Carica di equalizzazione Microtex
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Equalizzazione della carica nella batteria al piombo

L’intenzione della carica di equalizzazione è di portare la tensione di carica di una batteria al piombo-acido a livelli di gas in modo che tutto il solfato di piombo non convertito sia caricato in piombo e biossido di piombo, rispettivamente in NAM e PAM.

Carica di equalizzazione: Batterie di equalizzazione

La corretta manutenzione delle batterie al piombo aiuta a migliorare la vita della batteria. L’equalizzazione della carica è uno degli aspetti più importanti di questa procedura di manutenzione.

Definizione di tassa di perequazione

Per questo tipo di batterie, l’intenzione di equalizzare la carica è quella di portare la tensione di carica di una batteria a 12V a livelli di gas in modo che tutto il solfato di piombo non convertito sia caricato in piombo e biossido di piombo, rispettivamente in NAM e PAM. Quando c’è una gassificazione libera e copiosa, tutti gli ioni solfato non caricati vanno nell’elettrolita e aumentano la densità dell’acido.

Vinal nel suo libro classico dà la relazione tra la tensione delle cellule e i livelli di gas.

Livelli di gas e tensioni di cella durante la carica di celle allagate

(Crediti: Vinal, G.W., Storage Batteries, John Wiley & Sons, New York, 1954, pagina 262)

Tensione della cella (V) Livello di gassificazione Composizione dei gas evoluti H 2 Percentuale Composizione dei gas evoluti O 2 Percentuale
2.2 Nessun gas - -
2.3 Leggero 52 47
2.4 Normale 60 38
2.5 Copioso 67 33

Allo stesso modo, le batterie non correttamente caricate in fabbrica richiedono un’ulteriore carica di equalizzazione. Questo può essere evidenziato da un aumento del peso specifico dell’elettrolito entro pochi mesi dalla messa in funzione della batteria, per esempio, una batteria per inverter. Normalmente, il valore di gravità specifica sarà di 1,240 prima della spedizione. Una volta raggiunto questo valore, alcuni produttori smettono di caricare e presumono che la batteria sia stata completamente caricata.

In realtà, se avessero continuato ulteriormente la carica iniziale, avrebbero potuto vedere un aumento sostanziale del peso specifico. Questo aspetto della carica iniziale indica la presenza di solfato di piombo non caricato nelle piastre. Questa quantità di solfato di piombo ha contribuito ad aumentare il peso specifico dell’elettrolito nel processo di ulteriore ricarica.

In che modo la carica di equalizzazione aiuta?

La carica di equalizzazione aiuta a realizzare la vita progettata della batteria, evitando guasti prematuri dovuti a una carica insufficiente. Una batteria che riceve regolarmente la carica di equalizzazione vivrà più a lungo di una che non la riceve. Questo è particolarmente vero nel caso delle batterie per carrelli elevatori, delle batterie per automobili e delle batterie per inverter. Abbiamo visto che dare una carica di equalizzazione della batteria del carrello elevatore assicura migliori prestazioni della batteria del carrello elevatore. L’estensione della durata della batteria tramite il controllo dell’equalizzazione della carica è il modo consolidato per migliorare le prestazioni della batteria.

In alcuni paesi, le batterie degli UPS e degli alimentatori fissi non subiscono interruzioni di corrente nemmeno per pochi minuti in un anno. In queste situazioni, i produttori di batterie consigliano al consumatore di interrompere l’alimentazione di rete per alcuni minuti. Questo eviterà la “passivazione del galleggiante”.

