Contatti della batteria: quanti sono?

Guardando il connettore per la batteria dei notebook, balza all’occhio il fatto che ha numerosi contatti: sicuramente più dei due (positivo e negativo) che ci si aspetterebbe di trovare. La ridondanza è dovuta indubbiamente al fatto che si usano spesso due contatti per ogni polo, quindi due per il + e altrettanti per il –. Raddoppiare i contatti dimezza la resistenza e quindi le perdite di contatto, soprattutto quando il computer richiede alte correnti alla batteria e quando i contatti, col tempo, si allentano e si usurano.

Ma anche raddoppiando si arriva a 4, mentre di solito nei connettori troviamo 6, 7, 8 e più lamine. A cosa servono, dunque, quelle in eccesso?

Ebbene, una viene utilizzata dalla linea di comunicazione con il chip interno alla batteria, che fornisce informazioni circa il numero di ricariche effettuate, l’energia residua, il numero seriale ecc. A volte questa linea è accoppiata ad uno dei contatti destinato ad altre funzioni, altre è formata da due contatti ed è di tipo I²C-Bus o SMBus, perciò a 2 fili (clock e dati).

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Tipica configurazione dei contatti di una batteria per notebook.

Anche se la tipica configurazione conta lamine per positivo e negativo e per la linea dati, i contatti in eccesso possono essere utilizzati per il bilanciamento delle celle durante la carica e permettono di accedere alle celle intermedie. Ciò vale sovente per le batterie interne.

Per comprendere questo discorso bisogna dire che le batterie al litio -ormai le uniche utilizzate nei notebook e nei tablet- presentano, a dispetto delle grandi qualità in fatto di immagazzinamento dell’elettricità, alcuni difetti, uno dei quali è lo sbilanciamento che si verifica tra le celle nei pacchi batteria, tanto più evidente quanto maggiore è il numero di celle in serie; per aggirare questo fenomeno si possono caricare individualmente le singole celle, grazie al fatto che nei pacchi batteria i loro elettrodi vengono resi accessibili tramite i contatti intermedi del connettore della batteria (gli estremi sono + e – di ricarica).

Nei notebook vengono utilizzate normalmente batterie agli ioni di lirio (Li-ion) e nei tablet e nei notebook con batteria interna, sovente le LiPo (Litio-polimeri).
La cella Li-ion ha una tensione nominale di 3,6 volt, che a piena carica può arrivare a 4÷4,2 volt; come per tutte le batterie basate sul litio, in virtù della leggerezza di questo elemento chimico hanno un’eccellente densità di carica, che arriva a 150 Wh/kg.

A dispetto dell’ottima capacità per unità di peso, le Li-Ion presentano una corrente di scarica abbastanza limitata, che non dovrebbe superare 3 C; ciò nei computer non è un limite, anche se spiega come all’interno del notebook debbano essere previste protezioni che in caso di cortocircuito sulla scheda madre impediscano il raggiungimento di elevate correnti, altrimenti la batteria si gonfia, surriscalda e può incendiarsi.

Le batterie al litio si trovano sotto forma di cilindretto (tipicamente da 18×65 mm) con contatti normali o a saldare; le capacità sono intorno ai 3.000÷6.400 mA/h per elemento. Con questi cilindretti vengono composti i pacchi batteria dei portatili.
In virtù della loro elevata densità di energia, le Li-Ion vanno trattate con cura, in quanto se si danneggia l’involucro possono scoppiare e se surriscaldate, per un’eccessiva corrente di scarica o per una carica scorretta, possono prendere fuoco in maniera abbastanza rapida e violenta. Quindi non bisogna mai forare l’involucro delle batterie, perché il contatto del litio con l’aria può essere davvero pericoloso.

Le batteria al litio non devono essere scaricate sotto una certa tensione: non bisogna far scendere la tensione di ciascuna cella a meno di 2,7 V, altrimenti la cella si danneggia e perde capacità.

Per questa ragione i pacchi batteria di apparati come i PC notebook dispongono di un circuito elettronico in grado di bloccare l’erogazione di corrente se la tensione complessiva si abbassa al disotto del limite accettabile.
Quanto alla batteria LiPo, si tratta di una variante della batteria al litio, dove ©l’elettrolito è un polimero a base di litio
, caratterizzata dalla capacità di erogare grandi correnti (anche 40 C, quindi una LiPO da 5 A/h potrebbe erogare 200 A) sia di spunto, sia continuative; questa batteria è ancora più leggera, a parità di capacità, della Li-Ion e quindi presenta una migliore densità di carica. Inoltre la sua tensione per cella è 3,7 V, non 3,6 come nelle Li-Ion.

Come tutte le batterie al litio, va trattata con cautela, quindi non bisogna surriscaldarla né danneggiarla meccanicamente, altrimenti può scoppiare; va comunque detto che le più recenti LiPO sono ben corazzate e non è facile praticare squarci o fori nel loro contenitore. Analogamente alle Li-Ion, le LiPO non devono essere scaricate completamente: una cella viene considerata scarica quando la tensione ai suoi capi scende già a 3,4 V; inoltre la tensione non deve scendere sotto i 2,8 V, altrimenti la cella si danneggia e perde parte della propria capacità.

