Assemblare una batteria LiFePO4 a 12 Volt con una capacità da circa 1000 Amperora con:

12 Celle EVE MB31 ( 314 Ah nominali ) posizionate in verticale

BMS JiKong JK-B2A8S30P-HCRPB da 300 Ampere

Bilanciatore attivo da 2 Ampere

Compressione meccanica > 3000 N (300 KgF )

Sistema automatico di riscaldamento per l'utilizzo anche in climi rigidi

Comando manuale di emergenza per lo sgancio completo o per il Bypass del BMS

Lo schema delle celle sarà 4S3P Ma per quale motivo si deve assemblare in proprio una batteria LiFePO4 quando esistono offerte di tutti i tipi e per tutte le tasche?

Leggendo la scheda tecnica emessa di produttori di celle prismatiche, emergono due notizie "fisiche" importanti:
Si consiglia che le celle devono essere posizionate in verticale sia durante l'utilizzo che durante il rimessaggio.
Le celle devono avere una compressione meccanica sulla superficie grande che va da 3000 a 7000 Newton, significa che dobbiamo comprimerle tra i 300 e i 700 KgF ( Kilogrammi forza ) ma in modo che questa compressione sia attiva durante tutta l'escursione della cella che, durante le fasi di carica e scarica, si gonfia e si sgonfia di ben oltre 1 mm per cella.

Aprendo le batterie commerciali ( o guardando i video di chi le ha aperte ) emerge uno scenario sconfortante, non tutti posizionano le celle in verticale e praticamente nessuno fa una compressione seria delle celle come "raccomandato" dai produttori di celle.

La prima cosa che serve è un progetto che permetta di utilizzare due spesse piastre di alluminio per comprimere le celle alla forza desiderata, queste piastre saranno collegate tra loro da aste filettate che da una delle due parti saranno equipaggiate con "molle di carico" capaci di dare la giusta pressione e di mantenerla per un certo intervallo di deformazione della cella.

Il progetto prevede di utilizzare celle prismatiche della EVE modello MB31 da 314 Ah "nominali" ( ma arrivano anche a 335 Ah ) che hanno dimensioni abbastanza standard ( 207,2(±0,5) x 173,7(±0,5) x 71,7(±0,8) mm ) utilizzate anche da altri produttori di celle.

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Da questo disegno emergono quattro terne di celle in parallelo collegate in serie tra loro, risultato finale 12,8 Volt e oltre 1000 Amperora.
Il contenitore ricoperto di blu di ogni cella è collegato al suo positivo, quindi le tre celle non devono essere isolate tra loro, ma le quattro terne devono essere dotate di un foglio di vetroresina isolante.

Il fusibile di protezione da 400 Ampere deve essere di "Tipo T" perché una litio in corto può erogare migliaia di Ampere, quindi serve quel modello che è messo in una posizione strategica, se succede qualcosa di spiacevole ai cablaggi o al BMS, lui può interrompere la corrente.

Il collegamento elettrico permette di avere un bilanciamento perfetto delle correnti, qualunque percorso si tracci dal positivo al negativo, avremo sempre l'attraversamento di quattro celle e di undici barre di rame di collegamento.

le linee marroni rappresentano due piastre di alluminio spesse 10 mm delle dimensioni di 400 x 250 mm.
Queste piastre serviranno per fare un sandwich di celle con dieci barre filettate dotate di molle che fanno la compressione.

I dieci cerchi marroni del disegno qui sotto rappresentano i fori dove andranno a lavorare le dieci aste filettate dotate di molle...


I fori saranno tutti a 8 mm dal bordo della piastra di alluminio in modo da poter forare in modo vantaggioso i sei tubolari quadri che poi sorreggeranno i 67,5 Kg di peso delle 12 celle.

Molle? Eccole...
20 mm di lunghezza, 14 mm di diametro e il foro centrale è di 7 mm, sì ma quanta forza possono generare?

