Caricabatterie e modellismo: una storia senza fine

L’essere umano, in qualità di responsabile della ricarica, è inaffidabile, soprattutto quando deve svolgere compiti di routine ripetitivi. Si distrae troppo facilmente. Monitorare un processo di ricarica e – cosa importante – interromperlo per tempo richiede una presenza costante; una vera e propria dichiarazione di guerra a qualsiasi forma di intelligenza creativa.

Le prime batterie ricaricabili utilizzabili anche nel modellismo erano al piombo: pesanti come la terra, ma ancora ragionevolmente tolleranti agli errori, poiché apribili verso l’alto. Se le si dimenticava sul caricabatterie, bastava aggiungere in un secondo momento dell’acqua distillata. La situazione si complicò quando nacque l’esigenza di utilizzarle indipendentemente dalla posizione. Ora dovevano essere a tenuta stagna. Tra i primi sistemi secondari veramente a tenuta di gas figuravano le batterie Rulag*, motivo per cui venivano già pubblicizzate come «batterie a secco».

* Dr. Rudolph Mohr, Società delle torce tascabili

Questa batteria ha poi avuto una carriera militare davvero notevole come batteria di alimentazione per siluri. Negli anni ’50 ha fatto il suo ingresso anche nel settore del tempo libero (batteria di riscaldamento per radio e apparecchiature radio portatili, motori per modellini).

Probabilmente furono i modellisti a sviluppare il primo caricabatterie efficace dotato di spegnimento automatico. Sfruttarono il fatto che le celle, avvolte in plastica morbida, si gonfiavano all’inizio del sovraccarico.

Se solo oggi fosse ancora così semplice! Ma questo fu probabilmente il momento in cui nacque il caricabatterie automatico.

Le batterie al piombo (Pb) sono ancora considerate di facile manutenzione. Per molto tempo la limitazione della corrente di carica è stata piuttosto secondaria, poiché la «capacità di sopportare la carica» delle batterie (ad esempio: batteria di avviamento per auto) superava di gran lunga la generosità del caricabatterie. La situazione è cambiata con l’introduzione sul mercato delle celle al piombo «intelligenti». Le batterie al piombo sigillate con tecnologia al gel o a tessuto non tessuto dispongono già di una protezione elettrochimica integrata contro il sovraccarico. In questo processo, sul polo positivo viene generato ossigeno, che viene poi ricombinato sul polo negativo. Tuttavia, ciò funziona solo con correnti di carica inferiori a 0,3 C, escludendo così tutte le opzioni di ricarica rapida che consentono di risparmiare tempo.

Fino all’inizio degli anni ’80, le cosiddette batterie DEAC con una capacità nominale compresa tra 250 e 500 mAh erano le fonti di alimentazione standard per i ricevitori. Queste batterie al NiCd erano considerate affidabili e di facile manutenzione. Venivano generalmente ricaricate «durante la notte» con correnti massime di 0,1 °C. Poiché non esistevano criteri per determinare con sufficiente precisione lo stato di carica di queste batterie a bottone, la durata della ricarica dipendeva dal bisogno di sonno dell’utente o dalla sua percezione del tempo necessario per la ricarica. Gli hobbisti più attenti venivano ricompensati con una maggiore durata (delle batterie). Quando, alla fine degli anni ’70, le batterie NiCd a ricarica rapida, progettate per l’uso negli utensili elettrici, iniziarono a soppiantare gradualmente le batterie a bottone, il mondo della ricarica subì una svolta. Le cosiddette celle sinterizzate al NiCd potevano ora essere caricate tramite un cavo resistivo in 2...4 °C, ovvero in meno di un’ora. La domanda era sempre la stessa: quando è abbastanza? La tensione delle celle non forniva un criterio univoco per questo tipo di batteria, poiché il suo valore era influenzato da fattori quali la corrente di carica, la temperatura, il pretrattamento e l’invecchiamento. I maniaci del controllo utilizzavano in modo improprio la sveglia da cucina della mamma per segnalare la fine del tempo di ricarica calcolato. Il più delle volte andava male. Ma dagli errori si impara! Infatti, le batterie NiCd caricate troppo a lungo diventavano tangibilmente calde, in casi estremi addirittura bollenti. Il controllo della carica tramite il contatto con la mano, ancora viziato da tutte le imperfezioni umane, poté presto essere sostituito da interruttori termici o sensori di temperatura con modulo di commutazione. Era nato il caricabatterie automatico – già per la seconda volta. Il problema era che il sensore termico doveva essere effettivamente a contatto con la batteria.

Un’altra sfida emersa in seguito: nella successiva generazione di batterie NiMH, si verificava un leggero riscaldamento già durante il processo di ricarica, per cui la temperatura di spegnimento doveva essere impostata a un livello relativamente alto, il che era solo parzialmente benefico per la «salute della batteria».

