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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.
