Carica della batteria
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Carica della batteria, nel modo giusto!

Una batteria è un dispositivo elettrochimico che immagazzina energia in una struttura chimicamente legata e rilascia l’energia sotto forma di elettroni derivanti dalle reazioni chimiche di scarica della batteria. La carica della batteria fornisce gli elettroni per riformare i legami chimici che sono immagazzinati nei materiali attivi della batteria. Questa è la vera carica delle batterie di tutte le chimiche, comprese quelle menzionate in questo blog: piombo-acido, nichel-metallo idruro, nichel-cadmio e varianti agli ioni di litio. In questo blog, parleremo delle procedure di ricarica ottimali per le batterie a 12 volt.
Come regola generale ci sono tre tipi principali di ricarica:
– Tensione costante (CV)
– Corrente costante (CC)
– Potenza costante (carica conica)

Tutti i profili di ricarica e tutte le attrezzature di ricarica utilizzano varianti, spesso in combinazione, di questi metodi di base.
Il tasso di carica della batteria dipende dal numero di elettroni che fluiscono al secondo (corrente) nella batteria. La velocità del flusso elettrico come quella della luce è fissa, quindi per aumentare il tasso di carica la densità di corrente o il numero di ampere che scorrono al secondo deve aumentare. Se la forza che spinge gli elettroni nell’AM è aumentata, cioè la tensione, allora il flusso di elettroni è aumentato. Volt più alti = più ampere.

La tensione e la resistenza interna dei diversi tipi di batteria dipendono dalla loro chimica e le tensioni di carica variano di conseguenza. In questo blog, prenderemo in considerazione le batterie al piombo, agli ioni di litio, al nichel-cadmio e al nichel-metallo idruro.

Partendo dal piombo-acido, possiamo descrivere le reazioni chimiche che immagazzinano e scaricano gli elettroni, descritte come la “Teoria del doppio solfato”

  • PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O……………………………………..eq. 1

In questa reazione l’elettrolita, l’acido solforico diluito, si converte in acqua quando reagisce con le piastre positive e negative durante la scarica. La piastra negativa è ossidata perché cede elettroni per formare solfato di piombo e il positivo si riduce da ossido di piombo a solfato di piombo perché accetta elettroni per convertire il biossido di piombo in solfato di piombo. Durante questo tempo la produzione di acqua provoca la diluizione dell’elettrolita acido e una riduzione della differenza di potenziale tra le piastre. Questo produce un SG dell’elettrolita più basso e una tensione della batteria più bassa. Durante la carica della batteria, questo è invertito. Questi due parametri, la tensione della batteria e l’SG dell’elettrolito, sono quindi misure dello stato di carica di una batteria al piombo.

La carica di una batteria al piombo-acido da 12 volt richiede una tensione superiore alla tensione di riposo della batteria quando è completamente carica, che normalmente è tra 12,60 e 12:84 per una nuova batteria allagata e da 12:84 a 13,08 per una nuova batteria VRLA. Ci sono quattro varianti di base delle batterie piombo-acido: piatte allagate, tubolari allagate e le versioni VRLA che sono AGM (piatte) e GEL (principalmente tubolari). I tipi di batterie, le loro applicazioni e i metodi di ricarica associati sono riportati nella tabella 1.

Tipo di batteria Metodo di carica normale della batteria
Metodo di carica della batteria al piombo a piastra piatta di tipo allagato Carica conica a corrente costante
Carica conica a corrente costante/tensione costante
Carica conica a tensione costante
Batteria al piombo a piastra tubolare allagata metodo di carica Carica conica a corrente costante
Carica conica a corrente costante/tensione costante
Carica conica a tensione costante
Metodo di carica della batteria VRLA al piombo (AGM SMF) Carica a corrente costante / tensione costante
Carica a tensione costante
Carica a corrente costante / tensione costante con impulso
Metodo di carica della batteria VRLA al gel tubolare al piombo Carica a corrente costante / tensione costante
Carica a tensione costante
Carica a corrente costante / tensione costante con impulso
Metodo di carica della batteria al nichel-cadmio Corrente costante lenta con timer nessun controllo
Corrente costante con taglio dT/dT
Corrente costante con taglio -dV/dT
Metodo di carica della batteria agli ioni di litio Corrente costante con taglio finale di corrente
Corrente costante con taglio di tensione
Tensione costante con taglio di corrente finale

Tabella 1 – diversi tipi di batterie e i relativi metodi di ricarica dei diversi tipi di chimica delle batterie

  • CC = corrente costante
  • CV = tensione costante
  • dT/dt = pendenza della temperatura
  • -dV/dt – pendenza negativa della tensione

I metodi di ricarica elencati sono descritti di seguito:

  • Carica a corrente costante
    In questo tipo di carica, la tensione aumenta man mano che la carica della batteria diventa completa. La corrente è limitata a un valore che mantiene la tensione e la temperatura della batteria a livelli bassi. Generalmente, c’è un timer per spegnere il caricatore per evitare un’eccessiva gassificazione e perdita d’acqua e ridurre la corrosione positiva della griglia Fig. 1a. Questo metodo di carica non è adatto alle batterie piombo-acido allagate sigillate o a bassa manutenzione.
  • Tensione costante, carica conica limitata alla corrente
    Con una carica limitata alla tensione, il problema dell’evoluzione del gas è minimizzato o addirittura eliminato. In Fig.1b vediamo che la tensione raggiunge un picco, generalmente tra 13,38 e 14,70 volt per una batteria da 12 volt. È chiaro che la corrente diminuisce rapidamente una volta raggiunta la tensione di carica massima. Questo tipo di ricarica richiede generalmente molto tempo a causa dei bassi livelli di corrente nell’ultima fase di ricarica. È generalmente usato per l’UPS o l’alimentazione di standby dove ci sono lunghi periodi di ricarica.
  • Carica del cono
    Questa è la forma più semplice del caricatore, di solito basata su un trasformatore, che dà una potenza costante in uscita, cioè in watt. La corrente diminuisce all’aumentare della tensione, il che mantiene costante la potenza in ingresso alla batteria. La fig. 1c mostra una curva tipica in cui la corrente si riduce all’aumentare della tensione della batteria. Il back EMF aumenta anche con lo stato di carica del SOC, il che significa che la corrente scende a livelli molto bassi perché la batteria non è in grado di assorbire più energia.
  • Questo tipo di caricabatterie non è adatto alle batterie piombo-acido sigillate senza manutenzione perché la quantità di gas generato dipende dalla tensione della batteria. In questo caso, si potrebbero raggiungere tensioni di carica fino a 16 o 17 volt che causerebbero una grave evoluzione del gas e l’apertura della valvola di sicurezza con conseguente perdita d’acqua.
Fig 1 Profili di carica della batteria
Fig 1 Profili di carica della batteria
Fig - 2 Carica della batteria a impulsi limitata alla tensione
Fig - 2 Carica della batteria a impulsi limitata alla tensione
  • Carica limitata a due stadi di corrente e tensione
    Un altro profilo di carica popolare è mostrato in Fig. 1d. Con questo, la tensione è lasciata salire nella fase di massa fino a raggiungere la tensione di gassificazione. La corrente scende allora a un livello fisso basso per ridurre la tensione che sale gradualmente fino al livello di gasatura. Generalmente, c’è un tempo di interruzione legato al tempo di carica iniziale della fase di massa. Questo permette un periodo di gassificazione fisso e un ingresso di ampere-ora fisso basato sullo stato di carica della batteria
Fig 3 tipico algoritmo di carica della batteria per una cella Li-ion
Fig 3 tipico algoritmo di carica della batteria per una cella Li-ion
Fig 4 Curve di carica tipiche per Ni-Cad (a) e NiMH (b) cellule
Fig 4 Curve di carica tipiche per Ni-Cad (a) e NiMH (b) cellule
  • Carica di massa limitata alla tensione con impulso di corrente costante di equalizzazione.
    Fig. 2 è una rappresentazione di un comune metodo di carica a impulsi. Questo è generalmente di beneficio per gli utenti di batterie VRLA che hanno un tempo limitato per ricaricare completamente le loro batterie. In questo metodo, c’è sia una fase CC che una fase CV in cui viene applicata la maggior parte della carica.
  • L’impulso è generalmente un’esplosione di corrente da 10 a 20 secondi con restrizione di tensione seguita da una pausa fino a un paio di minuti. Poiché la tensione è in ritardo rispetto alla corrente, che ha una durata limitata, non raggiunge livelli di picco prima di spegnersi. In questo modo, l’evoluzione del gas è limitata e il tempo di pausa tra gli impulsi di corrente permette ai gas di ricombinarsi in acqua, impedendo il dry-out.

I commenti finora sono stati rivolti alle batterie al piombo. La carica delle batterie Li-ion, NiCd e NiMH richiede algoritmi di carica diversi da quelli di una batteria al piombo-acido. Iniziando con la batteria agli ioni di litio, il punto immediato da notare è che ci sono diverse tensioni di carica per i diversi catodi agli ioni di litio. Un litio-ione -FePO4 funziona a 3. 2V per cella, mentre una Li-Co è di 4,3v per cella. Ciò significa che non è possibile utilizzare lo stesso caricabatterie per entrambe le batterie.

Tuttavia, il principio generale è lo stesso per tutti i tipi di batterie agli ioni di litio e abbastanza diverso da una batteria al piombo. Poiché non c’è reazione chimica durante i processi di carica e scarica, il trasferimento è veloce a tassi molto elevati limitati dall’uscita del caricabatterie o dal BMS (Battery Management System). Tipicamente, tra 0,1C e 1C tassi a corrente costante con un taglio di tensione sono comuni. La figura 3 mostra un tipico profilo di carica per una cella agli ioni di litio. Il periodo di carica può anche essere terminato quando si raggiunge una corrente minima intorno al 2-3% del valore di 1C ampere.

NiMH e NiCd hanno anche diversi schemi di carica e risposte molto diverse alla carica, sia verso altri prodotti chimici che tra di loro. La figura 4 mostra un tipico schema di carica per entrambi i Ni-Cad (a) e NiMH (b). Anche se entrambe le varianti di nichel hanno la stessa tensione di riposo e di funzionamento, la tensione di carica può variare notevolmente. Un caricatore per entrambi i tipi non può fare affidamento sulla tensione come meccanismo di terminazione della carica. Per questo motivo, i caricatori utilizzano semplicemente un caricatore a corrente costante a uno o due stadi con una terminazione basata sul tempo, sulla pendenza della tensione e sul cambiamento di temperatura della pendenza. L’esame delle caratteristiche della carica mostra che c’è sia un aumento della temperatura che un contemporaneo calo della risposta della tensione quando la carica raggiunge il 100% di completamento.

Queste caratteristiche sono utilizzate per determinare la fine della carica. Poiché la tensione assoluta varia con la temperatura ed è diversa per entrambi i tipi di cella. L’inizio della pendenza negativa della tensione (-dV/dt) o il rapido aumento della pendenza della temperatura (dT/dt), sono le caratteristiche più comunemente utilizzate. Se si usa un metodo di temporizzazione, la corrente dovrebbe essere molto bassa per prevenire il sovraccarico e la perdita di ossigeno. In alcuni casi, in particolare con celle o batterie fuori equilibrio, è meglio scaricare a 0,9-1,0 volt per cella prima di caricare con il metodo del timer.

Come funziona un caricabatterie?

Tutti i caricabatterie assorbono la corrente alternata (AC) della rete elettrica e la convertono in corrente continua. Nel processo, ci saranno alcune ondulazioni AC che devono essere mantenute a meno del 3%. Alcuni dei caricabatterie sul mercato hanno caratteristiche per filtrare le increspature, che altrimenti danneggerebbero la batteria durante la carica. In ogni caso, è meglio usare un’alimentazione trifase poiché la corrente monofase ha un’ondulazione del 10 %.

Tutti i caricabatterie assorbono la corrente alternata (AC) della rete elettrica e la convertono in corrente continua. Nel processo, ci saranno alcune ondulazioni AC che devono essere mantenute a meno del 3%. Alcuni dei caricabatterie sul mercato hanno caratteristiche per filtrare le increspature, che altrimenti danneggerebbero la batteria durante la carica. In ogni caso, è meglio usare un’alimentazione trifase poiché la corrente monofase ha un’ondulazione del 10 %.

Caricabatterie a tensione costante

La tensione costante permette alla piena corrente del caricabatterie di fluire nella batteria fino a quando l’alimentazione raggiunge la sua tensione preimpostata. La corrente si ridurrà ad un valore minimo una volta raggiunto quel livello di tensione. La batteria può essere lasciata collegata al caricabatterie fino a quando non è pronta per l’uso e rimarrà a quella “tensione di galleggiamento”, con una carica di mantenimento per compensare la normale autoscarica della batteria.

Tensione costante corrente costante

Tensione costante / corrente costante (CVCC) è una combinazione dei due metodi precedenti. Il caricatore limita la quantità di corrente a un livello prestabilito fino a quando la batteria raggiunge un livello di tensione prestabilito. La corrente si riduce quando la batteria è completamente carica. La batteria al piombo-acido utilizza il metodo di carica a corrente costante e tensione costante (CC/CV). Una corrente regolata aumenta la tensione del terminale fino al raggiungimento del limite superiore della tensione di carica, a quel punto la corrente scende a causa della saturazione.

Diversi tipi di caricabatterie

L’attuale tecnologia di ricarica delle batterie si basa su microprocessori (chip per computer) per ricaricare, utilizzando 3 fasi di ricarica regolata. Questi sono i “caricatori intelligenti”. Questi sono facilmente disponibili. Le tre fasi della carica delle batterie al piombo sono i principali ingressi di corrente per la conversione, e la carica float su un periodo continuo. È necessaria una carica di equalizzazione periodica per mantenere l’uniformità. Utilizzare le raccomandazioni del produttore della batteria sulle procedure e le tensioni di carica o un caricabatterie di qualità controllato da un microprocessore per mantenere la capacità e la durata della batteria.
I “caricatori intelligenti” sono profilati con la tecnologia di ricarica contemporanea in mente, e prendono anche informazioni dalla batteria per fornire il massimo beneficio di carica con la minima osservazione.

VRLA – Le batterie gel e AGM richiedono impostazioni di tensione diverse. Questo per evitare la gassificazione e l’essiccazione. Il processo di ricombinazione dell’ossigeno in una batteria VRLA (Valve Regulated Lead-acid) richiede un’impostazione di tensione più bassa per evitare l’evoluzione dell’idrogeno e l’essiccazione della cella.
La tensione massima di carica per le batterie al gel è di 14,1 o 14,4 volt, che è inferiore a quella di cui ha bisogno una batteria a umido o AGM VRLA per una carica completa. Il superamento di questa tensione in una batteria al gel può causare bolle nel gel elettrolitico e danni permanenti.

La corrente nominale dei caricabatterie raccomanda di dimensionare il caricabatterie a una corrente massima del 25% della capacità della batteria. Alcune batterie specificano il 10% della capacità È più sicuro usare una corrente inferiore, anche se ci vuole più tempo.

Un metodo di carica a corrente costante e tensione costante (CCCV) è una buona opzione. Una corrente costante aumenta la tensione terminale fino al raggiungimento del limite superiore della tensione di carica, a quel punto la corrente scende a causa della saturazione. Il tempo di ricarica è di 12-16 ore e più lungo (36 ore) per le grandi batterie fisse. La batteria al piombo è più lenta e non può essere caricata velocemente come altri sistemi di batterie. Con il metodo CCCV, le batterie al piombo-acido sono caricate in tre fasi, [1] carica a corrente costante, [2] tensione costante e [3] carica flottante al completamento della carica.

La carica a corrente costante applica la maggior parte della carica e occupa circa la metà del tempo di carica richiesto; la carica di rabbocco continua a una corrente di carica inferiore e fornisce la saturazione, e la carica continua a galleggiante compensa la perdita causata dall’autoscarica. Durante la carica a corrente costante, la batteria si carica fino a circa il 70 per cento in 5-8 ore; il restante 30 per cento si riempie di tensione costante che dura altre 7-10 ore. La carica fluttuante nella terza fase mantiene la batteria a piena carica.

Ricarica della batteria, si può sovraccaricare la batteria da 12V?

In tutti questi prodotti chimici il sovraccarico può creare danni o rischi per la sicurezza. Nel caso delle batterie al piombo, le tensioni di sovraccarico sono limitate e la corrente in eccesso viene dissipata nella scomposizione dell’acqua, nel rilascio di idrogeno e ossigeno e nella creazione di calore. L’aumento della corrente non aumenterà la tensione, aumenterà il tasso di gassificazione e di perdita d’acqua e causerà un aumento della temperatura. Un po’ di sovraccarico è tollerato soprattutto quando è richiesta l’equalizzazione della cella o della batteria.

Per le batterie agli ioni di litio, il sovraccarico è difficile a causa del BMS incorporato nella batteria. Questo interromperà l’alimentazione di corrente una volta raggiunta la tensione di terminazione, o la temperatura diventa troppo alta. Questa è una precauzione necessaria perché le celle agli ioni di litio contengono un elettrolita volatile che sarà rilasciato a temperature più elevate. È il vapore dell’elettrolita che prende fuoco nelle batterie agli ioni di litio, rendendo il sovraccarico molto pericoloso. Le batterie NiCad e NiMH non devono essere sovraccaricate perché perderanno ossigeno e quindi elettrolito, anche se sono le versioni sigillate.

Ci sono diversi indicatori del SOC di una batteria: la tensione di riposo misurata ai suoi terminali, il peso specifico dell’elettrolito (batterie aperte allagate) o il valore dell’impedenza. Sono diversi per ogni chimica di batteria, e per questo motivo, è meglio guardare ogni tipo separatamente:
1. Piombo-acido.
Gravità specifica.
La reazione delle piastre con l’acido solforico durante la carica e la scarica determina il rapporto tra acido e acqua in una cella.

Quando si carica la concentrazione di acido solforico è alta, quando si scarica è più bassa (eq. 1). Poiché la densità dell’acido è 1,84 e quella dell’acqua è 1 il peso specifico, SG dell’elettrolita aumenta durante la carica e diminuisce durante la scarica.
La reazione ha una relazione di primo ordine, il che significa che la variazione della concentrazione è lineare, quindi la misurazione dell’SG dà un’indicazione diretta del SOC della batteria, Fig. 5.

Fig 5 Variazione di tensione e SG con SOC per una batteria al piombo 12 V
Fig 5 Variazione di tensione e SG con SOC per una batteria al piombo 12 V
Fig 6 Metodo per una corretta lettura dell'idrometro
Fig 6 Metodo per una corretta lettura dell'idrometro

Una nota di cautela: questo non si applica quando la carica della batteria è in corso e nella fase di bulk, o pre-gassificazione. Senza l’agitazione dell’elettrolito, l’acido più denso prodotto durante la carica affonderà, lasciando il grosso dell’elettrolito più diluito fino a raggiungere una tensione di 2,4 volt per cella. Da questo punto, il gas evoluto alle piastre creerà un’azione di agitazione per mescolare l’acido.

Tensione di riposo: Questo può essere un’indicazione del SOC e legato al peso specifico della cella nella seguente relazione:

  • Volt di riposo = SG + 0,84 …………………………………………………………..eq 2

Per esempio, una cella da 2V con un peso specifico di 1,230 avrà una tensione di riposo di 1,230 + 0,84 = 2,07 volt

L’utilizzo di questa relazione può dare un’indicazione ragionevolmente accurata del SOC della batteria, tuttavia, batterie diverse hanno intervalli operativi diversi per l’SG e quindi la condizione di massima carica di un VRLA SG potrebbe essere 1,32 rispetto a un OPzS con un SG superiore di 1,28. La temperatura influisce anche sull’SG e quindi sulla tensione della cella. L’effetto della temperatura sulla tensione a circuito aperto è riportato nella tabella 2.

Un altro fattore è che le batterie appena caricate hanno un’alta concentrazione di acido vicino alle piastre a causa della formazione di acido solforico durante una carica. Questo è il motivo per cui la tensione dopo la carica rimane alta per un po’ di tempo, forse fino a 48 ore, prima di stabilizzarsi su un valore costante. A meno che non si faccia una breve scarica alla batteria, essa deve riposare per permettere l’equalizzazione della concentrazione dell’acido prima di fare una lettura della tensione.

Strumenti necessari per la misurazione del SOC
Questi consistono in un voltmetro DC o un multimetro per le misure di tensione e un idrometro per la lettura del peso specifico.
Per le celle allagate, a parte un test di scarica, l’idrometro è il miglior metodo per determinare lo stato di carica. L’uso di un idrometro richiede un po’ di pratica e deve essere fatto con molta attenzione. La procedura consiste nel mettere la batteria in una posizione adatta in modo che la lettura dell’idrometro possa essere presa all’altezza degli occhi (Fig. 6 sopra).

Per le batterie sigillate, non è possibile utilizzare un idrometro, quindi una misurazione dei volt di riposo è l’unica opzione. Questo metodo è applicabile sia alle batterie sigillate che a quelle allagate al piombo.
Per questo, il multimetro deve essere impostato su una tensione massima appropriata per garantire che possa leggere più di 12 volt, ma anche produrre almeno 2 cifre decimali di precisione. Usando l’eq. 2, la tensione può essere utilizzata dopo la regolazione della temperatura, per stimare l’SG e quindi il SOC della batteria, a condizione che il valore SG del produttore per la batteria completamente carica sia noto.

In entrambi i casi di utilizzo della tensione o di un idrometro per misurare lo stato di carica, SOC, è necessario applicare una compensazione di temperatura. La tabella 2, fornita dalla BCI, fornisce le regolazioni appropriate per entrambe le letture dell’idrometro e del misuratore di tensione.

Tabella 2 Compensazione del peso specifico dell’elettrolita e delle letture di tensione con la temperatura

Temperatura dell'elettrolito Fahrenheit (°F) Temperatura dell'elettrolito Celsius (°C) Aggiungere o sottrarre alla lettura SG dell'idrometro Aggiungere o sottrarre alla lettura del voltmetro digitale
160° 71.1° +.032 +.192 V
150° 65.6° +.028 +.168 V
140° 60.0° +.024 +.144 V
130° 54.4° +.020 +.120 V
120° 48.9° +.016 +.096 V
110° 43.3° +.012 +.072 V
100° 37.8° +.008 +.048 V
90° 32.2° +.004 +.024 V
80° 26.7° 0 0 V
70° 21.1° -.004 -.024 V
60° 15.6° -.008 -.048 V
50° 10° -.012 -.072 V
40° 4.4° -.016 -.096 V
30° -1.1° -.020 -.120 V
20° -6.7° -.024 -.144 V
10° -12.2° -.028 -.168 V
-17.6° -.032 -.192 V

2. Li-ion, NiMH e NiCd.
Per tutti questi prodotti chimici, la misurazione del SOC presenta delle serie sfide. Tutti hanno una curva di scarica molto piatta con una differenza di tensione molto piccola tra lo stato di piena carica e quello di scarica. Le reazioni di carica e scarica all’interno delle celle NiCd e NiMH non alterano in modo apprezzabile l’SG dell’elettrolita e tutti i prodotti chimici Li-ion funzionano con celle completamente sigillate. Questo rende i controlli statici o casuali su una batteria in servizio quasi impossibili, certamente per un utente non professionista. L’attuale stato dell’arte dello stato di carica, le misurazioni SOC per questi prodotti chimici sono basate su letture dinamiche prese durante il loro funzionamento.

Possono essere basati sul conteggio degli ampere-ora, sulla risposta della tensione alle correnti di scarica o anche sugli impulsi di corrente costante. Le apparecchiature di misurazione sono di solito incorporate in dispositivi costosi o sofisticati come i veicoli elettrici o le macchine industriali, dove è necessario conoscere il tempo di funzionamento disponibile. Nelle attrezzature meno sofisticate come gli utensili elettrici manuali, notare che l’utensile si ferma o gira meno velocemente è l’unica indicazione disponibile.

Ci sono tester di spettrometro d’impedenza disponibili in commercio che misurano l’impedenza interna di una batteria per prevedere il suo stato di carica. Questi dispositivi dipendono da un algoritmo basato sul test di centinaia di batterie in vari stati di carica e di varie età per prevedere il SOC. I risultati sono specifici della chimica e dell’età di una particolare batteria. Più test sono stati fatti per realizzare l’algoritmo, più l’algoritmo è accurato.

Durante la ricarica della batteria, si può sovraccaricare una batteria?

Comunque si decida di misurare lo stato di carica ci sono regole che si applicano a tutti i tipi di batteria. Questi servono a prevenire la sovrascarica di una batteria che può causare il danneggiamento delle singole celle facendole andare al contrario, fino ad avere tensioni negative. Il sovraccarico è meno chiaro, perché nel caso degli acidi al piombo a volte è necessario farlo per equalizzare le celle o le singole batterie in un banco. Tuttavia, un eccessivo sovraccarico porta alla formazione di gas con perdita d’acqua e corrosione delle piastre positive, entrambe le quali riducono la vita della batteria.

Per le batterie a base di nichel, la perdita d’acqua è il problema più comune che porta di nuovo a una riduzione della vita operativa. Nel caso dei prodotti chimici al litio, di solito è impossibile sovraccaricare a causa del BMS incorporato che taglia automaticamente l’ingresso di corrente ad una tensione prestabilita. In alcuni design, c’è un fusibile incorporato che impedisce il sovraccarico. Tuttavia, questo di solito rende la batteria irreversibilmente inutilizzabile.

Carica della batteria, sovraccarico come si evita?

La decisione di ricaricare una batteria dipende dalle circostanze d’uso e dal grado di scarica. Come regola generale per tutti i prodotti chimici, la batteria non dovrebbe scendere sotto l’80% DOD per massimizzare la sua vita operativa. Ciò significa che il SOC finale della batteria deve essere calcolato dal punto di misurazione alla fine del suo funzionamento giornaliero. Se per esempio il SOC è del 40% all’inizio dell’operazione e userà il 70% della sua capacità alla fine dell’operazione, allora la batteria dovrebbe essere ricaricata prima di permetterle di continuare.

Per prendere questa decisione è necessario determinare la capacità residua o il tempo di funzionamento rimasto in una batteria. Questo non è semplice perché la capacità della batteria è determinata dal tasso di scarica. Più alto è il tasso di scarica, minore è la capacità disponibile. Le batterie al piombo sono molto suscettibili a questo, come mostrato in Fig.8.

Le batterie basate su Li-ion e NiCd hanno capacità ridotte a tassi di scarica più alti, ma non sono così pronunciate come quelle al piombo. Fig. 9 mostra l’effetto di 3 diversi tassi di scarica sulla capacità disponibile di una batteria NiMH. In questo caso, 0,2C (tasso di 5 ore), 1C (tasso di 1 ora) e 2C (tasso di 1/2 ora).

In tutti i casi, il profilo di tensione rimane molto piatto ma ad un livello ridotto fino alla fine del periodo di scarica, quando la tensione crolla improvvisamente.