Più o meno nello stesso periodo ci si rese conto che l’andamento della tensione nelle batterie NiCd poteva fornire indicazioni sul momento in cui la batteria era carica, poiché il surriscaldamento che si verificava in caso di sovraccarico faceva diminuire nuovamente la tensione di carica. Questo fenomeno era relativamente facile da analizzare elettronicamente. Questa scoperta fu denominata «metodo Detla-Peak».

Funzionava in modo abbastanza affidabile anche con le successive batterie NiMH. Poiché in questo caso il picco è meno pronunciato, la sensibilità di misurazione deve essere leggermente superiore. Tuttavia, questo tipo di rilevamento della carica completa è sempre associato a un breve sovraccarico, che la nuova generazione di celle NiMH sembrava tollerare molto meno. Il processo di ricarica diventa più delicato per la batteria se la ricarica termina già al punto di inflessione della curva di tensione. Per questo metodo delicato, in cui si accetta una perdita di capacità di solo poche percentuali, si è affermato il termine «Inflex».

L’avvento delle celle agli ioni di litio all’inizio del 2000 ha segnato una svolta epocale. Inizialmente si diffuse l’incertezza, poiché le nuove stelle nel firmamento delle batterie erano considerate capricciose e, nelle mani di modellisti inesperti, erano ben disposte a dimostrarlo. Gli estintori erano molto richiesti. Ma ben presto la comunità imparò ad apprezzare la maneggevolezza e le prestazioni eccezionali della nuova generazione di batterie. Inizialmente classificate come poco resistenti, il popolare valore C – che ben presto divenne l’argomento di vendita decisivo – esplose nel giro di pochi anni. Il volo elettrico, anche grazie alla nuova tecnologia dei motori, prese davvero slancio. Ma, una volta risolto un problema, ne emergeva subito uno nuovo. Il fabbisogno energetico cresceva: c’era bisogno di nuovi caricabatterie. Da quel momento in poi arrivarono sempre più spesso dall’Estremo Oriente, con grande disappunto delle aziende occidentali affermate.

I caricabatterie fissi un tempo utilizzavano un trasformatore di rete convenzionale. Questo andava bene fintanto che le correnti di carica rimanevano nell’ordine dei milliampere. Trasformare correnti più elevate con la tecnologia a 50 Hertz dell’epoca comportava dispositivi ingombranti, pesanti e costosi. Oggi prevale il cosiddetto alimentatore a commutazione. Grazie alla moderna elettronica di potenza (per il principio di commutazione, vedi riquadro), è possibile far passare potenze superiori a un kilowatt attraverso involucri di dimensioni maneggevoli con perdite minime.

Come fonte di alimentazione mobile era nota la batteria di avviamento da 12 V. Con 6...7 celle NiCd la soluzione andava ancora bene. Una lampadina Bilux per auto, disponibile in commercio, svolgeva la funzione di limitatore di corrente del cavo resistivo. Con un numero maggiore di celle, era necessario suddividere la batteria in piccoli pacchi. Successivamente è stato sviluppato il convertitore di tensione continua per poter caricare «in un unico pezzo» anche batterie con un numero di celle superiore a 7. Questi dispositivi modulano la tensione continua ad alta frequenza per poterla poi trasferire, con perdite minime, a un altro livello di tensione utilizzando induttanze relativamente piccole. I convertitori che generano tensioni più elevate (ad es. 50 V) a partire da tensioni più basse (ad es. 12 V) sono denominati convertitori elevatori o step-up. Se invece si desidera ridurre la tensione, si utilizza, secondo lo stesso principio, un convertitore step-down o «downconverter». Nella maggior parte dei casi si combinano entrambi i sistemi per poter caricare batterie di diverse dimensioni, ad esempio da 1 a 12 celle. Con tali convertitori, che tra l’altro funzionano con rendimenti intorno al 90%, è possibile regolare in modo flessibile e in base alle esigenze sia la tensione di ingresso che quella di uscita. Ciò vale anche per la tensione di alimentazione in ingresso. Essa può variare in un ampio intervallo, anzi deve farlo, poiché con potenze di carica nell’ordine dei kilowatt non ha molto senso alimentare il convertitore con soli 12 V. Con valori di corrente a tre cifre, i cavi di alimentazione si trasformerebbero ben presto in fili incandescenti. I produttori raccomandano quindi di utilizzare fonti di tensione fino a 48 V. Gli alimentatori integrati direttamente nell’alloggiamento del caricabatterie sono solitamente progettati con una potenza inferiore rispetto agli alimentatori a commutazione separati.