Questo semplice apparecchio è formato da un lungo bullone a testa tonda capace di scorrere liberamente nell'esagono forato stretto nella morsa in modo da comprimere la molla tra le due rondelle.
Il bullone viene poi fissato ad una lunga asta filettata per permettere di applicare una forza verso il basso e di misurare col calibro cosa sono diventati i 20 mm originali della molla non compressa... Applicando 60 Kg di peso la molla passa da 20 m a 18 mm, quindi durante il montaggio potremo partire da delle celle scariche completamente piatte e NON rigonfie e premere con un dado sulle molle finché non avremo le molle stesse compresse fino a 18 mm, questo comporterà 60 x 10 = 600 Kgf di compressione totale su tutta la piastra cioè 300 Kgf per ogni pacco di sei celle prismatiche, ma solo a celle scariche, poi aumenta.
Questa compressione aumenterà con la ricarica della batteria fino a espandere le celle fino ad un massimo di circa 3,5 mm totali che dovrebbe far rimanere la compressione entro i 700 Kg per ogni metà della piastra di alluminio.
Si renderà necessaria una verifica col calibro durante i test elettrici di carica e scarica della batteria.

Si comincia a procurare un po' di... ferramenta


Si abbozza la forma finale della batteria, sarà un parallelepipedo di mm 550 ( forse meno... ) x 400 con altezza 250, più qualche millimetro per lato dovuto al rivestimento di alluminio, forse 5 mm.
La piastra di alluminio in foto è una delle due che andrà a comprimere le celle tramite 10 tiranti e 10 molle di carico.
La piastra posteriore in foto sarà fissa rispetto al telaio, mentre l'altra anteriore ( che ancora non c'è ) dovrà essere mobile e poter scorrere nei ferri a L 40x20 in modo da compensare le escursioni dimensionali delle celle.

Ora si comincia a intravedere come sarà il meccanismo di compressione basato su 10 aste filettate inox da 6 mm e da 10 molle di carico.

Viti Drenky su piastra esterna filettate 6 mm e foro 8 mm
Vano celle organizzate in 6 righe e 2 colonne

In soli 12 mm di spessore alla base dovranno entrarci i 4 tiranti in basso, le sei aste di acciaio ( 12 x 12 mm ) che dovranno sorreggere le celle e anche i tappetini riscaldanti in silicone comandati direttamente dal BMS.

Le sei aste saranno forate in modo che i tiranti possano passarci in mezzo, ogni asta è posizionata nel punto di mezzo di due celle affiancate, quindi sei aste per sorreggere 12 celle.

85,5 Kg di batteria andranno spostati in qualche modo, inoltre dovranno anche essere fissati saldamente al pianale del camper, quindi si allestiscono quattro fori filettati dove poter inserire golfare oppure bulloni per fissarci degli spezzoni di catena a formare due o quattro robuste maniglie.

Maschiatura M8 con piccola piastrina di ringrosso del materiale per raggiungere 6 mm di spessore
Quattro punti di sollevamento
Per ora sono solo 3, ma alla fine ci saranno sei tubolari quadri 12 x 12 mm che sorreggeranno 2 celle al litio ciascuno.
Tra gli spazi vuoti ci andranno dei tappetini riscaldanti in silicone gestiti direttamente dal BMS

... ci siamo quasi...

Le dimensioni finali sono 530 x 413 x 260(h) millimetri

Serve una escursione elevata per gestire il rigonfiamento che può arrivare anche fino al 3%, quindi una sola molla non è più sufficiente a garantire la compressione su tutta l'escursione che può arrivare anche a 1,5 cm su sei celle, per cui si raddoppiano le molle di carico che saranno 20 in tutto invece di 10, con poca spesa aggiuntiva si ha una maggiore sicurezza.

Le due piastre di alluminio saranno distanti tra loro 43 cm circa, che poi sarebbe lo spessore di sei celle con tre isolanti in vetroresina.


