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Il ciclo di carica e scarica delle batterie al piombo acido

Indice

Perché questo articolo

Salve a tutti, questa è la prima volta per me che pubblico un articolo qui sul portale, spero di fare cosa gradita e di interesse per l'argomento che ho scelto di trattare e soprattutto conoscenze teoriche a parte, il presente è frutto di più o meno cinque anni di esperienza nella manutenzione e riparazione di UPS e convertitori CA/CC, raddrizzatori, industriali con batterie di backup, al Piombo acido e al NiCd a vaso aperto.
In questa sede scrivo dell'elemento al piombo acido in quanto di uso più comune e oggetto di tantissimi topic sul forum di ElectroYou.
Dò per scontato che la maggior parte di utenti sappia cosa sia e come è fatta in linea di massima una batteria al piombo, cercherò di dare comunque una breve spiegazione.

La batteria al Piombo acido

La batteria è stata inventata nel 1859 dal fisico francese Gaston Plantè.
All'interno del box in plastica che siamo abituati comunemente a vedere, c'è una serie di piastre in Piombo (Pb), anodo (-), alternate a piastre di ossido di Piombo (PbO2), catodo (+), immerse in soluzione elettrolitica di H2SO4, soluzione acquosa contenente acido solforico al 33,5%.

'Batteria al piombo vista all'interno

L'elemento al piombo, presenta ai suoi capi una differenza di potenziale di 2 volt, in una batteria da 12 volt ci sono quindi 6 elementi in serie, a determinarne la capacità sarà la dimensione delle piastre che compongono l'elemento stesso.

Ciclo di carica e scarica

Le caratteristiche di una batteria al Pb, sono sostanzialmente la tensione di esercizio, comunemente 12 V, la capacità in Ah, la caratteristica "C" che è il tempo in cui la batteria deve essere scaricata per fornire la quantità di energia dichiarata dal costruttore, c'è poi la corrente di spunto che la batteria stessa riesce a sostenere per una frazione di tempo (si rimanda ai dati tecnici forniti dal costruttore).

12V 7AhC10, per esempio, vuol dire allora che parliamo di un pacco batteria da 12V che fornisce energia per 7Ah se scaricato in 10 ore, quindi a 700 mA.
Ma se il carico applicato fosse maggiore? E' sicuramente consentito, ma per una corrente maggiore, per esempio 3,5 A, la batteria non durerà 2 ore, sicuramente di meno in quanto la curva di scarica di una batteria non è lineare, e per questo rimando al seguente link, per lo stesso motivo con 7 A di carico la durata sarà ridotta a più o meno 40 minuti, se va bene, e per 14 A non mezz'ora come si potrebbe pensare ma più o meno una decina, forse 12 minuti, parlando comunque di batterie nuove.
Durante il ciclo di scarica la molecola H2SO4 si scompone con conseguente produzione di gas, ossigeno e idrogeno (sono gli elementi che compongono l'acqua), e questo determina il perché non esiste la batteria ermetica: anche per le batterie definite tali ci sono delle microaperture da cui fuoriescono i gas prodotti.
L'elemento al piombo è completamente carico se a circuito aperto si misurano ai suoi poli 2,13 V/el, viceversa e da considerarsi completamente scarico quando ai poli ci sono 1,6 V/el.
La carica può essere fatta in due modi, o in carica tampone, sottoponendo permanentemente la batteria a 2,27V/el e limitando la corrente a 0,25C, oppure dividendo la carica in due cicli distinti: il ciclo di carica rapida, carica fondo, sottoponendo la batteria a 2,4V/el e limitando la corrente a un decimo di C e poi tenendola in carica tampone a 2,27V/el, non si osserverà quasi alcun passaggio di corrente, circoleranno più o meno 2 o 3 mA.
Tale ciclo e regolato dal caricabatterie automaticamente, man mano che la batteria si carica richiederà sempre meno corrente, la tensione di 2,4V/el di carica fondo diminuirà progressivamente e raggiunto il limite di carica tampone automaticamente ci resterà fino a quando non sarà nuovamente scaricata, anche parzialmente.
In questa fase idrogeno e ossigeno si ricombineranno, e questo è il motivo per cui tecnicamente le batterie sono dette a ricombinazione di gas.
Nelle batterie dette in "GEL", dove non si vede alcun liquido e non si rabbocca ormai più l'acqua, è tutto uguale, con la sola differenza che all'interno dell'involucro a racchiudere gli elementi c'è una spugna intrisa di H2SO4 al 33,5% come per le altre, e per questo motivo le batterie di questo tipo sono definite a manutenzione ridotta.

La "Solfatazione" degli elementi al piombo acido

Nel tempo di vita di una batteria, la sua capacità si riduce progressivamente, questo è dovuto alla solfatazione degli elementi, si depositano cioè dei solfati di piombo sulle piastre all'interno della batteria riducendone la capacità. Il fenomeno non si verifica velocemente, ma è accentuato e accelerato se la batteria viene lasciata scarica tempi prolungati, o se l'elettrolita all'interno non copre completamente l'elemento nel caso di batterie dove è necessario il controllo e rabocco dell'acqua.

Manutenzione

Ormai le batterie di uso comune sono tutte del tipo a secco, "DRYFIT", e non è più necessario il rabbocco dell'acqua; ad ogni modo qualsiasi batteria non è molto felice di essere messa li in regime puramente stazionario, sarebbe buona regola almeno una volta l'anno scaricarla completamente e ricaricarla con un ciclo di carica rapida: in tali condizioni l'elettrolita all'interno "bolle" favorendo la rimozione dei solfati dalle piastre.

Quando una batteria è da ritenersi esausta?

Tipicamente i costruttori suggeriscono di sostituire gli elementi quando l'autonomia non va oltre 80% di C: una batteria in C10, dovrà essere completamente scarica a 1,7 V/el non prima di 8 ore o più se scaricata in C10, applicando un carico pari a un decimo della corrente di targa.
Sotto l'80% è suggerita la sostituzione, e per valori di molto sotto quest'ultimo, si rischia addirittura l'esplosione: si osserveranno dei rigonfiamenti dell'involucro esterno fino a che lo stesso si apre completamente con la fuoriuscita di liquido acido. Per batterie di grossa capacità può esserci una vera e propria esplosione.

Come si verifica l'autonomia di una batteria?

Per verificare l'autonomia di una batteria, bisogna scaricarla per il tempo C a corrente costante; ogni ora verificheremo la tensione e la scarica sarà interrotta quando per ogni elemento leggeremo 1,7 V, 10,2 V su una batteria 12 V.
E' ovvio che man mano che la batteria si scarica la sua tensione diminuisce e la prova sarebbe alterata dando come risultato un tempo di durata non attendibile. Per ovviare esistono appositi scaricatori, che controllati da modulatori elettronici tengono la corrente di scarica costante.

Posso fare la prova in meno tempo?

Si, esistono le tabelle di scarica fornite dai costruttori con le varie correnti indicate per i rispettivi tempi di scarica.

Conclusioni

Questo e quanto di mia conoscenza, ogni parere, commento, suggerimento e segnalazione di errori è accettato e gradito. Spero che come primo articolo rientri nell'interesse di qualcuno o più di qualcuno ed il lavoro fatto sia in qualche modo apprezzato.

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Commenti e note

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di ,

In un caricabatterie che ho utilizzato su una povera (e ora defunta) batteria a liquido (wet? piombo/acido https://it.wikipedia.org/wiki/Batteria_piombo-acido) c'è il grafico che allego. [IMG]http://i59.tinypic.com/5x1ug7.png[/IMG] Credo voglia dire: se metti in carica una batteria, da me - caricabatterie - uscira una corrente sempre minore man mano che il tempo passa. Ecco come... Il fatto che si fermava a 4 A (dopo 8 ore di carica...) e che era notevole la formazione di bolle (nonché il fatto che non riiscivo a far ripartire l'automobile come il gioro prima) mi fa pensare che la prima carica ha "ucciso" la batteria... Andrea 'ndrini

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di ,

molto interessante, soprattutto lo studio della curva di scarica :)

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di ,

Il pannello è da 12v e fornisce al massimo 3A purtroppo.. Elettricamente è come un generatore di corrente da 3A, dici che è troppo poco per caricarlo? Dovrei metterci più tempo (il massimo è 1/10 della capacità quindi 6.5A) ma dovrebbe caricarsi.. mi preoccupa molto la tensione della batteria.. molto bassa Grazie, ciao

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di ,

A parere mio la batteria è danneggiata, però provare a caricarla non costa nulla. Penso che bisogni comunque limitare la corrente dal pannello solare, tanto comunque 65Ah dovresti caricarli con il doppio della corrente che stai dando adesso, limita la corrente, ci metterà più tempo ma la carichi lo stesso.

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di ,

Ciao, Mi sono ritrovato una batteria al piombo tradizionale (non GEL o AGM) da 12V 65AH. Inizialmente la tensione misurava 4.5V ma ho pensato si potesse recuperare perché solo scarica. Ho notato che mancava leggermente l'acqua distillata così ne ho aggiunta e l'ho messa in carica direttamente con un pannello fotovoltaico da 50W (con diodo) senza nessun circuito di carica. La batteria inizialmente assorbiva 30mA, poi è arrivata ad assorbirne 300mA poi negli ultimi giorni (dopo circa una settimana) assorbe praticamente tutta la corrente prodotta (3A) provocando un calo di tensione del pannello fotovoltaico che si assesta sui 9V, l'alta corrente carica la batteria (almeno spero) perché la tensione nominale della batteria è al momento sui 6.2v e la differenza fa circolare la corrente. E' praticamente una carica a corrente costante in cui la tensione è molto bassa. Dite che mi conviene continuare in questo modo a lasciarla caricare a corrente costante? Pensavo che la tensione della batteria sarebbe tornata ai 13v invece vedo che sale molto molto lentamente e collegando un carico (es. una lampadina) quel poco che ha guadagnato lo riperde molto in fretta. Ciao

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di ,

Porca miseria... è 2,13 è un errore di digitazione: 2,13 x 6 = 12,7V!!!

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di ,

attiliovolpe, permettimi di essere incredulo sul valore (che hai scritto e ripetuto) di 2,73V/el. Tale valore corrisponde, per una batteria a sei celle, 12V nominali, a 16,38V valore che non ho mai visto riportato (e/o misurato) da nessuna parte. Inoltre le batterie ermetiche credo che lo siano. Hanno delle valvole unidirezionali che lasciano uscire gas (ma non entrare aria) in caso di trattamento improprio della batteria per evitare esplosioni o deformazioni. Ovviamente, in caso di intervento delle valvole, i gas che si saranno liberati in atmosfera non potranno più partecipare alla ricombinazione e quindi la batteria risulterà menomata in capacità e durata.

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di ,

Molto molto interessante. Grazie!

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di ,

Riguardo le nuove batterie LiFeYPO4 sembra siano più sicure delle tecnologie precedenti (es Li-on) al costo di un peggior valore di Wh/kg. Ovviamente sto approntando una serie di circuiti tipo BMS, con controllo in carica (equalizzazione) e in scarica (limitazione potenza e/o stop vettura). La vettura prevedeva le batterie in appositi cassoni, non nell'abitacolo, con ventilazione, sensori di temperatura e un BM che gestisce il tutto (da modificare per le litio); a livello di legge il libretto non riporta la chimica delle batterie, l'unica 'irregolarità' sarebbe la riduzione di peso, che francamente migliora le prestazioni e riduce gli spazi di frenata... al limite aggiungerò un po' di zavorra! Però siamo OT! Se interessa parlo della mia auto qui: http://www.energeticambiente.it/fiat-seicento-elettra/14752724-storia-di-eli.html e in quel forum ci sono altri appassionati come me... di veicoli elettrici da recuperare! invece su questo forum ho postato il mio circuito (in fase di prototipazione) per la gestione delle celle, forse un po' primitivo ma sembra funzionare: http://www.electroyou.it/forum/viewtopic.php?t=44004 Rispetto all'ultima domanda: mi hanno criticato in molti, ma l'auto lo presa da un comune, era ferma da anni... non me la sono sentita di spendere subito migliaia di euro per scoprire magari che aveva l'inverter ko... Con meno di 1000 euro l'ho riavviata e testata, e mi sono preso il tempo per conoscere meglio l'elettronica disponibile e studiarmi soluzioni circuitali per le litio. Diciamo che ho 'aggiunto' 1000 euro al costo ridicolo pagato per l'auto (1200 euro) Con le batterie trazione avrei speso circa 3000 euro (minimo), e forse sarebbero durate 2-3 anni ma con autonomia di 60-70 km in estate, 40 in inverno... o meno... Spero di non prendere fregature con le litio, ma con 60Ah litio dovrei superare agevolmente i 100km (anche se ne faccio giornalmente mediamente 1/3) e spero durino almeno 5-6 anni... al costo di 4000 euro (forse quasi 5000)

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di ,

Non so se in termini di legge puoi andare in giro con batterie al litio nel bagagliaio della tua macchinetta elettrica, il pacco batterie al litio in caso di troppa carica o corto circuito prende fuoco o addirittura esplode. La questione è stata anche oggetto di discussione per le batterie dei Pc portatili nelle cappelliere degli aerei. Per le tue batterie, scusa se dico: ma a cosa ti ha portato il risparmio? Adesso devi ricomprarle!

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di ,

no, l'ho già ammesso sono spudoratamente da avviamento... o meglio erano... Quelle da trazione costano più del doppio, quindi avendo comunque intenzione di passare al litio avevo scelto il 'piombo dei poveri'... secondo me non aveva molto senso spendere quasi la stessa cifra necessaria per quelle al litio per prendere batterie da trazione che comunque hanno prestazioni un bel po' inferiori a quelle al litio...

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di ,

Per 7,8V non una volta sola potrebbe anche essere che la vita delle tue batterie si sia ridotta così tanto. Inoltre la domanda è: le batterie acquistate son del tipo "per trazione"???

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di ,

Interessante! Approfitto della tua esperienza per chiederti un approfondimento... Il mio è un caso patologico di suicidio batterico (nel senso di batterie, non microorganismi) Ho comprato mesi fa una FIAT Seicento Elettra a pochi euro, ovviamente con batterie Pb-gel originali totalmente andate (segnavano 0V e erano 'circuiti aperti', cioè non accettavano corrente di ricarica). Per verificare il corretto funzionamento del veicolo ho deciso per una scelta 'low cost': batterie al Pb-acido da avviamento prese su internet (circa 55euro cad, 18 batterie da 60Ah). Speravo durassero almeno un anno, invece danno già segni di forte cedimento dopo 2 mesi...poco male, ho fermato l'auto e anticiperò l'acquisto delle costosissime LiFeYPO4! Volevo qualche parere da te... 1) perchè sono andate così in fretta? Credo sia dovuto all'elettronica di bordo, che rallenta e ferma l'auto a tensioni forse troppo basse per le Pb-acido (riduce le prestazioni con Vtot sotto i 140V, quindi 7,8V per batteria). Quindi l'omicidio sarebbe avvenuto soprattutto a causa dei 3-4 'record' di percorrenza che ho fatto arrivando in 'riserva', quindi in limitazione. Secondo te è verosimile o può anche essere dovuto semplicemente all'uso 'innaturale', cioè con correnti non elevatissime (intorno ai 50A medi) ma prolungate nel tempo? 2) sono recuperabili almeno in parte per impieghi più consoni? Magari tirando giù i cassoni scoprirò che hanno perso acido in giro...e potrebbe bastare un rabbocco... ma se fossero solfatate? Questa forse è una precisazione da aggiungere al tuo articolo, credo la solfatazione avvenga non solo se si lasciano scariche a lungo, ma anche (e rapidamente) se si scende troppo, anche per brevi periodi, con la tensione. Ciao e grazie!

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