Domande a cui cercheremo di rispondere
Sai quante celle di batteria hai nella tua batteria per bicicletta? Conta?
Lo sapevi che potresti avere fino a 40-60 celle?
Perché una batteria di e-bike con 40 celle può limitarti nella potenza massima che può fornire un certo motore?
Perché il motore Avinox M2S, che può offrire max 1500W, è limitato a 1300W su alcuni modelli di biciclette? È colpa della batteria?
Quante batterie ha la batteria Avinox FP700 e di che tipo?
Qual è la storia di queste batterie? Provengono dall'industria automobilistica? Hanno qualche legame con Musk?
Perché l'Avinox FP700 può offrire 1500W a un motore e le altre no?
Cosa hanno in più?
Cosa hanno in meno?
Informazioni sulle celle di batteria nelle batterie di e-bike
La maggior parte dei produttori di batterie di e-bike utilizza le convenienti e collaudate, comprovate nella pratica, 21700. Cosa ci dice questo codice, questa denominazione?
Innanzitutto le dimensioni:
- Diametro: 21 mm
- Lunghezza: 70 mm
Essendo una batteria al litio, la sua tensione nominale è di 3.6V. È una convenzione tecnica perché in realtà, quando è completamente carica, arriva a 4.2V e si scaricherà fino a un minimo di 2.5V o anche prima, a seconda di come è programmato il controller BMS (Battery Management System), per lasciare un po' di energia almeno per il controller, per mostrarti la strada di casa eventualmente.
Per alimentare il motore elettrico con 36 V abbiamo bisogno di 10 di queste batterie in serie, giusto?
3.6V x 10 batterie in serie = 36V
E abbiamo risolto il problema della tensione. Inoltre avremo una batteria snella di 2 cm di diametro e 70 cm di lunghezza, non entra molto nel downtube, ma se le raggruppiamo in 6 e impilando 7 di questi pacchetti, ci starebbero.
Perché i telai sono così ingombranti per fare spazio alle batterie quadrate delle e-bike? Perché è così snella l'Avinox FP700?
Immagine dell'Avinox FP700:
Dimensioni:
Lunghezza: 558.5 mm
Larghezza: 59.1 mm
Altezza: 56.1 mm
Quali batterie utilizza Avinox FP700?
Alcune immagini comparative delle celle Avinox 50480 rispetto alle classiche 21700:
Un po' diverse, vero?
Con queste celle si può ottenere una forma quasi cilindrica per una batteria di e-bike.
Certo, per fare spazio ai complessi circuiti di misurazione, connessione e gestione delle celle, è necessario un po' di spazio tra le batterie ma anche attorno a loro.
Le celle disposte in una batteria FP700 in un telaio trasparente di Amflow PX
Queste celle sono state viste in una presentazione Tesla.
Hanno una costruzione speciale chiamata Tabless, che riduce drasticamente la resistenza interna collegando gli elettrodi metallici su tutta la loro lunghezza a entrambe le estremità, non solo all'inizio e alla fine come le 21700.
Dimensioni e capacità che hanno permesso a Tesla di ridurre il numero di celle da 7000 a meno di 1000 in un'auto elettrica:
Per gli appassionati, puoi vedere come è costruita una batteria del genere, quelli di Munroe le smontano e mostrano i principi di funzionamento e fabbricazione tabless: https://www.youtube.com/watch?v=VEBY7rEUZiI
Ma se mettiamo 10 batterie 4680 in serie senza altri distanziatori otteniamo una batteria di almeno 800 mm di lunghezza e non entrerebbe molto nel downtube.
Dalle specifiche vediamo che l'Avinox FP700 ha in totale 558 mm.
Ampace 50480
Continuando le ricerche, ho scoperto che è una batteria custom 50480, realizzata da Ampace appositamente per Avinox, che offre una densità di energia di 220Wh/kg. Vedi il comunicato stampa: https://en.prnasia.com/releases/global/-c-o-r-r-e-c-t-i-o-n-ampace--529515.shtml
“Una cella supera sei celle standard 21700” una cella 50480 fa quanto 6 celle 21700 collegate in parallelo.
La capacità nominale è di 19.4 Ah rispetto a 4 Ah per una cella 21700.