Cos'è una carica di equalizzazione per una batteria

Tutti gli aspetti discussi sopra si applicano anche alle batterie VR. L’unica differenza è che la tensione di carica per la carica di equalizzazione è più bassa. Le batterie devono essere caricate a non più di 14,4 V (per una batteria da 12V) durante una carica di equalizzazione. I tassi di gassificazione sono:

Livelli di gas e tensioni di galleggiamento delle celle durante la carica delle celle regolate a valvola

Equalizzazione della tensione di carica

Tensione della cella (V) Livello di gassificazione Efficienza di ricombinazione (%) Tasso di gassificazione * Tasso di gassificazione relativo
2,25 a 2,3 Gassificazione trascurabile ~ 99.87 ~ 0.0185 ~ 1
2.4 Alcuni gas ~ 99.74 ~ 0.037 ~ 2
2.5 Gassificazione ~ 97.4 ~ 0.37 ~ 20

*cc/h/Ah/cella da: Crediti: C&D Technologies : Bollettino tecnico 41-6739, 2012).1 piede cubo = 28317 cc (= (12*2,54)3 = 28316,85)

Equalizzare la carica - In che modo le batterie VRLA differiscono dalle batterie al piombo acido allagate?

La chimica di base delle due versioni di batteria al piombo è la stessa. Le reazioni di scarica sono simili, ma le reazioni di carica differiscono nei loro passaggi intermedi.

I gas (idrogeno e ossigeno) evoluti verso la fine della carica in una batteria al piombo allagata vengono espulsi. L’ossigeno gassoso evoluto sulla piastra positiva delle celle VR si sposta facilmente verso la piastra negativa e ossida il piombo, a causa dei coefficienti di diffusione più elevati in un mezzo gassoso. Questa è una reazione veloce nelle cellule VR. Tale movimento di gas non è possibile nelle celle allagate a causa dei coefficienti di diffusione più bassi. Condizioni simili a quelle delle celle allagate si verificheranno anche nelle celle VR se l’AGM è completamente saturo e la reazione di ricombinazione dell’ossigeno inizierà solo quando inizierà a svilupparsi una condizione di elettrolito affamato a causa dell’elettrolisi dell’acqua e della perdita di parte dell’acqua.

In una cella regolata a valvola l’evoluzione dell’idrogeno è inibita dalla formazione di solfato di piombo durante la carica. Questo solfato di piombo porta il potenziale della piastra negativa a valori più positivi in modo che l’evoluzione dell’idrogeno sia molto ridotta. Leghe speciali sono anche usate nella griglia negativa che avrà una sovratensione di idrogeno più alta.

Equalizzazione della carica: Dal punto di vista costruttivo, le batterie VRLA presentano le seguenti differenze:

  • Il volume dell’elettrolito è inferiore nella batteria VRLA. Questo è intenzionalmente mantenuto così perché ci dovrebbe essere un passaggio per l’ossigeno evoluto dal PAM per contattare il NAM attraverso i pori insaturi nel separatore AGM (absorptive glass mat). Per compensare il volume ridotto dell’elettrolita, nelle batterie VR si usa un acido di densità maggiore. Questo compenserà anche le ridotte capacità a basso tasso.
  • Gli elementi sono altamente compressi nella batteria VRLA. Questo aspetto gioca il ruolo più importante nel migliorare la vita delle batterie. La compressione della parete della piastra-separatore-contenitore è parte integrante del progetto. Questo assicura una buona diffusione dell’elettrolito tra le piastre e il separatore. La vita è anche aumentata a causa della riduzione dell’espansione positiva del materiale attivo e della conseguente perdita di capacità.

  • Le batterie VRLA hanno una valvola di risigillazione unidirezionale in ogni cella o ci può essere una valvola comune per alcune celle (in particolare nelle celle di piccola capacità). Questa valvola multifunzionale funziona nel seguente modo:
    i. Impedisce l’ingresso accidentale di aria atmosferica (ossigeno).
    ii. Aiuta nel trasporto di ossigeno assistito dalla pressione da PAM a NAM
    iii. Previene l’esplosione in caso di sviluppo indebito di pressione all’interno della batteria a causa di una carica abusiva o di un malfunzionamento del caricatore.
  • Il corretto funzionamento delle batterie VRLA dipende dal ciclo interno dell’ossigeno, che a sua volta dipende da una costruzione a prova di perdite: la guarnizione coperchio-coperchio e la guarnizione vaso-coperchio. Il ciclo interno dell’ossigeno aiuta a ridurre l’evoluzione dell’idrogeno e quindi riduce la perdita d’acqua.

