Le batterie agli ioni di litio delle e-bike sviluppate tra il 2010 e il 2020 hanno rappresentato un importante salto tecnologico rispetto alle precedenti batterie al piombo e al NiMH. Allo stesso tempo, i primi sistemi di gestione elettronica delle batterie, i cosiddetti BMS, Battery Management System, hanno introdotto nuove modalità di guasto che possono risultare difficili da diagnosticare.
Uno dei casi più insidiosi è quello in cui la batteria sembra completamente scarica o guasta, mentre le celle al suo interno non sono necessariamente tutte danneggiate.
Il fenomeno può essere associato all’ingresso del BMS in una condizione di protezione, spesso descritta informalmente come sleep mode, shutdown o latched protection.
Che cos’è il BMS?
Il BMS è l’elettronica che controlla e protegge il pacco batteria.
In una batteria e-bike non ci sono semplicemente delle celle collegate tra loro: il pacco incorpora normalmente un sistema elettronico che controlla parametri come:
- tensione delle singole sezioni del pacco;
- tensione complessiva;
- corrente di carica e scarica;
- temperatura;
- condizioni di sovratensione e sottotensione;
- eventuali squilibri tra i gruppi di celle.
Il BMS può inoltre comandare dei MOSFET che collegano o scollegano elettricamente la batteria dalle utenze esterne.
Questa architettura è fondamentale per la sicurezza, ma crea una conseguenza importante: una batteria può contenere ancora energia senza necessariamente presentarla al connettore esterno.
Come può una batteria apparentemente “morta” avere ancora celle cariche?
Immaginiamo una batteria che rimanga inutilizzata per molti mesi.
Anche quando la bici è spenta, il sistema elettronico può avere un consumo molto piccolo. In condizioni normali questo consumo non rappresenta un problema significativo, ma durante periodi estremamente lunghi può contribuire alla diminuzione della tensione del pacco.
Se una sezione del pacco raggiunge una tensione considerata troppo bassa, il BMS può intervenire interrompendo la scarica.
A quel punto il comportamento può essere sorprendente:
celle → ancora presenti e con una certa tensione → BMS → uscita scollegata → bici apparentemente senza batteria.
Dal punto di vista dell’utilizzatore, il sintomo può essere semplicemente:
“La batteria non dà più alcun segno di vita.”
Il problema della sottotensione
Le celle Li-ion non devono essere scaricate al di sotto di determinati limiti.
Per questo il BMS monitora la tensione dei diversi gruppi di celle. Se uno di questi gruppi scende troppo, il sistema può disabilitare la scarica.
È importante comprendere che la tensione totale del pacco non racconta necessariamente tutta la storia.
Per esempio, in un pacco costituito da più gruppi di celle collegati in serie, un gruppo particolarmente debole può raggiungere una tensione critica prima degli altri.
Gli altri gruppi possono invece trovarsi a una tensione apparentemente normale.
Questo significa che una misura effettuata soltanto sul pacco nel suo complesso può non essere sufficiente per identificare il problema.
Perché il caricatore può non risolvere il problema?
È proprio questo uno degli aspetti più controintuitivi.
Un utente può collegare il caricatore aspettandosi che la batteria inizi immediatamente a caricarsi. Tuttavia, se il BMS si trova in una condizione di protezione, il comportamento del caricatore dipende dall’architettura specifica del sistema.
In alcune batterie il BMS può consentire una procedura di recupero controllata; in altre, determinate condizioni possono impedire l’avvio della ricarica.
Inoltre, alcune e-bike utilizzano sistemi nei quali batteria, caricatore, controller e display comunicano tra loro.
Di conseguenza, un caricatore apparentemente funzionante non significa automaticamente che la batteria sia in condizioni tali da poter essere ricaricata.
Un problema che può essere scambiato per una batteria guasta
Il caso diventa particolarmente interessante dal punto di vista diagnostico perché diversi guasti producono sintomi simili.
Una e-bike che non si accende può avere, tra le altre possibilità:
- batteria realmente degradata;
- BMS in protezione;
- gruppo di celle fortemente sbilanciato;
- problema al caricatore;
- fusibile o protezione interna interrotta;
- problema ai contatti;
- problema al controller;
- problema alla comunicazione tra batteria e sistema elettronico.
