Cos’è una batteria e come funziona
La batteria è un dispositivo per l’accumulo di energia elettrica tramite processo chimico, infatti è in grado di immagazzinare energia elettrica quando è in fase di carica e restituirla quando è in fase di scarica. Per questo viene anche chiamato accumulatore
La tensione che sviluppa la batteria deriva dalla reazione chimica che avviene tra le due piastre, quella negativa e quella positiva, isolate fra loro da separatori microporosi in polietilene, immerse in una soluzione acquosa di acido solforico che determinano una tensione che varia dalla diversa natura della materia attiva di cui le piastre sono dotate.
Solitamente le batterie per auto/veicoli sono composte da sei celle o sei elementi, ogni elemento ha una tensione che è di circa 2,13 Volt, per un totale di 12,8 Volt(carica al 100%). La batteria è in grado di erogare elettricità solo nel momento in cui viene chiuso il circuito tra il polo positivo e quello negativo (processo di scarica), se invece inseriamo nel circuito un generatore di energia, la batteria immagazzinerà tale energia fino a quando non sarà più capace di accumularne (processo di carica).
Le batterie possono essere ricaricate?
Tutte le batterie possono essere ricaricate solamente con corrente continua facendo ben attenzione a non invertire la polarità di essa. Pertanto bisogna collegare il cavo positivo (+) del carica batterie al polo positivo (+) dell’accumulatore ed il cavo negativo (-) al polo negativo (-).
Per effettuare la ricarica bisogna utilizzare una corrente pari a 1/10 della capacità nominale (Ah) della batteria.
Per esempio una batteria da 50 Ah completamente scarica, per essere ricaricata, deve essere collegata al carica batterie impostato a 5 A per almeno 10 ore ( 5A x 10h = 50Ah)
La batteria si considera completamente carica quando ha una tensione di 12,60 V o più, mentre con una tensione pari a 12,30 V è da ritenersi scarica ma ancora in grado di svolgere parte del suo funzionamento. Sotto quest’ultima grandezza la batteria non è più in grado di avviare la vettura.
Se una batteria viene sotto scaricata, cioè ha una tensione inferiore a 10,00 V bisogna lasciarla collegata al carica batterie per più tempo, facendo attenzione che l’accumulatore non si surriscaldi; al suo verificarsi scollegare immediatamente la batteria dal caricatore.
La capacità, misurata in Ah, è la quantità di elettricità erogata in un intervallo di tempo, scaricando un accumulatore ad un determinato regime (corrente di scarica), fino al raggiungimento di una tensione prestabilita. La corrente erogata serve per alimentare i carichi elettrici dell’autovettura, come i fari, i tergicristalli, i vetri elettrici, il condizionatore ecc.
Per esempio, una capacità di 50 Ah, eroga 2,5 A per 20 ore.
La corrente di scarica rapida a freddo (A) dà l’indicazione della prestazione della batteria all’avviamento del veicolo. La valutazione si ottiene scaricando un accumulatore completamente carico alla temperatura di -18 °C con corrente costante prestabilita, fino al raggiungimento della tensione finale di prova.
Gestione delle Batterie in esercizio e in magazzino
Innanzitutto, occorre sapere che, in una condizione di clima mite le batterie “soffrono” poco se non sono particolarmente datate (quindi hanno meno di 3 o 4 anni) o se sono installate su veicoli senza dispersioni rilevanti.
Invece se abbiamo condizioni di temperature estreme, molto caldo o molto freddo, le batterie sono soggette a patire questi eventi, sopratutto in caso di dispersioni.
Per cercare di prolungare la vita della batteria bisogna per prima cosa, assicurarsi di aver spento eventuali sistemi che possono assorbire energia, come le luci, per non mettere a continui cicli di carica e scarica la batteria facendone soffrire le piastre interne
Assicurarsi quindi che non vi siano assorbimenti e verificare il corretto funzionamento dell’alternatore, il quale deve lavorare ad una tensione non inferiore a 13,80 V fino ad un massimo di 14,80 V.
Se consapevoli che il veicolo dovrà essere tenuto fermo per un lungo periodo, è consigliato, ove possibile, tenere in carica la batteria con un mentenitore di carica adeguato o di caricare la sia prima della messa a dimora che ogni 2/ 3 mesi.
Un esempio esaustivo è quello dell’uttilizzo della motocicletta o dello scooter che solitamente in inverno vengono lasciati fermi fino alla stagione succesiva, pertanto la batteria del mezzo necessita di essere ricaricata per garantire un uso corretto e prolungarne la darata.
Anche le batterie nuove che non sono state installate, siano esse cariche con elettrolito o cariche secche, necessitano di un minimo di attenzione nella gestione del magazzino.
Le batterie cariche restando inattive, subiscono il fenomeno dell’autoscarica che, giorno dopo giorno, ne diminuisce la capacità e, di conseguenza, l’efficienza. Lunghi periodi (oltre sei mesi) di stoccaggio, pertanto, debilitano le batterie per le quali é necessario, prima di metterle in servizio, accertare il loro stato di carica mediante il controllo della tensione e della densità. Una batteria carica presenta valori di tensione pari a 12,60 ± 12,80 V ed una densità pari a 1,27 ÷ 1,28 Kg/l riferita alla temperatura di 25°C.