Ciclo interno dell’ossigeno

Durante la carica della batteria VRLA:
Sulla piastra positiva, il gas O2 si evolve e vengono prodotti protoni ed elettroni.
2H2O → 4H+ + O2 ↑ + 4e- ……… Eq. 1

L’ossigeno gassoso, gli ioni di idrogeno e gli elettroni evoluti come risultato dell’elettrolisi dell’acqua sulla piastra positiva passano attraverso i pori vuoti, i pori pieni di gas e i canali dell’elettrolito nel separatore AGM (o le sottili crepe nella matrice dell’elettrolito gelificato nel caso delle batterie VR gelificate) e raggiungono le piastre negative. Questo gas si combina con il piombo nel NAM per diventare PbO e l’ossigeno ridotto si combina con gli ioni di idrogeno per formare acqua. Questo ossido si combina chimicamente con gli ioni di solfato per formare solfato di piombo

2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + calore ……… Eq. 2
—————————————————–
Ma, essendo questo un processo di carica, il solfato di piombo così prodotto deve essere nuovamente convertito in piombo; l’acido solforico si genera per via elettrochimica reagendo con i protoni (ioni idrogeno) e gli elettroni risultanti dalla decomposizione dell’acqua sulle piastre positive quando sono caricate.

2PbSO4 + 4H+ + 4e- → 2Pb + 2H2SO4 ……… Eq. 3

Quando il NAM si converte in PbSO4 durante una carica, il potenziale della piastra negativa diventa più positivo (come nel caso di una scarica). Questo aiuta ad ostacolare la reazione di evoluzione dell’idrogeno. Si producono piccolissime quantità di idrogeno gassoso, ma la valvola unidirezionale assicura che la pressione all’interno del vaso non raggiunga livelli pericolosi facendo sfogare l’idrogeno nell’atmosfera, proteggendo così la batteria da rigonfiamenti e altri difetti.

L’ultima reazione ripristina l’equilibrio chimico della cellula. Essendo la somma netta delle reazioni da (Eq 1) a (Eq 3) pari a zero, l’energia elettrica spesa durante la carica viene convertita in calore piuttosto che in energia chimica [Rif. R.F. Nelson, Proc. 4th Int Lead Acid Battery Seminar, 25-27 Apr 1990, San Francisco, USA, ILZRO, Inc.,1990, pp.31-60].

Lead-acid-cell-Discharge-reactions-explained-1.jpg
Cella al piombo - spiegazione delle reazioni di scarica
Recombination-reaction-in-a-VR-cell-1.jpg
Reazione di ricombinazione in una cella VRLA

Il vantaggio più importante di una cella VRLA è che non è necessario aggiungere acqua come procedura di manutenzione. Il prossimo vantaggio è che evolve una quantità trascurabile di gas nel corso del suo funzionamento, a causa della ricombinazione quasi al 100% alle tensioni di galleggiamento raccomandate di 2,25-2,3 V per cella. Inoltre, non ci sono restrizioni di trasporto per spostare queste batterie da un posto all’altro.

Batterie primarie e ricaricabili

Una batteria è definita come un dispositivo elettrochimico che può convertire l’energia chimica in energia elettrica attraverso reazioni redox e quindi agire come una fonte di energia elettrochimica. Ma non è una fonte perenne di potere. La batteria fornirà energia solo fino a quando ci saranno materiali attivi sufficienti per sostenere le reazioni che producono energia. Una volta che il livello di tensione della batteria raggiunge un certo livello inferiore definito dalla chimica del sistema, le reazioni devono essere invertite, cioè la batteria deve ricevere corrente continua. Questo atto di fornire una corrente continua nella direzione inversa della scarica a una batteria scarica per invertire le reazioni di scarica è chiamato “ricarica”.

