo scopo di aiutare il lettore a comprendere meglio alcuni possibili problemi delle batterie per biciclette elettriche e a descrivere correttamente i sintomi quando si richiede assistenza tecnica.

È importante ricordare che sintomi apparentemente identici possono essere provocati da cause completamente differenti. Una batteria che presenta una ridotta autonomia, spegnimenti improvvisi, indicazioni anomale dello stato di carica o problemi durante le salite può avere origini diverse: celle, collegamenti, BMS, sensori, sistema di controllo, comunicazione elettronica o altri componenti.

Pertanto, le informazioni contenute in questo articolo non costituiscono una diagnosi e non devono essere utilizzate come sostituto di una verifica tecnica professionale.

Non aprire e non manipolare la batteria

Le batterie per biciclette elettriche agli ioni di litio possono contenere una quantità significativa di energia elettrica e, se danneggiate, aperte o manipolate in modo improprio, possono comportare rischi di corto circuito, incendio, surriscaldamento e altri incidenti.

L’apertura della batteria, la verifica interna, il ricellaggio, la sostituzione del BMS, delle celle o di altri componenti devono essere effettuati esclusivamente da personale qualificato e adeguatamente formato.

Non aprite, non smontate, non forate, non cortocircuitate e non manipolate una batteria e-bike se non siete professionisti qualificati per questo tipo di intervento.

Anche una batteria che appare completamente scarica può contenere energia sufficiente a provocare condizioni pericolose. La presenza di celle agli ioni di litio richiede inoltre procedure, strumenti e competenze specifiche per la diagnosi e l’intervento.

In caso di anomalie, è quindi consigliabile non effettuare prove improvvisate e non bypassare i sistemi di protezione, ma rivolgersi a un centro o a un tecnico qualificato.

In caso di dubbio

Se non si dispone delle competenze e della strumentazione necessarie, non intervenire sulla batteria.

La scelta più sicura è descrivere i sintomi a un professionista e fornire tutte le informazioni disponibili sulla bicicletta, sulla batteria e sugli eventuali interventi già effettuati.

La sicurezza viene prima della diagnosi e della riparazione.