A piena carica, una cella LiPO presenta una tensione di 4,2 V, che scende rapidamente a 3,7÷3,8 V dopo che è stato consumato circa 1/10 della carica disponibile; proseguendo la scarica, la tensione cala in modo abbastanza lineare fino a 3,4 V per il restante 80% della carica. Quando la tensione raggiunge i 3,4 V significa che è stato usato il 90% della carica disponibile; scaricando oltre l’accumulatore, la tensione cala molto rapidamente fino ai 3 V.
Di norma la batteria dovrebbe integrare un’elettronica che la sconnette dai morsetti di uscita + e – o perlomeno riduce drasticamente l’assorbimento, quando la tensione per singola cella scende sotto i 3,4 V.
E veniamo alla ricarica delle batterie al litio,che deve avvenire in due fasi: una prima a corrente costante ed una successiva a tensione costante. In breve, la loro carica avviene con un processo denominato CC/CV, ovvero una prima parte a corrente costante (CC) fino al raggiungimento della tensione di soglia, ed una successiva a tensione costante (CV) nella quale la corrente viene gradatamente ridotta mantenendo la tensione al valore di soglia. Quando la corrente erogata è inferiore al 10 % della corrente nominale di carica, pari a 1C, la carica si considera completa.

Nel caricabatteria automatico, la carica prevede una prima carica a corrente costante fino a che la tensione sale a circa 4 V per cella e poi la carica a tensione costante, puntando al valore di 4,2 V, sempre per cella, e limitando la corrente affinché non salga oltre il massimo consentito. È anche prevista una fase ausiliaria di precondizionamento (a bassa corrente) quando le celle sono praticamente scariche, prima di avviare la carica standard.

Una particolarità dei pacchi batteria al litio è che, anche in virtù della tensione relativamente alta delle singole celle, possono richiedere periodicamente (ogni 10÷15 ricariche) il bilanciamento; questo perché le celle possono presentare, in base all’utilizzo e a come sono state caricate la prima volta, ma anche in funzione delle diverse caratteristiche di ciascuna, tensioni sensibilmente diverse e tali che caricandole in serie, qualcuna tende a caricarsi meno delle altre. Infatti se in un pacco di 2 celle una presenta prima della carica 3,4 V e un’altra 3,6 V, visto che nel collegamento in serie la corrente è uguale, la corrente sarà limitata dalla batteria che si carica per prima, lasciando meno carica l’altra; per contro, la batteria più carica si sorbirà la tensione più alta e potrà danneggiarsi, in quanto, siccome nella seconda fase della carica il caricabatterie lavora a tensione costante, applica alla serie di celle 8,4 V, perciò quella che si carica di più sale più in fretta di tensione, mentre quella più scarica resta a tensione minore.

In sintesi, se il pacco batteria è sbilanciato, la cella a tensione maggiore si carica prima che lo faccia l’altra, raggiungendo oltretutto tensioni più alte di quelle ammesse e a lungo andare riporta dei danni; inoltre a fine ciclo di carica la cella a tensione minore non è ben carica. Dopo vari cicli di carica, questo fenomeno di accentua sempre di più.
Per ottenere una ricarica perfetta, si può procedere in due modi: caricare le celle individualmente dai contatti del connettore che riportano i contatti intermedi delle singole celle; utilizzare un caricabatteria con bilanciatore o caricare il pacco dai contatti di scarica, connettendo un bilanciatore nel connettore che riporta i contatti delle singole celle. Nel primo caso, a parte il tempo richiesto dall’operazione (perché il caricabatterie deve effettuare tanti cicli di carica quante sono le celle) c’è il limite di non poter effettuare la carica rapida, in quanto il connettore che riporta i contatti delle celle è fatto per il bilanciamento e sopporta una corrente relativamente bassa.

Nel secondo, la carica è più veloce (si compie in un solo ciclo) e precisa, però richiede il bilanciatore che sovente si trova integrato nell’integrato caricabatterie del computer.
Il bilanciatore contiene per ciascuna cella per la quale è adatto un circuito in grado di rilevare la tensione tra i capi e deviare (“shuntare”) attraverso un transistor parte della corrente destinata alla carica se essa supera il valore di piena carica, ossia 4,2 V; in altre parole, se una cella sembra carica il circuito la scavalca e fa andare la corrente direttamente a quelle che hanno tensione minore.

Il bilanciatore molto spesso è integrato nell’elettronica della batteria, insieme al controllo di temperatura e a quello di scarica, che interrompono l’erogazione di corrente (o l’assorbimento, se la batteria è sotto carica) quando gli elementi si scaldano troppo o presentano una tensione sotto quella minima oltre la quale si danneggiano le celle).
I contatti di bilanciamento sono posti ogni due celle, ossia tra positivo di quella in basso e negativo di quella immediatamente sopra, e via di seguito.

In una batteria da tre celle (3s) e quindi da 11,1 volt, abbiamo un negativo (- della cella più in basso) un positivo (+ della cella più in alto) e due contatti intermedi (+ della cella in basso/- di quella intermedia, + della cella intermedia e – di quella in alto) mentre in una 4s (14,8 volt) due estremi (+/-) e tre intermedi.

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Connessione dei contatti intermedi per il bilanciamento delle celle.