Questo rigenererà i materiali attivi originali dai prodotti di scarica e aumenterà anche la tensione della batteria a valori più alti, sempre definiti dalla chimica del sistema. Questa affermazione è applicabile alle batterie che sono chiamate batterie secondarie o di stoccaggio. Non è rilevante per le celle primarie come quelle usate nelle torce elettriche e negli orologi da polso. L’abbassamento della tensione della batteria durante una scarica avviene a causa dell’esaurimento dei materiali attivi e di diverse altre ragioni.

Un’unità indipendente di batteria è chiamata “cella”. Una batteria è una combinazione di due o più celle collegate in diversi modi per raggiungere la tensione progettata e la capacità nominale o i kWh totali. Più comunemente, una batteria monoblocco è impiegata nelle automobili e nelle batterie al piombo acido regolate a valvole(VRLA) e tubolari di piccola capacità (fino a 12V/200 Ah); oltre questa capacità si usano celle singole per ottenere i kWh richiesti combinandole in serie o in serie-parallelo.

Una batteria al piombo acido da 48V/1500 Ah (o 72 kWh) può avere 24 numeri di celle da 2V/1500 Ah collegati in serie semplice o 48 celle da 2V/750 Ah collegate in serie-parallelo. Si tratta di 24 celle collegate in serie per fare una batteria da 48V/750Ah (o 36 kWh). Un’altra di queste batterie da 48V/750 sarà collegata in parallelo alla prima per farne una da 48V/1500 Ah (72 kWh).

Un altro esempio di una batteriaagli ioni di litio (Li-ion) per veicoli elettrici (EV):
A seconda delle dimensioni del pacco batterie, il produttore di EV Tesla utilizza circa 6.000-8.000 celle per pacco, ogni cella è di 3,6V/3,1 a 3,4 Ah di capacità per costruire un pacco batterie da 70 o 90 kWh.

La batteria Tesla EV da 70 kWh utilizza circa 6000 celle del tipo 18650 NCA da 3,7 V/3,4 Ah, collegate in una complicata disposizione serie-parallelo. Ha un’autonomia di 325 km per carica. (Qui la cifra 18650 si riferisce a un particolare tipo di cella agli ioni di litio con dimensioni approssimative di lunghezza (o altezza) 65 mm e diametro di 18 mm. Il termine “NCA” sta per il materiale catodico usato in questa cella, per esempio, N =Nickel, C= Cobalto e A = alluminio, cioè materiale catodico di nichel-cobalto-ossido di alluminio)
Il pacco da 90kWh ha 7.616 celle in 16 moduli. Il peso è di 540 kg. Ha un’autonomia di 426 km per carica.

Componenti di una cella di batteria:

I componenti più essenziali di una batteria sono:
a. Anodo (piastra negativa)
b. Catodo (piastra positiva)
c. Elettrolita (nella batteria al piombo, l’elettrolita è anche un materiale attivo, ma non così nella maggior parte degli altri sistemi)
I tre di cui sopra sono chiamati componenti attivi
Naturalmente, ci sono componenti inattivi come
a. Vaso
b. Griglie di raccolta della corrente
c. Sbarra di distribuzione o cinghie di collegamento
d. Separatori
e. Connettori intercellulari
f. Posti terminali, ecc.

In una batteria al piombo-acido, l’elettrolita (acido solforico diluito) partecipa alla reazione di produzione di energia, come si può vedere dalla reazione della cella riportata di seguito. L’acido solforico viene consumato per convertire il biossido di piombo e il piombo in solfato di piombo e quindi la densità dell’elettrolita diminuisce man mano che la reazione di scarica procede. Al contrario, quando la cella è carica, la densità dell’elettrolita aumenta man mano che la reazione di carica procede. La ragione è che gli ioni di solfato assorbiti da entrambi i materiali attivi durante la scarica vengono rilasciati nell’elettrolita e quindi la densità dell’elettrolita aumenta.