La batteria dovrà essere fissata saldamente al pianale del camper, quindi due fori filettati M8 in basso aiuteranno a fissarla in modo stabile con due robuste staffe a L.

Ecco come appare la parte bassa della batteria, si vedono i sei tubolari quadri 12 x 12 mm forati per farci passare le 4 aste filettate inox di 6 mm inferiori, questi sei tubolari sorreggeranno i 67,5 Kg delle 12 celle prismatiche.

I lavori procedono.
( per fortuna hanno inventato lo stucco )

La piastra a sinistra è fissa, mentre quella a destra si può muovere per assecondare il rigonfiamento delle 12 celle prismatiche LiFePO4.
Le celle saranno compresse a 3000 N ( 300 KgF ) dalle molle di carico
Contatti elettrici da 400 Ampere, in mezzo alle 20 molle ( 10 x 2 ) c'è lo spazio per il BMS
A destra ci andrà un fusibile da 400 Ampere in Classe T sul positivo.
Si confermano le classiche
EVE MB31
che garantiranno un totale di circa 1000 Ah.

Vernice rossa antiruggine, le parti in alluminio mandorlato saranno incollate, avvitate e rivettate.

Sgrossatura dei passaggi per i cablaggi sulla piastra mobile.

Montaggio definitivo delle parti.


La connessione delle celle va fatta in modo corretto perché si lavora con resistenze di contatto, ma anche interne alle celle, dell'ordine dei milliOhm.

Tutte le superfici di contatto elettrico devono essere perfettamente spianate, pulite e serrate con la coppia corretta.

EVE MB31 ( 207,2(±0,5) x 173,7(±0,5) x 71,7(±0,8) mm )
Quindi si deve:
- Spianare la superficie di contatto ( cella, BusBar, capocorda, morsetto ecc... ) incollando cartavetrata del 1000 su un piccolo blocchetto piano.
- Lucidare la superficie con mola di panno.
- Pulire con Alcool isopropilico.
- Serrare con chiave dinamometrica.

... MA ...

Nella configurazione 4S3P abbiamo delle terminazioni V3 delle celle che non lavorano tutte allo stesso modo, ci sono dei fori che hanno un BusBar, altri che ne hanno due e anche delle terminazioni con un BusBar e un capocorda, questo significa che lo spessore può essere diverso.

Nelle figure A e B si può notare che il foro filettato non viene usato nella sua interezza ( parte azzurra ) a causa del diverso spessore di ciò che ci si connette, inoltre le viti Inox in dotazione alle celle hanno una robustezza inutilmente maggiore del terminale di alluminio al quale vengono avvitate, di contro l'Inox è un pessimo conduttore sia termico che elettrico.

La soluzione C si avvale di un piccolo pernio filettato di ottone che viene avvitato a mano fino in fondo al foro azzerando così la parte inutilizzata della filettatura ( niente parte in azzurro ).
Il bloccaggio avviene con un dado, sempre di ottone, serrato con chiave dinamometrica.

... e poi la sicurezza ...

Un commutatore a tre posizioni ( 1 - OFF - 2 ) permetterà di avere la batteria normalmente collegata, però sarà possibile anche una rapida disconnessione elettrica.
In caso di guasto al BMS sarà possibile eseguire un Bypass collegando le celle direttamente all'uscita, senza protezione alcuna, a parte un fusibile ANL da 250 Ampere che connette questo Bypass che, in ogni caso, sarà da usare solo in caso di vera emergenza e anche con estrema cautela.


Schema elettrico dei cablaggi di potenza


Altro materiale...

Crimpatrice "a martello" per i capicorda.

Commutatore 1-0-2 a tre posizioni:
1) Funzionamento normale della batteria.
0) Batteria scollegata ( sul polo negativo ).
2) Bypass del BMS ( solo per emergenza ).

