Tempo fa abbiamo parlato dell'autonomia delle biciclette elettriche con batterie al litio, anche se fondamentalmente la maggior parte delle batterie di questo tipo è governata dagli stessi principi. In quel post, abbiamo fatto un riassunto dei principali motivi per cui una batteria al litio si scarica dell'energia accumulata e quindi possiamo determinare la distanza. Questa volta affronteremo l'argomento da un punto di vista più preciso, e approfondiremo il meccanismo che rende possibile la spesa energetica delle nostre batterie al litio. Smentiremo anche miti sul funzionamento di queste batterie poiché, in molte occasioni, non siamo consapevoli dei cambiamenti tecnologici che avvengono intorno a noi, promuovendo idee che erano vere prima ma ora non lo sono più.
Esistono molti tipi di batterie al litio con diverse combinazioni chimiche e quindi differiscono nelle loro capacità e nelle loro carenze. Le celle elettrochimiche che utilizziamo nelle nostre batterie sono composte da un catodo NMC (ossido di cobalto, nichel, manganese) e un anodo in grafite che sono la causa della reazione REDOX (ossido-riduzione) che avviene grazie alle proprietà dell'ossido di litio. Il funzionamento è relativamente semplice, e diciamo relativamente perché se analizziamo le proprietà fisiche e chimiche dei materiali che ne consentono il funzionamento, l'argomento diventa estremamente denso e complesso.
In breve, una tale batteria funziona accumulando energia e rilasciandola attraverso il processo di elettrolisi, e la proprietà più notevole del litio è semplicemente che il processo di elettrolisi può essere ripetuto fino a centinaia o migliaia di cicli. La durata delle celle è determinata da diversi fattori, come tempi di uso e disuso, temperatura o il numero di cicli di carica e scarica. Ciò che è inevitabile è il degrado chimico del litio, che causa la diminuzione delle sue proprietà con ogni uso. Questo è dovuto a vari fattori che discuteremo di seguito.
Sono le 9:45 e il telefono suona nell'ufficio di Legend E-Bikes. Un cliente proprietario di una Legend Etna vuole parlare con Ramon, il nostro responsabile del servizio di assistenza tecnica. Il cliente chiede spiegazioni sulla leggera diminuzione dell'autonomia della sua batteria Panasonic-Sanyo da 10,4 Ah perché, dopo un uso intensivo, ha notato che la capacità di carica non è più quella del primo giorno.
Molti utenti si chiedono come migliorare l'autonomia delle biciclette elettriche. Questo è qualcosa che vediamo regolarmente, e non solo nelle biciclette elettriche, ma anche nelle auto elettriche, negli smartphone, nei laptop e praticamente in qualsiasi dispositivo che richiede l'uso di batterie al litio per il suo funzionamento.
Il fatto è che molti non sono consapevoli che lo scenario dello storage elettrico non è così all'avanguardia come sembra e, sebbene sia vero che sono stati fatti molti progressi rispetto alle vecchie e pesanti batterie al piombo, la tecnologia attuale ha diversi svantaggi che dobbiamo prendere in considerazione se vogliamo estendere la vita delle nostre batterie.
Anche se la seconda legge di Newton spiega la relazione tra potenza, massa e movimento, non è nostra intenzione che il lettore risolva equazioni per determinare se la tua batteria sarà all'altezza del compito, quindi la riassumeremo in modo molto più pratico.
Può sembrare ovvio, ma alcune persone non si rendono conto di quanto sia importante questo dettaglio, e cioè che più pesi, più energia ci vuole per muoversi. Quando sentiamo cifre come la distanza che possiamo percorrere con un carico, dobbiamo tenere presente che questi calcoli si basano su uno standard, che è un ciclista di 70 kg. Quindi, più superiamo questa cifra, meno autonomia otterremo dalla stessa batteria. Allo stesso modo, meno massa corporea abbiamo, più chilometri per carica potremo percorrere.
Questa sezione è regolata dagli stessi principi della precedente ed è di uguale o maggiore importanza, poiché il peso della persona è di importanza secondaria.
Un viaggio in pendenza è raramente lineare, che sia in città o in campagna, è comune pedalare su pendenze e terreni variabili o curve di ogni tipo. Ovviamente se il nostro percorso è in salita, la quantità di energia di cui avremo bisogno sarà maggiore. Ancora una volta, i valori che possiamo apprezzare nelle specifiche di qualsiasi batteria si basano sugli standard e questi si basano su un'inclinazione di pendenza neutra, cioè sul piano.
Il maggior consumo di energia avviene nelle partenze. Per superare la resistenza rappresentata dal peso combinato della bicicletta più il ciclista da fermo fino a una velocità di 25 km/h, si usa molta energia, molto più di quella usata per mantenerci costanti a quella velocità per molto tempo. Questo perché una volta raggiunta una velocità costante, l'energia viene utilizzata solo per superare la resistenza meccanica offerta dalle parti in movimento della bicicletta e la resistenza dell'aria. A fini pratici, se vuoi estendere l'autonomia della tua bici, cerca sempre di mantenere l'inerzia e non affrettarti quando ti stai avvicinando a un semaforo rosso che ti costringe a fermarti. Invece, anticipa e rallenta gradualmente man mano che ti avvicini e, sperabilmente, quando arriverai sarà diventato verde.
Anche in questo caso, le forze esterne interferiscono significativamente con le prestazioni delle nostre batterie. Sono stati documentati aumenti delle prestazioni del 22% nelle batterie a causa del vento favorevole, e sono state osservate cadute altrettanto significative quando si pedala controvento.