Reazioni di scarica e di carica

Le reazioni di una cella galvanica o di una batteria sono specifiche del sistema o della chimica:

Per esempio, la cella al piombo:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 Scarica ↔ Carica 2PbSO4 + 2H2O E° = 2,04 V

In una cella Ni-Cd

Cd + 2NiOOH + 2H2O Scarica ↔ Carica Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 E° = 1,32 V

In una cella Zn-Cl2:

Zn + Cl2 Scarica ↔ Carica ZnCl2 E° = 2,12 V

In una cella Daniel (Questa è una cella primaria; qui si noti l’assenza di frecce reversibili)

Zn + Cu2+ Scarica ↔ Carica Zn2+ + Cu(s) E° = 1,1 V

Equalizzazione della tensione di carica: di più sulla carica di una batteria

Come descritto sopra, una batteria di accumulo non è una fonte di energia perenne. Una volta esaurito, deve essere ricaricato per ottenere di nuovo energia da esso. Le batterie dovrebbero dare una certa durata, chiamata aspettativa di vita. Per ottenere la durata e l’affidabilità previste, gli accumulatori devono essere caricati e mantenuti correttamente secondo le istruzioni fornite dai produttori. Per ottenere la massima durata possibile dalla batteria, si devono usare metodi di ricarica adeguati.

Reazioni nella cella al piombo:

Durante la scarica: PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O

La scarica procederà solo fino a quando una certa quantità di materiali conduttori sarà presente nella cella; in seguito il tasso di caduta della tensione sarà così veloce che la tensione finale sarà raggiunta presto. Quindi c’è quella che viene chiamata una tensione di taglio o tensione finale, oltre la quale la scarica non dovrebbe essere continuata. Un’ulteriore scarica renderà difficile la ricarica e può portare a risultati catastrofici inaspettati.

Le batterie devono essere caricate immediatamente dopo la scarica ai tassi raccomandati dal produttore o secondo le istruzioni fornite da loro.

Recombination-reaction-in-a-VR-cell.jpg
Reazione di ricombinazione in una cella VRLA

Cosa succede durante le reazioni di scarica e di carica all’interno di una cella?

Elettrolita: 2H2SO4 = 2H+ + 2HSO4‾

Piastra negativa: Pb° = Pb2+ HSO4 + 2e

Pb2+ + HSO4‾ = PbSO4 ↓ + H+

⇑ ⇓

Piastra positiva: PbO2 = Pb4+ + 2O2-

Pb4+ + 2e = Pb2+

Pb2++ 3H+ + HSO4‾ +2O2- =PbSO4 ¯ ↓+ 2H2O

Essendo l’acido solforico un elettrolita forte, si dissocia come ioni idrogeno e ioni bisolfato (chiamato anche ione idrogeno solforato).

All’inizio di una scarica, il piombo poroso nella piastra negativa si ossida in ioni di piombo (Pb2+) e poiché è sempre in contatto con l’acido solforico, si converte in solfato di piombo (PbSO4); quest’ultimo si deposita come materiale bianco sui pori, sulla superficie e sulle crepe delle piastre negative. La prima reazione (il piombo che diventa ioni di piombo) è di natura elettrochimica, mentre la seconda (gli ioni di piombo che diventano solfato di piombo) è una reazione chimica.

Diciamo che il piombo si dissolve come ioni di piombo nelle vicinanze del sito di reazione e si deposita immediatamente come solfato di piombo dopo essersi combinato con gli ioni bisolfato dell’elettrolita sul materiale negativo attivo (NAM). Questo tipo di reazione è chiamato meccanismo di dissoluzione-deposizione o dissoluzione-precipitazione in elettrochimica.
Allo stesso modo, il materiale attivo positivo (PAM) si combina con gli elettroni provenienti dal NAM e diventa ioni di piombo, che si combina con gli ioni bisolfato dell’elettrolita e si deposita come solfato di piombo sul materiale attivo positivo, seguendo lo stesso meccanismo di dissoluzione-deposizione.

Durante una ricarica: 2PbSO4 + 2H2O Carica→ PbO2 + Pb + 2H2SO4

I prodotti di reazione ottenuti durante la scarica sulle piastre positive e negative sono riconvertiti ai materiali originali durante una carica. Qui, le reazioni hanno denominazioni inverse a quelle di una scarica. La piastra positiva subisce l’ossidazione, mentre la piastra di polarità opposta subisce la riduzione.

