Una scelta accurata dei cavi, una corretta installazione e manutenzione costante sono fondamentali per garantire la sicurezza e l'affidabilità dell'impianto elettrico a bordo.

In un articolo precedente abbiamo parlato dell’importanza fondamentale della sezione del cavo, che deve essere opportunamente calcolata per contenere le cadute di tensione e la perdita di potenza trasformata in calore.

Il primo dato da conoscersi è la corrente del sistema I, che dipende dal carico (potenza dell’utilizzo in W) e dalla tensione del sistema V: I=W/V

Risulta subito evidente che aumentando la tensione, a parità di carico, la corrente che passa nei cavi diminuisce.

Per esempio se si ha un varico di 2400 W, in un sistema a 12 V la corrente risulta di 2400/12=200 A.

Ma se si passa ad un sistema a 24 V la corrente si dimezza, 2400/24=100 A.

Una corrente dimezzata comporta una sezione dimezzata, come vedremo più avanti.

Questo è il motivo per il quale nei nostri impianti di bordo, quando le potenze degli utilizzi sono importanti, per contenere la sezione dei cavi e quindi anche il loro peso si preferisce adottare sistemi a 24V oppure anche a 48V, anziché 12V.

Si adottano spesso negli impianti sistemi doppi, a 12V e a 24 V per i carichi maggiori.

Il secondo dato di partenza è la lunghezza dei cavi, attenzione, data dalla somma della lunghezza del cavo positivo e di quella del cavo negativo.

Ovvero se la distanza dalla batteria all’utilizzo è di 5 metri, la lunghezza da prendere in considerazione per il calcolo della sezione è di 10 metri.

Apparentemente banale, questo concetto è spesso fonte di errore nel calcolo!

La sezione (area della superficie A) di un cavo è data dal diametro (d) dell’anima (la parte in rame) secondo la relazione A=π x d²/4, ed è normalmente espressa in mm², ma esistono anche altre unità di misura come l’AWG (American Wire Gauge) per la quale è disponibile una tabella di conversione apposita:

https://www.victronenergy.com/upload/documents/AWG%20to%20Metric%20Conversion%20Chart.pdf

Il diametro del cavo è dato dalla somma del diametro dell’anima più 2 volte lo spessore della guaina di isolamento.

Sulla guaina normalmente è stampigliato il valore della sezione A dell’anima.

Fatte queste doverose premesse veniamo ora al calcolo della sezione del cavo.

Il calcolo parte dal presupposto che si deve contenere la caduta di tensione ad un massimo di 0.3 V.

Si possono quindi utilizzare le formule viste nel precedente articolo, inserendo i valori di lunghezza e sezione per arrivare alla caduta di tensione massima desiderata, oppure molto più facilmente utilizzare il criterio semplificato valido fino alla lunghezza di 5 m (2.5+2.5 attenzione!) che vale 3 A ogni mm² di sezione, ovvero corrente/3=sezione anima in mm².

Ok, ma se la lunghezza dei cavi è superiore ai 5 metri devo fare tutti i calcoli?

Non è necessario, sono disponibili tabelle apposite ed è anche disponibile un’APP di Victron Energy, scaricabile sul proprio Smartphone, che ci sgravano enormemente dalla fatica del calcolo:

https://www.victronenergy.com/support-and-downloads/software#victron-toolkit-app

Basta lanciare l’APP, inserire la lunghezza (sempre attenzione L⁺ + L^-), la tensione del sistema, la corrente e scegliere la sezione in mm² che determina una caduta di tensione non superiore a 0,3 V.

Da notare che la tensione del sistema non fa variare la caduta di tensione in assoluto, ma fa variare la percentuale di quest’ultima rispetto alla tensione del sistema. Ovvero se la caduta di 0,3 V è del 3% in un sistema a 12V, gli stessi 0,3 V sono dell’1,5% in un sistema a 24V.

Ma a noi interessa la caduta di tensione assoluta 0.3 V!

Bene, ora siamo in grado di fare qualche verifica sul nostro impianto di bordo o di calcolare la sezione corretta nel caso di una nuova installazione: Buon Lavoro!