Foratura e filettatura della "piastra mobile", quella che ospiterà tutti i componenti.
Dall'atra parte i fori verranno stuccati con stucco a ferro, questo per creare una superficie liscia che poi dovrà comprimere le celle.

Posizionamento finale di tutti i componenti.
il BMS è sollevato di 24 mm per non scaldare le celle e per creare un passaggio per i cablaggi.

E ora pensiamo all'isolamento elettrico della base delle celle che prevede anche il sistema di riscaldamento gestito direttamente dal BMS
Vengono usati quattro tappetini da 12 Volt / 20 Watt ciascuno... troppi.
Il collegamento sarà "a ponte" ( ...di Graetz ) in modo da avere sempre 20 Watt totali ma suddivisi su tutti e quattro i tappetini, ciascuno dei quali scalderà 5 Watt soltanto, evitando quindi temperature troppo elevate e consumi... esosi.

Ecco lo schema... topografico che permette di distribuire il calore sulle 12 celle al litio in modo abbastanza equilibrato.

Ecco i pannelli in vetroresina bloccati tra loro da nastro isolante, sempre in vetroresina, con dentro i quattro tappetini isolanti di silicone.

Dentro il box viene così, a destra ci andrà la piastra mobile tenuta a pressione dalle 20 "molle di carico" con sopra fissati il BMS, i fusibili e il commutatore.

Le sei viti a brugola terranno il tappo di alluminio che è già stato realizzato.
Sul lato desto e sinistro ci sono due "pioli" centrali che terranno sollevato il tappo, questo permetterà un piccolo passaggio di aria per la ventilazione della batteria attraverso due fessure alte 4 millimetri e larghe 360 millimetri.

Il collegamento a ponte e i cablaggi sono realizzati con fili al silicone resistenti al calore, recuperati da una vecchia lavatrice.

Mancano solo le 12 celle e i cablaggi.
Da notare le fessure verticali laterali per l'areazione.


Batteria chiusa, sopra ci sono i 4 fori filettati M8 per installarci delle golfare provvisorie per facilitare la movimentazione della pesante batteria.

Il frontale sarà di alluminio mandorlato ma con la parte liscia verso l'esterno.



Per ora, celle escluse, siamo messi così...

Pronti per i cablaggi interni della batteria.

Cavi ultraflessibili da 16 mm² (3 m) e 50 mm² (1 m).
I capicorda sono 12 da 16 mm², 2 da 35 mm² e 12 da 50 mm², i fori per la vite sono da 6 mm, 8 mm e 10 mm.

Crimpature & saldature dei capicorda ai cavi.

Primi cablaggi di potenza.

Inizio del frontalino, ben accessibile il commutatore On-Off-BypassBMS, mancano il buzzer luminoso e altri LED di segnalazione.
La sottile cornice nera che sorregge il display è fatta di.... mattoncini Lego

Impianto elettrico dei LED di segnalazione

I cablaggi che portano il positivo, provenienti dai capi del fusibile da 400 Ampere, sono di silicone resistente al calore e in più sono inseriti in una ulteriore protezione in gomma.

Il frontalino comincia a delinearsi.
Morsetti principali da 300 Ampere   [ P- ]    [ P+ ]

Display JiKong da 3,2"
Allarme sonoro e visivo
Commutatore rotativo da 300 Ampere [ON]  [OFF]  [Bypass BMS]
Fusibile automatico ripristinabile Heating da 12 Ampere
Switch rapido [OnOff Heating]

Led Heating, [rosso/arancio = fusibile automatico ripristinabile da 12 Ampere aperto]    [verde = Heating da 20 Watt in funzione]
Led Main [rosso/arancio = fusibile da 400 A in classe T guasto]  [verde tenue = batteria attiva]
Led Bypass BMS [rosso = fusibile ANL da 250 Ampere guasto]

seguirà serigrafia completa del frontalino.