Carica di equalizzazione: Quando la carica completa è completa

Si presume che le batterie abbiano completato la normale ricarica se si verificano le seguenti condizioni:

Parametro Batteria al piombo allagata Batteria al piombo regolata a valvola (VRLA)
Tensione e corrente di carica Qui si assume una carica a corrente costante: la tensione di una batteria alla fine di una carica dovrebbe essere costante per una particolare corrente. Il valore può essere da 16,2 a 16,5v per una batteria da 12v Per una tensione impressa costante (diciamo da 13,8v a 14,4v per una batteria da 12v), la corrente dovrebbe essere costante per almeno due ore
Peso specifico dell'elettrolito Anche il peso specifico dell'elettrolito deve raggiungere un valore costante. Questo valore dipenderà dalla batteria completamente carica quando è stata fornita dal produttore. Il peso specifico dell'elettrolito non può essere misurato.
Natura della gassificazione Gassificazione uniforme e copiosa su entrambi i piatti. Il volume dei gas evoluti sarà 1:2 come nell'acqua, cioè 2 volumi di idrogeno per 1 volume di ossigeno. Ai livelli di tensione di carica raccomandati per i VRLAB, si osserva una gassificazione trascurabile. A 2,25-2,3 volt per cella (Vpc) di carica float, non si osserva alcuna evoluzione di gas. A 2,3 Vpc, un VRLAB da 12V 100Ah può emettere da 8 a 11 ml/h/12V di batteria. Ma a 2,4 Vpc è quasi il doppio, da 18 a 21 ml/h/12V di batteria. (i. pbq VRLA Batteries, gennaio 2010. ii. C&D Technologies: Bollettino tecnico 41-6739, 2012).

Carica di equalizzazione: cos'è una carica di equalizzazione per una batteria

  • Una batteria al piombo-acido appena assemblata richiede un riempimento iniziale e una carica iniziale.
  • Una batteria scarica richiede una ricarica normale.
  • Le batterie collegate agli elettrodomestici e alle apparecchiature normalmente non sono completamente cariche, nel senso che non raggiungono la tensione di carica completa di > 16 V per una batteria da 12V. Per esempio, nell’applicazione SLI (avviamento, illuminazione e accensione) nelle automobili, la tensione massima che la batteria può raggiungere è di circa 14,4 V per una batteria da 12V. Allo stesso modo, le tensioni di carica della batteria inverter/UPS non vanno oltre i 13,8-14,4 V. In tali applicazioni, il processo di accumulo di solfato di piombo non convertito nelle piastre positive e negative continua ad aumentare con l’aumentare della vita della batteria.

La ragione è che i valori delle tensioni di cui sopra non sono sufficienti per riportare tutti i prodotti scaricati ai materiali attivi originali. Tali batterie richiedono una ricarica periodica per portare tutte le celle a piena carica e allo stesso livello. Questo aiuterà anche a rimuovere gli effetti della stratificazione dell’elettrolito. Tale carica extra-apparecchio è chiamata carica di banco o carica di equalizzazione.

Conclusioni sulla tassa di perequazione:

La carica di equalizzazione fa parte della procedura di manutenzione. La tensione massima alla quale si può effettuare la carica di equalizzazione dipende dal tipo di batteria al piombo, se è di tipo allagato o VRLA. Il primo tipo di celle può essere caricato a corrente costante fino a una tensione di 16,5 V per una batteria da 12V per portare tutte le celle di una batteria allo stesso livello.

Tuttavia, le celle VRLA devono essere caricate solo con il metodo della tensione costante e questa tensione impressa non deve superare la tensione massima raccomandata di 14,4 V per una batteria da 12V. Dove non è disponibile l’impianto di ricarica a tensione costante, le batterie VRLA possono essere caricate a corrente costante con un monitoraggio costante della tensione terminale (TV) della batteria. Ogni volta che il televisore si avvicina o supera il livello di 14,4 V, la corrente di carica deve essere continuamente ridotta in modo che il televisore non possa andare oltre i 14,4 V

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