Non tutti i materiali conducono bene l’elettricità, intesa come movimento degli elettroni in un materiale detto conduttore.

Per esperienza sappiamo che le plastiche sono cattivi conduttori e si usano come isolanti, al contrario i metalli conducono molto meglio ed alcuni tra questi sono anche ottimi conduttori, come per esempio il Rame.

Vista la questione da un’altra prospettiva, le plastiche offrono quindi molta o moltissima resistenza al passaggio dell’elettricità mentre i metalli una bassa o bassissima resistenza.

La capacità o meno di un materiale di condurre l’elettricità dipende in definitiva dal materiale stesso.

Si definisce come Resistenza Specifica di un materiale la sua resistenza a condurre l’elettricità: il suo simbolo è ρ (rho). Per il Rame ρ=1,7 x 10.E-8 Ωm, dove Ω (ohm) è la Resistenza

La resistenza di un cavo dipende dalla resistenza specifica del materiale di costituzione, dalla sua lunghezza (L) e dalla sua sezione (area=A).

La relazione che vale è: Ω=ρ x L/A.

Da qui si evince che, a parità di ρ che dipende solo dal materiale, la resistenza di un cavo è direttamente proporzionale alla sua lunghezza ed inversamente alla sua sezione, ovvero più il cavo è lungo più offre resistenza, più è dotato di maggior sezione meno resistenza offre.

E’ intuitivo pensare che occorra diminuire la resistenza di un cavo, quindi ridurne il più possibile la sua lunghezza L e scegliere opportunamente la sua sezione A.

Ma perché?

Il perché è molto semplice: la resistenza di un cavo determina una Potenza persa che si tramuta in riscaldamento dello stesso e una caduta di Tensione (V). 
Quindi per un cavo, caratterizzato dalla sua resistenza R (che ricordo dipende da ρ, da L e da A) e sottoposto ad una certa corrente I e tensione V valgono le seguenti relazioni:

P (perdita di potenza) = R x I²

T (caduta di tensione) = R x I

La riduzione della resistenza R di un cavo determina quindi direttamente la diminuzione della perdita di potenza P e della caduta di tensione T.

E considerato che per il materiale il Rame è una scelta molto comune, che la lunghezza del cavo dipende dal layout dell’impianto e non si può ridurre oltre un certo limite, che la corrente che lo attraversa dipende dall’utilizzo ed è un dato di partenza, nel dimensionare un cavo è di fondamentale importanza calcolare con accuratezza la sezione del cavo.

In un altro articolo spieghiamo quali sono i criteri e gli strumenti per determinare correttamente la sezione di un cavo.

Bisogna partire dal presupposto che l’alternatore del nostro motore nella maggior parte dei casi è di derivazione automobilistica, ed è stato concepito in questo caso per alimentare alcuni carichi di servizio durante il suo funzionamento e per mantenere lo stato di carica completa della batteria di avviamento del motore, che per le sue caratteristiche di utilizzo risulta però sempre sostanzialmente carica.

In barca, sul camper o su mezzi mobili in generale l’alternatore deve però essere in grado di caricare anche le batterie del banco servizi, anzi l’utente si aspetta che questo processo sia affidabile ed efficiente.

E invece accade il contrario: ricaricare completamente le batterie richiede molto tempo e spesso non si arriva al 100%.

Vediamo di capirne il perché.

Le batterie dei servizi devono erogare correnti relativamente basse per lungo tempo e raggiungono un certo grado di scarica prima di essere ricaricate, esattamente il contrario di quanto accade per la batteria di avviamento. Questo vale in generale ma bisogna tenere conto che su barche con utenze importanti dal punto di vista energetico, come Bow-Thruster, Lifting-Keel, ma anche Phon, Aspirapolvere, Microwave ecc, le batterie di servizio devono erogare correnti piuttosto elevante anche se per tempi non elevati.

Le Batterie subiscono in ogni caso dei cicli di carica e scarica alternati.

L’alternatore deve quindi provvedere a rifornirle di molta energia durante la ricarica e questo dovrebbe avvenire secondo una curva di carica ideale necessaria per il suo completamento.