Per sicurezza i due cavi grossi che portano il 12 Volt, cioè quelli che vanno ai capi del fusibile in "Classe T" da 400 Ampere, alle celle e al polo positivo di uscita, sono stati rivestiti con una tela di vetroresina resistente fino a 600 gradi.

Qualche cablaggio è più complesso degli altri.

Gli altri fili neri pù piccoli sono relativi al polo negativo e l'isolamento in alta temperatura non è necessario.

Sono arrivate le 12 celle EVE modello MB31 dotate di polo V3 a doppio foro.
I tre colori (rosso, verde e marrone) con i quali sono state contrassegnate le celle, si riferiscono alle tre scatole che le contenevano.
Per un discorso di bilanciamento ogni terna di celle in parallelo sarà composta da tre celle provenienti da tre scatole diverse.

Il bilanciamento non può avvenire ricaricando le celle non compresse, quindi 12 fili sottili sui negativi le tengono in parallelo per qualche giorno in modo da limitare la corrente di allineamento, i positivi invece sono in parallelo (provvisorio) con le barrette flessibili.
Alla fine di questo periodo saranno pronte per l'assemblaggio, saranno tutte cariche al "Delivery SOC".

Dopo soltanto 24 ore la tensione di ciascuna delle 12 celle si è stabilizzata a 3,251 Volt, resteranno in parallelo per qualche altro giorno ancora, ma soprattuttto la tensione di ciascuna cella dovrà essere misurata scollegandola dal parallelo.
I fili sottili sui negativi sono praticamente delle resistenze limitatrici della corrente.

Si cominciano ad allestire le quattro trene di celle MB31 in parallelo.
Un foglio di vetroresina dello spessore di 1 mm (che poi verrà rimosso) serve a lasciare lo spazio necessario all'espansione delle celle che sono bloccate tra loro da dei pezzi di nastro adesivo in vetroresina che connette la parte inferiore e i due lati verticali di ogni cella.
Le facce grandi non hanno nastro adesivo perchè saranno interessate dalla compressione e non ci devono essere scalini di sorta.
Le tre celle sono in parallelo e qiuindi non deve esserci nessun isolante elettrico tra loro.

Le terne di celle sono collegate tra loro in parallelo, prima del collegamento la tensione delle tre celle risultava identica.
Ogni terna è composta da celle provenienti da scatole diverse, contrassegnate con i colori marrone, rosso e verde, ma il collegamento è provvisorio, sia le barre flessibili di rame che i poli delle celle MB31 saranno lisciati con carta vetrata del 1000, poi lucidati e infine puliti con alcool isopropilico, quindi serrrati con chiave dinamometrica a 5 Nm.
La coppia massima dichiarata sulla scheda tecnica delle celle è 6 Nm, ma siccome sui poli V3 ci sono doppie viti non serve arrivare al massimo consentito.

Le terne di celle vengono preparate con l'isolante in vetroresina che sarà tra le celle di destra e quelle di sinistra, gli altri isolanti, quelli soggetti a compressione, non saranno bloccati col nastro di vetroresina (che genererebbe scalini) ma saranno liberi, seppur con posizione obbligata.

La batteria comincia ad assumere un aspetto definitivo, manca ancora la compressione e i collegamenti elettrici che saranno protetti da quattro canalizzazioni da elettricista.



Quattro canaline da elettricista isolano perfettamente i 24 poli delle 12 celle, in seguito saranno tappate dal loro coperchio.
I cablaggi sono stati completati con i fili del bilanciamento e dell'alimentazione del BMS, la batteria è stata accesa e segna il 66% della capacità.
Tramite l'APP della JiKong è stata cambiata la password e inserito i primi rudimenti del setup necessari al corretto funzionamento.

La batteria funziona.