Il semplice sintomo “la bici non si accende” quindi non identifica necessariamente il componente responsabile.
Un altro fenomeno raro: il guasto intermittente
Esiste poi una variante ancora più difficile da individuare. Una batteria può funzionare normalmente a riposo e durante un utilizzo leggero, ma interrompere improvvisamente l’alimentazione quando viene richiesta una corrente elevata.
In questo caso il problema può dipendere, ad esempio, da:
- elevata resistenza interna di uno o più gruppi di celle;
- squilibrio tra gruppi;
- connessioni interne deteriorate;
- protezione del BMS;
- sensore di temperatura o relativo circuito;
- elettronica di potenza del BMS.
Durante un’accelerazione, la corrente richiesta dal motore aumenta. Se una sezione della batteria presenta un comportamento anomalo sotto carico, la tensione può diminuire rapidamente e il BMS può interpretare la situazione come una condizione di rischio.
Il risultato può essere un sintomo apparentemente inspiegabile: la batteria funziona, si accelera, la bici si spegne e dopo un certo periodo torna a funzionare.
Questo comportamento può facilmente essere attribuito al controller o al motore, quando invece il problema può trovarsi nella batteria.
Perché i sistemi più vecchi possono essere particolarmente difficili da diagnosticare?
Le e-bike della prima metà degli anni 2010 presentavano una grande varietà di architetture elettriche ed elettroniche. Non esisteva un’unica modalità universale di comunicazione tra batteria, caricatore e controller. Alcuni sistemi erano relativamente semplici, mentre altri integravano funzioni elettroniche più sofisticate.
Con il passare degli anni sono inoltre cambiate:
- chimiche e caratteristiche delle celle;
- firmware dei BMS;
- strategie di protezione;
- protocolli di comunicazione;
- sistemi di diagnostica;
- modalità di gestione della ricarica.
Per questo motivo non è corretto applicare la stessa procedura diagnostica a qualsiasi batteria e-bike prodotta tra il 2010 e il 2020.
La diagnosi richiede cautela
Una batteria Li-ion per e-bike può contenere una quantità di energia considerevole. Inoltre, un pacco apparentemente inattivo non deve essere considerato automaticamente innocuo.
Per questo motivo non è consigliabile aprire il pacco, ponticellare il BMS, alimentare direttamente le celle o tentare di “risvegliare” elettronicamente una batteria senza conoscere esattamente l’architettura e le condizioni del pacco.
Un errore durante queste operazioni può provocare cortocircuiti, surriscaldamento, danneggiamento delle celle o, nei casi peggiori, thermal runaway e incendio.
La diagnostica professionale parte quindi dall’identificazione precisa del modello di batteria e del sistema e-bike, dalla verifica del caricatore e dei collegamenti e dall’analisi degli eventuali codici di errore.
Il punto fondamentale
Il concetto più importante da ricordare è questo:
“Zero volt all’uscita” non significa necessariamente “zero energia all’interno della batteria”.
Il BMS può scollegare il pacco dalle utenze per proteggerlo.
Questo rende il fenomeno particolarmente insidioso: dal punto di vista dell’utilizzatore la batteria può sembrare completamente morta, mentre la causa può essere una condizione di protezione elettronica, una cella o un gruppo di celle problematico, oppure una combinazione di questi fattori.
Nel caso delle e-bike più datate, quindi, una batteria che improvvisamente non viene più riconosciuta non dovrebbe essere diagnosticata esclusivamente sulla base della tensione misurata ai terminali esterni.
La distinzione tra celle degradate, BMS in protezione, problema di comunicazione e guasto del sistema di ricarica è fondamentale per arrivare alla causa reale.
Per concludere
Il cosiddetto sleep mode del BMS è un esempio di come una moderna batteria e-bike sia molto più di un semplice insieme di celle.
È un sistema composto da elettrochimica, elettronica di potenza, sensori e logica di controllo. Quando una di queste componenti entra in uno stato di protezione, il comportamento osservabile dall’esterno può essere estremamente diverso dalla condizione reale delle celle.
Ed è proprio questa discrepanza, batteria apparentemente morta, ma situazione interna non necessariamente equivalente a un pacco completamente scarico, a rendere il fenomeno uno dei casi più interessanti nella diagnosi delle e-bike di prima generazione.