La multifunzionalità, ovvero la capacità di ricaricare tutti i tipi di batterie più comuni (Pb, NiCd, NiMH, eventualmente NiZn, LiFe, Lilon, LiPo, LiHV), è oggi considerata un requisito imprescindibile per i caricabatterie per modellini. A causa della grande varietà di programmi di ricarica disponibili, questi dispositivi non riescono a funzionare completamente senza l’intervento umano. Il compito di un caricabatterie realmente automatico sarebbe quello di identificare la batteria collegata in base al tipo (tecnologia delle celle), al numero di celle e alle loro dimensioni. Al momento ciò non è ancora possibile. A questo proposito, l’elettronica dipende dai dati inseriti dall’utente. In alcuni ambiti, tuttavia, i caricabatterie moderni sono già in grado di fornire suggerimenti che l’utente può poi confermare o correggere. A sua volta, il dispositivo verifica la plausibilità dei dati inseriti dall’utente. La limitazione della corrente di carica funziona già in modo ottimale. Ciò avviene tramite la misurazione della resistenza interna della batteria collegata. Anche il riconoscimento autonomo del numero di celle è possibile solo in misura limitata, poiché la tensione della batteria non dipende solo dal numero di celle, ma anche dal rispettivo stato di carica. Nel caso delle batterie LiPo, se non è collegato alcun cavo di bilanciamento, la funzione è efficace fino a circa quattro celle. I caricabatterie universali, come quelli attualmente in uso nel modellismo, richiedono i dati di input sopra menzionati, ma poi ricavano dai valori di tensione di carica, corrente di carica e tempo di carica tutte le informazioni necessarie per determinare lo stato di carica della batteria collegata. Nel caso delle celle NiXX, un monitoraggio aggiuntivo della temperatura sarebbe sicuramente utile, ma spesso se ne fa a meno a causa della necessità di un sensore di temperatura esterno. In tutti i casi, è un microprocessore a gestire l’interazione di questi parametri. Nella maggior parte dei caricabatterie, il comando avviene tramite i consueti quattro pulsanti. Tuttavia, risulta evidente che un comando a pulsante singolo (rotella di scorrimento con funzione a scatto) possa offrire soluzioni più comode.

Il display facilita la navigazione nel menu e fornisce informazioni sulle operazioni in corso. In realtà, l’elettronica controlla solo la corrente di carica, in funzione delle altre grandezze misurate.

Nel caso delle batterie LiXX sensibili alla tensione, è necessario un monitoraggio delle singole celle, anche se negli ultimi anni le celle delle batterie sono diventate sempre migliori – ovvero più uniformi – e sono state integrate da un bilanciatore che compensa il più possibile le differenze presenti nella fase finale della ricarica. Ciò comporta anche l’esigenza che il dispositivo di bilanciamento sia in grado di funzionare con correnti adeguate. Per molto tempo 0,3 A sono stati considerati sufficienti. L’aumento delle correnti di carica realizzabili, che raggiungono valori a due cifre in ampere, fa apparire adeguato un adeguamento a 1 A per canale.

Da tempo ormai, quando si tratta di ricarica, non basta più dire «Una ricarica completa, per favore!». Un caricabatterie deve innanzitutto verificare se la batteria collegata è in uno stato che ne consenta la ricarica (ad esempio tramite il programma di precarica al litio). A volte si desidera scaricare la batteria o portarla in uno stato di carica adatto allo stoccaggio tramite il programma di stoccaggio. I cosiddetti

I programmi di manutenzione o di ricondizionamento risalenti all’era NiXX continuano a godere di una certa popolarità, anche se, nel migliore dei casi, risultano semplicemente «inutili» per la maggior parte delle batterie odierne. Occorre considerare con occhio critico anche i cosiddetti programmi di ripristino, il cui compito è quello di «rimetter in sesto» batterie già danneggiate. Sebbene non si tratti di un’impresa discutibile nemmeno nel caso delle batterie al litio, le istruzioni per l’uso non devono suggerire che tali operazioni possano essere eseguite in modo sicuro senza la supervisione umana.

L’intrattenimento è sempre di moda. I caricabatterie che parlano e canticchiano sono già tra noi. I moderni display dei caricabatterie si sono trasformati in veri e propri chiacchieroni. Mostrano la corrente e la durata della ricarica, la capacità caricata o scaricata, tutti i valori delle celle, la tensione, la sua andamento, la posizione all’interno del gruppo di celle, i valori estremi e quelli differenziali. Chi pratica il modellismo aereo apprezza particolarmente essere informato anche sulla resistenza interna delle proprie batterie. In linea di principio, un microprocessore è in grado di analizzare, correlare e visualizzare tutti i dati, nonché di salvarli su qualsiasi supporto di memoria per un utilizzo successivo. Le connessioni Bluetooth con il cellulare garantiscono la libertà di movimento durante la ricarica della batteria. Chi lo desidera può visualizzare e analizzare il processo di ricarica sul PC, sia in tempo reale che in un secondo momento. L’utilità di tali funzionalità è talvolta oggetto di discussione. Il controllo della temperatura della ventola integrata, invece, è indiscutibilmente considerato un fattore che preserva la tranquillità. Nessuno oggi ha nulla da obiettare riguardo a una presa USB aggiuntiva che fornisce 5 V per ricaricare, ad esempio, uno smartphone.