Essendo quasi cilindrica, la batteria Avinox FP700 è l'unica batteria al mondo che può entrare molto bene nel downtube dell'Atherton:
A proposito, poiché utilizzano solo profili cilindrici nel telaio, Atherton può offrire 12 misure ai clienti in base alle dimensioni personali uniche di ogni rider. Con un Atherton non puoi lamentarti di non avere una posizione corretta sulla bici.
Di quante batterie abbiamo bisogno in una batteria di e-bike?
Torniamo alla nostra serie di 10 batterie, avevamo appena risolto il problema della tensione di 36V.
Basta mettere 10 batterie 21700 in serie? Calcoliamo quale corrente e quale potenza può offrirci una batteria con 10 batterie 21700 in serie.
Essendo collegate in serie, vedi la legge di Ohm (sei uomo con me, sono uomo con te, vero?), la corrente massima che si può ottenere è quella di una sola batteria.
La capacità di questi tipi di batterie è compresa tra 3000 mAh e 6000 mAh (dipende dal produttore), dal lotto e naturalmente dal prezzo.
Prendiamo una batteria 21700 come modello, non facciamo nomi perché ce ne sono molte, il cui corrente nominale di scarica è 4000 mA.
Ma, secondo i dati del catalogo, possono estrarre da essa anche 35A in continuo o addirittura 45A ma limitando la temperatura a 80 gradi, come scritto nel catalogo.
La bellezza delle batterie al litio è che possono offrire una corrente molto alta quando è necessario un picco, decine di volte superiore alla corrente nominale, potendo raggiungere potenze massime incredibili, solo che dobbiamo fare attenzione alla temperatura della batteria e inoltre il tempo di utilizzo si ridurrà drasticamente, per non parlare della tensione che scenderà drammaticamente con l'aumento della corrente. Se la tensione scende, anche la potenza scende, giusto? Non dimentichiamo che P (W) = U (Volts) x I (Amperes)
Di quanto scende? Circa così:
Per questo si parla di potenza massima, perché non può essere fornita in continuo se non per brevi periodi.
Ma quanto tempo posso utilizzare una batteria completamente carica (quella dell'esempio)?
Se consumerò solo 1A, la batteria mi terrà 4 ore.
Se consumerò 4A, mi terrà solo un'ora.
Che potenza possiamo ottenere a 4A?
La potenza P=U x I=36 V x 4 A = 144 W quindi ci manca "un po'" per arrivare a 1500 W, vero?
Finora abbiamo scoperto che una serie di 10 batterie non è sufficiente per raggiungere 1500W ma solo 144W... Quali soluzioni abbiamo per aumentare la potenza?
Quante batterie ci servono in una batteria di e-bike?
Mettiamo anche in parallelo batterie 21700, non solo in serie!
Cioè 10 in serie per avere 36V al motore e 4 in parallelo. Questa combinazione si chiama 10S4P, 10 in serie e 4 in parallelo.
Abbiamo risposto alla prima domanda, ci servono 40 batterie nella batteria di e-bike per poter ottenere 576W (4 x 144W).
Qui sotto dettagli interni di costruzione di una batteria di Phylion. Come potete vedere è un intero lavoro ingegneristico per collegare le batterie, la loro sicurezza fisica in caso di urti, deformazioni, separazione tra di esse per raffreddamento e sicurezza ma anche un'elettronica avanzata piena di sensori di temperatura, fonti di corrente, comparatori, controllori, che assicurano il buon funzionamento sia in carica che in scarica di ogni cella.
Come risolviamo con la potenza di 1500W?
Ci sembra che siamo ancora lontani dai 1500 W, vero?
Ma poiché sappiamo che possiamo estrarre in picco non solo 4A ma anche decine di ampere dalle nostre celle, quindi se estraiamo non solo 4 A ma circa 12A dalle batterie, scopriamo che possiamo raggiungere in picco 1500W senza problemi. Bene, la batteria si esaurirebbe in circa 17 minuti ma il divertimento sarebbe massimo.
Tuttavia, le biciclette non ci permettono di farlo perché c'è anche il problema del riscaldamento delle batterie, quindi il controller ci permetterà di fornire una potenza massima ma solo fino a raggiungere una temperatura di funzionamento sicura della batteria. E se potessimo abusarne in corrente, non otterremmo molto perché avete visto come scende la tensione quando aumentiamo la corrente, la potenza si autolimiterà dall'equazione P = U x I.