Valori diversi da quelli citati impongono, prima di installare la batteria, un trattamento di ricarica con una corrente pari ad 1/10 della capacità.
Le batterie cariche secche, a differenza delle cariche con acido, sono in grado di mantenere perfettamente la loro efficienza per periodi molto più lunghi di inattività. Tenendo conto delle più diverse condizioni di stoccaggio a cui possono essere sottoposte, un limite sicuro entro il quale lo stato di efficienza si mantiene inalterato ~ di 12 mesi.
In entrambi i casi si rende, quindi, necessaria la rotazione degli stock la quale deve essere effettuata in maniera tale da consentire l’uscita dal magazzino alle batterie più vecchie ( gestione FIFO, first in first out ovvero prima arrivata prima ad uscire) avvalendosi della data di garanzia applicatasi.
Tipologia di batterie
LA BATTERIA AD ACIDO LIBERO (SLI)
Le batterie ad acido libero sono il tipo più comune di batterie. Esse sono composte solitamente da 6 celle, ognuna composta da un set di piastre positive e un set di piastre negative sommerse da un elettrolito liquido che consiste in una soluzione con acido solforico.
Grazie al collegamento in parallelo delle singole piastre delle celle si ottiene la capacità necessaria alla batteria. Il collegamento in serie delle singole celle produce la tensione di 12 Volt.
Questo sistema viene spesso denominato SLI, un termine che sintetizza i compiti della batteria: Starting, Lighting, Ignition (avviamento, luce, accensione). Queste batterie sono ideali per veicoli non dotati di sistemi start-stop e con poche utenze elettriche.
Si rovinano irrimediabilmente con scariche profonde, hanno un alta resistenza interna che provoca una rilevante caduta di tensione all’applicazione del carico. Danno alte correnti di spunto per pochi istanti dell’avviamento. Non sono adatte all’uso di servizi e a cicli di carica e scarica.
BATTERIE TRAZIONE LEGGERA piastra piana e piastra tubolare
Le batteria a piastra piana sono progettate per garantire una corrente costante e durevole nel tempo ed assicurano cicli di scarica e carica sino a tre volte superiori rispetto ai prodotti usati per l’avviamento.
Questa tipologia di batterie, per la trazione leggera, viene realizzata con elettrodi più spessi e compatti con piastra piana sommersi da soluzione acida. Queste erogano correnti inferiori rispetto alle batterie di avviamento, ma assicurano un elevato numero di cicli di lavoro. Sopportano abbastanza la sovraccarica, meno la sottocarica.
Uttilizzate per la trazione di veicoli leggeri come spazzatrici, carrozzine elettriche, motorini elettrici e adatte per servizi di camper con un uso non eccessivo.
Le batterie a piastre tubolari sono utilizzate principalmente dove c’è un requisito di lunga durata con una capacità maggiore.
La linea trazione a piastra tubolare è adatta per tutte quelle applicazioni che necessitano di ripetuti e frequenti cicli di carica e scarica per far fronte al maggior assorbimento.
Grazie alla piastra positiva di forma tubolare, queste batterie, riescono a sopportare scariche molto profonde e consentono di ottenere un maggior numero di cicli, anche durante impieghi particolarmente gravosi.
Il numero di cicli di vita è compreso tra 1000 e 2000 cicli a seconda dello spessore delle piastre, più spessa è la piastra tubolare, più sarà il numero di cicli che danno. Si dice che le piastre tubolari possono offrire un numero doppio di cicli di vita rispetto a una piastra piatta dello stesso spessore.
PER SISTEMI START & STOP
Le nuove batterie EFB e AGM rispondono alle maggiori esigenze delle nuove generazioni di veicoli.
Le batterie AGM e EFB si distinguono per le loro elevate prestazioni. Nonostante il diverso approccio tecnologico, queste batterie di nuova generazione condividono tutta una serie di caratteristiche positive: necessitano solo di minima manutenzione.
La batteria EFB è una versione ottimizzata e più performante della batteria SLI tradizionale. La sigla “EFB” sta per “enhanced flooded battery”.
In questa batteria le piastre sono isolate l’una dall’altra grazie a un separatore microporoso. Tra la piastra e il separatore è posta una fibra in poliestere. Questo materiale serve a stabilizzare il materiale attivo delle piastre e ad aumentare il ciclo di vita della batteria.
Le batterie EFB si distinguono per il gran numero di cicli di carica e offrono una capacità di scariche parziali e profonde doppia rispetto a quella delle batterie tradizionali.
Le batterie EFB vengono spesso montate in veicoli dotati di sistemi start-stop di base grazie alle sue prestazioni superiori ad una tradizionale batteria piombo-acido.