La presenza di un numero sufficiente di slot di memoria, in cui è possibile salvare i parametri di ricarica delle batterie utilizzate più di frequente e richiamarli all’occorrenza, può essere considerata un fattore che aumenta sia il comfort che la sicurezza. In questo modo si evita di doverli reinserire ogni volta (un problema ricorrente), operazione che comporta sempre il rischio di errori. Il collaudato sistema a chip BID (Batterie IDentifizierung), introdotto all’epoca da Robbe, perseguiva proprio questo scopo. Sulla base delle curve di carica memorizzate è possibile, ad esempio, valutare l’andamento delle prestazioni delle batterie e individuare eventuali errori di trattamento commessi in passato.

Chi desidera ricaricare più batterie contemporaneamente può ricorrere a un caricabatterie multiplo, ma ultimamente può anche utilizzare una scheda di ricarica in parallelo (para-board). In quest’ultimo caso, naturalmente, la ricarica simultanea è limitata alle batterie con lo stesso numero di celle. Grazie alle resistenze di disaccoppiamento tra i singoli terminali delle celle, le correnti di compensazione rimangono entro limiti accettabili.

I caricabatterie per modellini formano una vera e propria società a classi. Nella «classe economica» si trovano quei dispositivi in grado di caricare batterie al litio fino a un massimo di 3...4s. Appartengono al settore dei principianti o dei giocattoli. Chi desidera dedicarsi seriamente al volo elettrico, troverà più vantaggiosa la «classe economica». Questa è adatta per LiPo fino a 6s (ovvero 15 celle NiXX o 10 celle Pb). La tensione massima che i convertitori di tensione integrati devono generare in questo caso è di circa 26 V. In questo intervallo di tensione, i produttori possono ricorrere a componenti a semiconduttori economici (la situazione è molto simile anche per i regolatori di velocità). Le correnti di carica indicate raggiungono già valori fino a 20 A. Ma attenzione: sono soggette a riserve di prestazione. Un caricabatterie da 150 watt (W) raggiunge, al massimo numero di celle, solo $150\text{ W}/26\text{ V} \approx 6\text{ A}$ . I dispositivi in grado di gestire batterie LiPo da 8...10s rientrano nella categoria «Economy Plus». Vale la pena dare un’occhiata alla potenza offerta. 300...500 W sono considerati adeguati.

La «Business Class» opta solitamente per la soluzione prevedibile di offrire coppie di uscite di ricarica da 6...8s. La tensione di uscita rimane al di sotto dei 35 V, il che non fa ancora esplodere i costi dei componenti. Uno svantaggio da considerare è che i pacchi batteria, se contengono più del numero di celle indicato, devono essere divisi durante la ricarica.

Per i caricabatterie di «First Class», il fattore costo va considerato, in un primo momento, come secondario. Ciò è del tutto giustificabile sia dal materiale di costruzione necessario che dalle dimensioni del lotto. Il livello massimo di tensione all’uscita di carica è limitato a 60 V CC dalla direttiva europea sulla bassa tensione. Ciò consente di caricare completamente batterie LiPo da 14s. Di conseguenza, la potenza di carica di tali dispositivi deve essere misurata in kilowatt (kW).

Come rappresentante di questa classe di dispositivi si propone il Pulsar 3 (+) di pp-rc. Questo “Rolex” tra i caricabatterie si avvale in parte di una tecnologia di ricarica modificata, orientata a standard professionali. Per le batterie NiXX è possibile scegliere tra la ricarica Reflex e il riconoscimento delicato della carica completa Inflex. Anche le batterie al litio possono essere sottoposte a impulsi Reflex. Grazie alla tecnologia di ricarica a impulsi, le batterie raggiungono più rapidamente la tensione di fine carica, con un effetto decisamente positivo sull’invecchiamento. Ciò richiede tuttavia un sistema di misurazione interno molto preciso e autocalibrante. Il sistema di bilanciamento non funziona con un valore di corrente fisso, ma in modo quasi analogico, in modo da poter equalizzare anche batterie con differenze di tensione tra le celle più elevate. Sì, e tutto questo varrebbe già di per sé il prezzo da intenditori.