Nei veicoli elettrici, avendo più spazio a disposizione, le celle sono assistite da un sistema di raffreddamento ma anche di riscaldamento quando le temperature sono troppo basse, sappiamo tutti come si scarica la batteria del telefono a sciare se non la teniamo vicino al corpo, al caldo.
Quanto tempo possiamo fornire continuamente 1500W?
Avinox ci offre un grafico in cui vediamo che la potenza di 1500W, disponibile solo con le batterie FP700, può essere fornita solo per 6 minuti dopo di che scende drasticamente.
Se estraiamo solo 1000W, possiamo mantenere questa potenza per 28 minuti.
Praticamente abbiamo visto che le batterie al litio possono offrirci prestazioni eccezionali, escursioni di corrente spettacolari quando ne abbiamo bisogno, solo che dobbiamo prenderci cura di loro per non surriscaldarsi troppo per poterle utilizzare il più a lungo possibile in sicurezza. Parliamo di sicurezza perché sappiamo come si comporta il litio a contatto con l'aria, brucia violentemente...
Perché su alcuni modelli di bici con motore Avinox M2S la potenza dichiarata è di 1300W e non 1500W?
Perché la resistenza interna della maggior parte dei modelli di batterie non consente di raggiungere questo valore. Perché le celle delle batterie sono state scelte in qualche modo al limite, per servire modelli di motori apparsi fino ad Aprile 2026 quando tutta l'industria è stata stravolta dall'apparizione dell'Avinox M2S che può offrire 1500W.
Avinox insieme ad Ampace ha creato un nuovo modello di batteria, utilizzando la tecnologia adottata per la prima volta da Tesla, Tabless, cioè non solo due connettori sottili alle estremità lontane delle pellicole, saldati a punti, ma contatto permanente su tutta la lunghezza della pellicola, risultando in una resistenza interna elettrica molto bassa (3 volte più bassa rispetto a 21700), perdite di tensione ridotte sulla batteria a correnti elevate (vedi il grafico qui sotto), correnti di carica più elevate ma anche una densità di carico 5 volte superiore rispetto alle classiche celle 21700.
Direte che anche collegando più celle 21700 con alta resistenza interna in parallelo, la resistenza risultante sarà molto più bassa. Eppure, in questo momento ci sono limitazioni costruttive, funzionali delle celle 21700 che non rendono possibile ancora questa realizzazione. Sono convinto che si possa raggiungere la potenza di 1500W anche in configurazioni con 40-60 celle 21700 con prestazioni superiori, magari in tecnologia Tabless, chi lo sa? Promettiamo che vi informeremo quando appariranno questi modelli di batterie per e-bike.
Il passaggio da Ah a Wh
A proposito di dimensioni, è molto semplice passare da Ah (capacità della batteria, 1 Ah=3600 Coulombi) Ampere x ora a Wh (Energia elettrica in Joule, 1 Wh=1W×3600 secondi = 3600 J, come nel contatore elettrico di casa) Watt x ora semplicemente moltiplicando il valore Ah per la tensione nominale di 3.6 Volt.
La cella Ampace 50480 ha 19.4 Ah, moltiplicata per 3.6V risulta 70 Wh.
Moltiplichiamo per il numero di celle in serie, 10 in totale, risulta 700Wh. Ora abbiamo anche capito perché la batteria Avinox FP700 con questo tipo di celle Ampace 50480 non può offrirci più di 700 Wh a 36V. Né di più, né di meno.
Questo è tutto per questo episodio sulle batterie.
Continuiamo nel prossimo con i motori: potenze, coppia, percentuali di supporto, rapporti di trasmissione, tipi di sistemi planetari e pignoni, transistor di potenza con Si o Gallio? Caricabatterie con Gallio, GaN, frizioni, cuscinetti e altri dettagli meccanici che consentono di raggiungere una potenza di 1500W a 150 Nm. Inoltre, pedalata leggera, senza rumori strani in discesa e senza sentire alcun freno, alcuna resistenza nel pedale da parte del motore. Parleremo di sensori, tipi di sensori, dove sono montati e la sincronizzazione con i sistemi di trasmissione.