Per le batterie al Piombo che usiamo nella maggior parte dei casi, tipicamente AGM e GEL, la CURVA IDEALE di carica DOVREBBE AVERE sostanzialmente un andamento di questo tipo:

Nell’asse orizzontale il tempo, ed in quello verticale i valori della tensione (curva rossa) e della corrente (curva Blu).

La curva caratteristica delle batterie al Litio, in particolare le LiFePO4 di recente diffusione, presenta differenze importanti rispetto a quella indicata e sarà oggetto di un articolo dedicato.

Tornando invece alle nostre comuni e utilizzatissime batterie al Pb, si notano nel ciclo di carica tre fasi distinte: una iniziale detta BULK, in cui viene erogata la corrente massima e la tensione sale fino ad un valore massimo di circa 14,5 V, una seconda di carica vera e proprio detta ABSORPTION in cui la tensione rimane costante e la corrente diminuisce al crescere della carica assorbita e FLOAT, a ricarica ormai completata, in cui la tensione si abbassa ad un valore di circa 13,8 V e la corrente è molto bassa, perché serve a mantenere la carica allo stato raggiunto.

Invece l’alternatore del motore, che ha un regolatore di carica piuttosto semplice, eroga una tensione costante ed un corrente che è funzione in parte del suo numero di giri, che ricordo, è normalmente il doppio degli rpm del motore. Molto spesso il cablaggio tra l’alternatore e le batterie dei servizi, che passa magari attraverso un ripartitore di carica a diodi, comporta anche una caduta di Tensione che peggiora di molto la capacità di ricarica soprattutto nelle fasi di completamento.

Capite bene, quindi, che l’alternatore, proprio per le sue caratteristiche, non è in grado effettuare la ricarica delle batterie di servizio in maniera efficiente.

Il risultato è che anche diverse ore di funzionamento continuativo del motore le batterie possono non essersi ricaricate al 100%, ovvero il ciclo di carica secondo la curva carateristica può non essersi completato.

E per le batterie al Pb la ricarica incompleta è una delle cause principali di accorciamento della loro vita utile, ovvero del numero di cicli di carica e scarica che possono garantire nel tempo.

Quindi come possiamo ovviare a tutto ciò?

Come possiamo generare, a pari alternatore del motore, un processo di ricarica efficiente che rispecchi l’esigenza delle batterie dei servizi?

Una valida soluzione: adottare un dispositivo caricabatterie 12V/12V che si interpone tra l’alternatore e le batterie. Si tratta di un dispositivo in grado di adattare tensione e corrente in entrata dall’alternatore a valori di tensione e corrente in uscita verso le batterie che riproducono perfettamente la curva di carica ottimale descritta precedentemente.

In funzione della capacità del banco e dell'alternatore si possono adottare più dispositivi da collegare in parallelo.

VICTRON ENERGY ha sviluppato questo concetto e ha realizzato un dispositivo molto valido e versatile.

Riportiamo qui la descrizione generale del Converter DC-DC Orion Tr Smart 12/12-30.

Caricabatterie in corrente continua 12-12 V, in grado di erogare fino a 30 A, con curva di carica programmabile e utilizzabile anche come alimentatore. Disponibile nelle versioni Isolato e Non Isolato.

La curva di carica adattiva a 3 fasi consente di modulare la durata della seconda fase di carica in funzione della profondità di scarica della batteria per evitare eccessive sollecitazioni nel caso di basse scariche e una carica profonda nel caso di scariche superiori.

Adatto alla carica di batterie Pb e LiFePO4.

Compatibile con Alternatori Smart con meccanismo di rilevamento del funzionamento motore.

Il Bluetooth integrato consente di utilizzare qualsiasi smartphone, tablet o altro dispositivo abilitato con Bluetooth per monitorare, cambiare le impostazioni o aggiornare l'apparato. E' possibile l'accesso al menu di configurazione utilizzando il Software Victron Connect con la possibilità di personalizzare diversi parametri di funzionamento. Disponibile anche un contatto per collegamento di un interruttore di accensione/spegnimento remoto.

Schema di collegamento all’alternatore e alle batterie di avviamento e dei servizi: