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Batterie NiMH parte 1a: test e caratterizzazione

Le batterie stilo e ministilo NiMH sono presenti sul mercato da parecchi anni, a prezzi concorrenziali e capacità considerevoli, superiori ai 2000 mAh per il formato stilo (AA).

In questo articolo e nel successivo riporto alcune considerazioni e test effettuati in circa 10 anni di utilizzo di questa chimica, sperando di rispondere in tal modo ad alcune domande che vengono riproposte periodicamente dagli utilizzatori di queste batterie ricaricabili.

Ovviamente non è necessario fare tutte queste misure per impiegare in maniera soddisfacente queste batterie, ma le considerazioni fatte possono aiutare nella scelta delle batterie più adatte e nella loro gestione, nonché nella triste decisione riguardante il loro "fine vita".

Indice

Descrizione delle batterie

Le batterie NiMH da me utilizzate sono tutte nei due formati stilo (AA) e ministilo (AAA).

Ho comprato tra il 2008 circa e il 2017 batterie di varie marche: Energizer, Varta, Carrefour, Fameart, Duracell. Non ho mai comprato le ben più quotate Eneloop.

Le capacità nominali sono aumentate leggermente negli anni ma dipendono ovviamente principalmente dal formato della cella:

Formato ministilo (AAA): capacità comprese tra 600 e 1000 mAh Formato stilo (AA): capacità comprese tra 1600 e 2400 mAh

Quasi tutte le pile sono state identificate mediante numerazione progressiva sulla carcassa

Strumentazione utilizzata

Per le misure ed i test sono stati usati pochi semplici strumenti:

multimetro (voltmetro e amperometro con portata 10A)

caricabatterie vari di acquisto (vedi seconda parte dell'articolo) o alimentatori da banco

semplice caricabatterie/equalizzatore autocostruito (alimentatore da presa + regolatore lineare con Vo=1,47V)

Scariccatore light

E' un semplice circuito che permette di scaricare le batterie a corrente costante pari a 0,2, 0,5 o 1A, simulando una scarica lenta (tipica di apparecchi poco energivori come una radiolina) o veloce (per selezionare batterie adatte a impieghi gravosi). E' il fratello minore del ben più potente Scariccatore realizzato per testare batterie al litio da 60Ah.

Il circuito ha una isteresi con tensioni di spegnimento ed accensione pari rispettivamente a circa 0,9 e 1,1V, e comprende un contaminuti per poter leggere il tempo di scarica (e quindi ricavare la capacità effettiva) senza dover presidiare il test.

Lo schema è riportato in questo 3d:

scaricatore

Carica delle celle

Le batterie da caratterizzare devono ovviamente essere sottoposte ad una carica completa prima di qualsiasi test di scarica.

A tale scopo ho usato i vari caricabatterie di acquisto che avevo a disposizione (descritti nella 2a parte), completando però la carica con il mio equalizzatore DIY, o con un alimentatore da banco, fino ad ottenere la tensione di fine carica di 1,5V circa.

Questa tensione non è casuale ma corrisponde mediamente (con piccole differenze tra costruttori diversi o tra lotti diversi) alla tensione massima alla quale è possibile caricare questa chimica con un lieve riscaldamento e senza rischi di danneggiamento nel breve periodo.


Per cariche molto lente o cariche tampone consiglio invece di fissare la tensione a 1,4-1,5V massimo, valore al quale le celle non scaldano in maniera apprezzabile.


Un caricabatterie professionale per NiMH dovrebbe misurare e considerare ben altre grandezze: plateau di tensione, deltaV negativo, aumento di temperatura ed altro, come spiegato per esempio in questo link fornito da GuidoB:

http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_nickel_metal_hydride

Come riportato dal link le celle comunque non gradiscono cariche aggressive, e la "trickle charge" (carica di mantenimento) si dovrebbe aggirare intorno a 0,05C (circa 100mA per batterie da 2000mAh) e non deve comunque causare un riscaldamento apprezzabile delle batterie.

Test di scarica "storici"

In questo paragrafo riporto un riassunto delle numerose misure fatte in questi anni, misure che evidenziano alcuni aspetti caratteristici delle batterie NiMH e permettono di fare alcune considerazioni interessanti.

Per il test di scarica ho adottato una procedura "standard" che permette di confrontare pile di capacità (nominale e effettiva) diverse; dopo la ricarica completa a 1,6V il test consiste nelle seguenti fasi:

1) Misura rapida della corrente di corto circuito Icc

2) Misura della tensione a vuoto Vo

3) Misura rapida della tensione con pila carica @0,2, e 0,5A (1A solo per il formato AA)

4) Misura della capacità effettiva alla I di scarica scelta


La data di acquisto della maggior parte delle batterie risale a prima del 2010 e non era stata annotata, è quindi difficile risalire al numero di cicli di carica/scarica (molto indicativamente una decina l'anno per batteria).


Nelle tabelle seguenti alcuni risultati ottenuti per i diversi formati. Solo le ultime due righe sono riferite a batterie comprate recentemente (novembre 2016) e testate all'acquisto.


03_tabella.jpg

03_tabella.jpg

Test di carica/scarica approfondito

In questo paragrafo riporto il test approfondito di una delle celle Varta acquistate nel novembre 2016. Sono celle AA da 2100mAh, che riportano sulla carcassa l'indicazione di ricaricarle a 150-210mA.

La misura fatta all'acquisto aveva verificato una capacità effettiva maggiore di 2000 mAh @1A di corrente di scarica. Il valore esatto non fu determinato perchè la tensione dopo 2h di scarica ad 1A era ancora superiore ad 1,05V e decisi di interrompere la scarica per non stressare inutilmente le celle nuove.

Dopo più di un anno di uso delle celle ho deciso di fare un test più approfondito su una di esse dopo averle ricaricate al 100%; ho scelto la batteria apparentemente migliore (quella con Icc più elevata pari a circa 10A).

Misura della corrente di trickle charge

Questa misura è servita per individuare tensione e corrente di "carica tampone" o trickle charge Vt e It, cioè la tensione di cella che possa essere tenuta per tempo indefinito senza danneggiare la stessa.

Riporto i valori ottenuti sulle nuove batterie e su alcune batterie vecchie:

05_tab2.jpg

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Queste correnti vengono interamente dissipate in calore; considerato che correnti superiori a 200mA provocano un riscaldamento apprezzabile delle celle, e vista la variazione di tensione al variare di lotto o utilizzo della cella, è evidente che per assicurare una carica sicura al 100% si dovrebbe usare un metodo complesso oppure una limitazione della corrente (generatore a corrente costante) pari a 100-150mA circa (per batterie da 2000mAh) all'avvicinarsi allo stato di carica completa (corrispondente a Vt=1,45-1,55V a seconda del lotto).

Scarica a corrente costante

Il test è stato effettuato per comodità a I=1000mA; a intervalli di scarica regolari sono state rilevate le tensioni a vuoto, con I=500mA e I=1000mA.

Raggiunti i 2Ah in scarica il test è stato effettuato a 0,5A di scarica per motivi pratici, ecco il grafico ottenuto:

Carica a corrente costante

Il test è stato effettuato a I=1000mA fino a 2000mAh caricati, e a 500mA nella fase finale; a intervalli di carica regolari sono state rilevate le tensioni a vuoto, con I=500mA e I=1000mA.

Raggiunti i 2Ah in carica la batteria ha iniziato a scaldare e la stabilizzazione della tensione ha confermato il raggiungimento di carica totale, ecco il grafico ottenuto:

Considerazioni sui test

Una caratteristica tipica di questa chimica è che le celle tendono a scaldare in maniera apprezzabile per correnti di scarica elevate (0,5-1A), e il riscaldamento riduce la resistenza interna della batteria aumentandone l'efficienza.

La tensione ai capi della singola cella può quindi essere più alta nella fase iniziale della scarica di quelle "a freddo" riportate in tabella.


In ricarica invece le celle scaldano una volta raggiunto il 100% di SOC (state of charge) anche per correnti limitate (tutta l'energia immessa viene infatti dissipata in calore).


La resistenza interna può essere valutata grossolanamente dalla cadute di tensione ai capi della cella in scarica, e risulta pari a circa 100mΩ.

La corrente di corto circuito, da misurare rapidamente e con cognizione di causa, pur essendo influenzata dalla resistenza di contatto e dalla resistenza dell'amperometro e dei suoi puntali può fornire una indicazione di massima sulla capacità reale della cella (se misurata a cella carica) o sulla capacità residua (se misurata su cella parzialmente scarica).

L'efficienza di questa chimica (rapporto tra energia immessa e energia prelevata) è molto elevata e superiore al 90% (immessi circa 2,1Ah dopo un prelievo di 2Ah), ovviamente tende a diminuire se si prolunga la carica oltre il punto di SOC=100% o se le batterie vengono utilizzate dopo un lungo periodo dalla ricarica (anche se l'autoscarica sulle NiMH recenti è stata ridotta).

Conclusioni

In questo articolo ho tentato di dare alcune informazioni sul comportamento caratteristico di questo tipo di celle ricaricabili.Nella prossima puntata fornirò alcuni consigli per l'uso, con altre misure sul campo.


Riferimenti

Per chi fosse interessato a test approfonditi di batterie al litio per trazione e ad altri argomenti da me trattati (gestione batterie, veicoli elettrici, risparmio energetico e altro) segnalo questo mio articolo che riassume e riporta il link a tutti i miei articoli:

L'articolo degli articoli

Alcune informazioni sono state tratte da questo 3d su Energeticambiente:

gestione NiMH

La seconda parte è ora disponibile qui:

NiMH 2a parte


Buona lettura!

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Commenti e note

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di ,

Ok grazie ancora. Anche io ho fatto test sulle celle LiFeYPO4 del mio pacco da 13kWh , da nuove e dopo 50000km, se ti interessa guarda tra i miei articoli

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di ,

Ciao il forum è molto famoso se posso inserisco gli indirizzi anche per chi voglia chiedere consigli o chiarimenti Pile e batterie https://www.hwupgrade.it/forum/showthread.php?t=1486066 Caricabatterie https://www.hwupgrade.it/forum/showthread.php?t=1288461 Inoltre aggiungo un altro sito (in inglese) molto completo sui test su caricabatterie e pile ricaricabili anche litio http://www.lygte-info.dk/

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di ,

grazie del commento Loker, credo che tutti i miei acquisti recenti siano di quel tipo. Immagino che sull'altro forum abbiate fatto ben altri test, io sono un "dilettante" al confronto

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di ,

Ciao seguo il tema delle pile ricaricabili da qualche anno su un altro forum in cui sono presenti 2 thread separati, uno per i caricabatterie ed uno per le pile. Volevo solo aggiungere al tuo articolo un'informazione per me fondamentale per guidare all'acquisto delle pile ricaricabili: ormai da parecchi anni sono in commercio delle pile stilo (AA) e ministilo(AAA) che adottano la tecnologia LSD (non è una droga ma l'acronimo che identifica quelle pile che nel tempo si scaricano lentamente), ne accenni brevemente solo nella parte finale del tuo articolo. A differenza delle classiche NiMh che dopo poco tempo si scaricano da sole queste pile di nuova generazione conservano la maggior parte della loro carica anche dopo parecchi mesi dall'ultima ricarica. In commercio vengono vendute da tutti i migliori marchi di pile come Energizer,Duracell, Panasonic,Varta ecc con diversi nomi che hanno lo stesso significato, in particolare suggerisco di cercare quelle pile che sulla loro confezione riportano una delle seguenti diciture: Precariche, Gia' cariche, Pronte all'uso; o in lingua Inglese Ready to use, Precharged, LSD,Stay charged.

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