Anche la temperatura è un fattore determinante, a differenza dei circuiti elettronici e dei chip, le batterie non funzionano meglio con basse temperature poiché stiamo parlando di reazioni chimiche. Una temperatura di 0°C è sufficiente per ridurre le prestazioni della batteria del 20% e questo non significa che perda la sua carica o che ci sia un guasto alle celle, semplicemente il freddo non consente agli elettroni di muoversi liberamente come alle temperature elevate. Tuttavia, questo non significa che più è caldo, meglio funzionerà la nostra batteria, esiste un intervallo di temperatura di funzionamento ottimale di 35º/45º. Se superiamo tale intervallo, inizieremo a notare come la batteria perde la sua carica a causa dell'instabilità degli ioni di litio.
È fondamentale mantenere la corretta pressione dei pneumatici; il contatto costante genera attrito che deve essere ridotto il più possibile. Gli pneumatici con poca aria causeranno una superficie più ampia del pneumatico a contatto con il suolo, causando così attrito che offrirà resistenza. Allo stesso modo, il tipo di pneumatico può farci perdere un po' di efficienza. Un pneumatico liscio sarà molto più efficiente sull'asfalto, mentre uno con tasselli grandi ci darà più viaggio su terreni ripidi.
Nonostante nell'UE non sia legale utilizzare un acceleratore su una bicicletta elettrica, ci sono utenti che scelgono di installare uno di questi accessori, sia perché sono stanchi o semplicemente per comodità. In ogni caso, l'acceleratore è in grado di ridurre l'autonomia di una batteria fino al 50%. L'explicazione è ovvia: se omettiamo l'assistenza umana, avremo un consumo di energia più elevato da parte del motore.
Se usi freni a disco o a V, un cattivo regolamento può causare che le pastiglie o le shoes sfregano sul disco o sul cerchio e producano resistenza. Questo può sembrare scontato poiché è facile notare che la bici sta frenando, ma prima che quel freno indesiderato diventi evidente, c'è un graduale malfunzionamento precedente che probabilmente non noterai. Su una bici normale sarà difficile pedalare, e probabilmente noterai presto l'attrito, ma su una bicicletta elettrica non lo noterai così facilmente, poiché il motore continuerà a funzionare allo stesso modo ma consumerà più energia. Allo stesso modo, un asse non centrato, raggi allentati o una sospensione troppo lasca possono offrire una resistenza minima che può farci perdere un po' di autonomia.
C'è un fattore molto importante nella misurazione della longevità di una batteria. Forse il fattore più determinante su come influisce sull'autonomia delle biciclette elettriche. La vita di una batteria non inizia al momento in cui le celle vengono fabbricate, nemmeno al momento in cui l'assemblatore costruisce la batteria. Il giorno 1 della batteria al litio inizia alla sua prima carica. Questo è dovuto a SEI (Solid Electrolyte Interphase), una reazione chimica che alla prima carica causa la formazione di uno strato di ossido di litio intorno all'anodo di grafite.
Questa reazione segna l'inizio della vita utile della batteria, ma porta a una riduzione discreta della capacità di carica dal primo ciclo, che è abbastanza comune in tutte le batterie al litio. Tuttavia, il degrado naturale del litio avviene di ciclo in ciclo, quindi non dovresti preoccuparti di acquistare una nuova batteria fabbricata un anno fa poiché i produttori consegnano celle con il 60% del primo ciclo di carica nella maggior parte dei casi.
Una corsa del pedale non corretta è anche una causa di ridotta autonomia sulle biciclette elettriche. Specialmente sulle biciclette elettriche con motore centrale è molto importante avere una corsa del pedale corretta e spieghiamo perché:
Come i motori a combustione, anche i motori elettrici hanno un intervallo di giri in cui sono più efficienti. Il picco massimo di efficienza energetica (intorno all'80%) si verifica a un regime di giri piuttosto elevato. Ciò significa che al di sotto di queste velocità il motore tende ad essere molto meno efficiente ed è molto rilevante nei motori centrali (poiché usano la catena e quindi il cambio come trasmissione), quindi cerca di tenerlo presente quando usi il cambio della tua bici.
Come abbiamo accennato all'inizio, ci sono alcuni miti sulle batterie che un tempo erano corretti ma che oggi non solo sono sbagliati, ma possono anche danneggiare le nostre batterie. Uno dei più diffusi è il consiglio di fare una carica completa nel primo ciclo per esaurirla completamente prima di fare la seconda carica. Fortunatamente, il BMS (SISTEMA DI GESTIONE DELLA BATTERIA) all'interno della batteria si occupa già di limitare la carica totale o la scarica per aumentare la vita delle celle, impedendo sovraccariche. Il BMS è anche responsabile del controllo del tasso di carica e scarica, che è cruciale nelle batterie al litio poiché non saranno mai scaricate al 100%.
Anche se le batterie al litio non hanno effetto memoria, molti produttori raccomandano di calibrare la nostra batteria una volta ogni 3 mesi. Qui spiegano come farlo.
Conoscendo queste cause possiamo avere un'idea dell'efficienza che otterremo quando ci muoveremo con la nostra bicicletta elettrica e della batteria di cui avremo bisogno a seconda dell'uso che ne facciamo. L'utente medio sarà coperto con batterie da 8,8 Ah per un uso più intensivo probabilmente avrà bisogno di raggiungere 11 Ah e nel caso di flotte di trasporto è molto comune avere una batteria di ricambio in carica costante. Ma non possiamo omettere il fatto che, per alcuni utenti, sia perché devono percorrere distanze molto lunghe su pendenze molto ripide o perché il loro peso è eccessivo, una bicicletta elettrica potrebbe non essere la loro soluzione di mobilità ideale.
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