Siamo arrivati qui...
Ma 85,5 Kg sono ingestibili, quindi i due tiranti superiori di sinistra sono stati divisi in due pezzi usando due barilotti filettati M6

Questo permette di dividere in due quelle aste filettate Inox M6 che premono le piastre tramite le molle di carico, quindi poter togliere le quattro terne di celle lasciando solo la struttura in acciaio e alluminio, il BMS e tutti i cablaggi.



Ecco le quattro terne di celle da 16,9 Kg ciascuna, una semplice maniglia permette di movimentarle in sicurezza.
Ogni cella è stata numerata da 1 a 4 per consenirne un corretto riposizionamento nella batteria.

E questa è la batteria con i due tiranti di sinistra smontati (sono rimasti solo 18 Kg), dallo spazio che si è creato sono state sfilate, una alla volta, le quattro terne di celle in modo da suddividere il peso totale di 85,5 Kg in cinque blocchi più leggeri.

Sarà questa struttura che dovrà essere fissata saldamente al camper e poi ricomposta in loco, soprattutto la compressione delle celle a 300 Kgf.
I cablaggi del BMS e del bilanciatore attivo da 2 Ampere sono composti dal filo nero di massa, dai fili intermedi contrassegnati con 1,2 e 3 linee gialle sul filo e infine il filo con 4 linee gialle collegato insieme al filo che alimenterà il BMS direttamente dai 12 Volt della batteria.



Due profilati rettangolari in ferro di 30x40 mm consentono di sollevare la panca passeggeri di 4 cm, portandola al pari del sedile guida, ma anche di bloccare saldamente la batteria al pianale sfruttando i due fori filetttati M8 predisposti in prcedenza sulla parte bassa della batteria.
Su questi profilati sono stati saldati due "tappi" di 30x40 mm e inoltre dentro i tre fori sono stati saldati dei tubi di ferro per evitare lo schiacciamento del profilato rettangolare quando si serrano i bulloni.

I due fori ai vertici fisseranno la panca al pianale, mentre il foro decentrato fisserà la batteria ai profilati (e di conseguenza al pianale).

La batteria è stata fissata al pianale del camper con due profilati che solleveranno anche la panca passeggeri di 4 cm, ma è senza celle che ora vanno rimontate.

Le due aste inox filettete M6 scomponibili hanno permesso di aprire il varco necessario e reinserire le terne di celle nel box.
Per motivi di sicureza è stato messo sulle terne di celle un isolante in plastica (canaletta da elettricista) durante il montaggio e lo smontaggio della maniglia, questo serve a scongiurare movimenti improvvisi delle piastre di alluminio e il conseguente corto circuito.

Lo schema disegnato sulla parte inferiore del coperchio aiuta al corretto riposizionamento delle terne di celle, in questo momento viene inserito il blocco numero due, mentre i blocchi (terne di celle) tre e quattro sono già al loro posto.

Le celle vengono compresse alla giusta forza (>=3000 N) che precedentemente è stata calcolata (sperimentalmente) con la compressione delle coppie di molle di carico " marroni " da 40 mm a 36 mm.
Un blocchetto della misura corretta (mattoncini Lego) semplifica la taratura delle molle sul posto, infine dado e controdado di bloccaggio definitivo.
La compressione è fatta, ora si può procedere ai collegamenti elettrici.

Le viti sulle celle vengono serrate a 5 Nm.

La batteria è completamente riassemblata e funzionante.

La prossima cosa da fare è rimontare la panca passeggeri e colegare la batteria all'impianto elettrico del camper.

La panca ci va a pennello, ora servono solo i (ri)collegamenti elettrici degli MPPT e poi la batteria potrà essere connessa all'impianto elettrico del camper, servirà effettuare il settaggio degli MPPT compatibile con la nuova batteria LiFePO4, probabilmente il solare sarà l'unico metodo di ricarica della batteria, l'alternatore tramite un DC DC Charger è presente ma si deve abilitare con un interruttore perchè serve solo per l'emergenza.

L'ingombro è quasi uguale alle due vecchie AGM.