Fig 7. Effetto del tasso di scarica sulla tensione finale e la capacità delle batterie al piombo
Fig 7. Effetto del tasso di scarica sulla tensione finale e la capacità delle batterie al piombo
ricarica della batteria - Fig 8. Variazione del tempo di funzionamento e della tensione con il tasso di scarica per le batterie NiMH
Fig 8. Variazione del tempo di funzionamento e della tensione con il tasso di scarica per le batterie NiMH

Carica della batteria - calcolo dei tempi di carica e scarica della batteria

Calcolo dei tempi di carica e scarica della batteria
Per stabilire il tempo di scarica di qualsiasi batteria in un particolare stato di carica, è necessario conoscere la corrente assorbita e la capacità della batteria ad un particolare tasso di scarica. Il tempo di funzionamento può essere calcolato approssimativamente usando una regola empirica per ogni chimica di batteria.

Conoscere la capacità effettiva ad un determinato tasso di scarica permetterà di prevedere il tempo di funzionamento come segue:

Capacità standard della batteria (ampere ore) = C
Corrente di scarica (ampere) = D
Fattore di scarico = D/C = N
Tasso di scarica (ampere) = NC
Capacità al tasso di scarica D (ampere ore) = CN
Tempo di scarica per una batteria completamente carica (ore) = CN /D
Utilizzando la stima dello stato di carica in percentuale, il tempo di esecuzione può essere calcolato:
Tempo di funzionamento = % stato di carica x CN /(100xD) = ore

Il calcolo del tempo di carica è complesso perché dipende dallo stato di carica della batteria, dal tipo di batteria, dall’uscita del caricatore e dal tipo di caricatore. È necessario conoscere lo stato di carica della batteria per determinare gli ampere-ora che devono essere messi nella batteria per ricaricarla. La velocità con cui questo accade dipende dalla potenza del caricabatterie e da come si carica. Chiaramente una batteria agli ioni di litio può ricaricarsi in un paio d’ore da completamente scarica se il caricatore ha una potenza sufficiente.

Una batteria piombo-acido sigillata con limitazione dell’uscita del caricabatterie impiegherà molto più tempo a causa della restrizione di tensione e della corrente ridotta nella fase di gassificazione. Una volta determinato lo stato di carica si può calcolare quanti ampere-ora sono necessari per essere rimessi nella batteria. Conoscere le caratteristiche del caricabatterie aiuterà a fare il calcolo del tempo in base alla velocità di carica tenendo conto del modello di carica utilizzato.

Un altro fattore è la temperatura ambiente (condizioni meteorologiche) che influisce sulla tensione di carica e sulla corrente assorbita dal caricatore. Le temperature più elevate fanno diminuire la tensione di carica ma aumentano anche la corrente assorbita. Per le batterie in carica fluttuante, è necessario applicare una compensazione di tensione con la temperatura. Microtex può consigliare la regolazione necessaria quando le temperature variano significativamente dai 25°C standard.

Ultime parole sulla ricarica della batteria!

Caricare correttamente la batteria e conoscere il suo stato di carica non è semplice. Spesso le batterie vengono acquistate senza alcun consiglio o servizio di supporto da parte del venditore. Ecco perché è importante comprare da un fornitore rispettabile che mette la soddisfazione del cliente al primo posto. Per consigli su qualsiasi manutenzione o installazione di ricarica della batteria, la cosa migliore da fare è contattare un fornitore professionale di fiducia.

Come sempre, Microtex, un produttore internazionale di batterie di lunga data con un record impeccabile di soddisfazione del cliente, è sempre a disposizione per aiutare. Sono una delle poche aziende che hanno la conoscenza e i prodotti per fornire e assistere le batterie praticamente per tutte le applicazioni industriali e di consumo. Se la tua ricarica della batteria non ti permette di farlo, contatta le persone che non lo faranno.
Per tutte le questioni relative alla ricarica delle batterie
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