Le batterie AGM sono versatili, potenti e ideali per soddisfare le massime esigenze. La struttura di una batteria AGM non è molto differente rispetto a quello di una batteria ad acido libero. L’elettrolita, nelle batterie AGM è assorbito in uno speciale separatore in fibra di vetro, da qui la designazione “absorbent glass mat”. La superficie di contatto così ottenuta rende possibile un elevato rendimento ed evita, inoltre, fuoriuscite di liquido dalla batteria. La batteria ha un involucro ermetico. Questa particolarità consente la ricombinazione interna di ossigeno e idrogeno che contrasta la perdita di acqua. Per prevenire un’eventuale sovrappressione, le singole celle della batteria sono dotate di una valvola di sfogo che garantisce la massima sicurezza anche in caso di malfunzionamento.
Anche per quanto riguarda la durata, le batterie AGM hanno notevoli vantaggi rispetto alle normali batterie di avviamento. Infatti, oltre a sopportare un numero triplice di cicli di scarica, sono posizionabili anche a 90 gradi, in quanto l’elettrolita, essendo assorbito, non può fuoriuscire. Anche se il contenitore della batteria dovesse rompersi non fuoriuscirà alcun liquido.
Una batteria AGM è ideale per veicoli dotati di sistemi start-stop con recupero dell’energia in frenata. Una tradizionale batteria di avviamento non è adatta alle elevate esigenze di questi sistemi. Le batterie AGM sono anche ideali per quelle auto che hanno un fabbisogno superiore di energia elettrica e un gran numero di utenze elettriche.
Gli accumulatori AGM sono ideali anche per gli impieghi in uso ciclico(ossia quelli che richiedono molti cicli di carica/scarica) che per l’uso tampone (ossia come riserva d’energia che rimane a disposizione inutilizzata per diverso tempo).
Le Batterie a GEL
Si fa spesso confusione fra batterie al GEL e batterie AGM e si tende comunemente a chiamare tutte le batterie ermetiche “al GEL”, ma occorre distinguere con precisione le differenti tecnologie di costruzione di queste batterie altamente prestanti.
Nell’utilizzo in modo ciclico con assorbimenti contenuti è consigliabile utilizzare le batterie AGM in quanto idonee e meno delicate nel sopportare numerosi cicli di carica/scarica.
Per quanto riguarda invece l’uso ciclico pesante (veicoli elettrici, macchine per la pulizia industriale, ecc.) con assorbimenti elevati è consigliabile utilizzare le batterie al GEL.
Una batteria al gel ha la stessa struttura di una batteria convenzionale con elettrolita liquido – elettrodo positivo e negativo sono circondati da un elettrolita. L’elettrolita non è però sotto forma di liquido, ma è trasformato in uno stato gelatinoso dall’aggiunta di acido silicico che permette scariche più profonde e soprattutto un numero di cicli maggiore nell’utilizzo continuativo e ripetitivo derivante da una maggiore insensibilità rispetto a vibrazioni e posizione del veicolo.
La forma costruttiva incapsulata facilita l’uso e migliora la sicurezza, se la batteria è intatta l’utilizzatore non deve temere la fuoriuscita di liquido. Una batteria al gel viene perciò spesso denominata anche batteria esente da manutenzione.
La batteria al gel è realizzata per essere una batteria di alimentazione e non è adatta come batteria di avviamento neppure sulle auto tradizionali poiché, data l’alta resistenza interna, non può produrre una corrente a freddo elevata in brevi intervalli temporali ed è inoltre sensibile alle oscillazioni di temperatura.
Le batterie al litio
Le batterie agli ioni di litio hanno molti vantaggi rispetto alle altre batterie, come l’ elevata densità di energia, il che significa che possono immagazzinare molta energia in un volume relativamente piccolo, un’elevata efficienza poiché subiscono meno l’effetto di autoscarica tenendole ferme e una lunga durata della vita
Batteria LITIO (Li-Ion)
Le batterie agli ioni di litio usano un composto di litio sul catodo e grafite o titanato di litio sull’anodo. Queste batterie hanno un’alta densità di energia, uno scarso effetto memoria e una bassa autoscarica, possono tuttavia costituire un pericolo per la sicurezza, poiché contengono un elettrolita infiammabile e se danneggiate o caricate in modo errato possono provocare esplosioni e incendi.
Le batterie agli IONI di LITIO (Li-Ion) sono, ormai, la tecnologia più utilizzata nel mondo delle biciclette elettriche perché, grazie al loro rapporto peso potenza, possono percorrere lunghe distanze con una sola ricarica riducendo del 60% il peso delle classiche batterie al piombo.
La centralina interna (BMS) gestisce sia in fase di scarica che in quella di carica la tensione di ogni singola cella, così da non danneggiare l’intero pacco batterie.
Batteria LITIO Ferro Fosfato (LIFEPo4)
Le batterie al litio ferro fosfato (LiFePO4 o LFP) sono le più sicure tra le tradizionali batterie agli ioni di litio
La batteria al litio ferro fosfato si riferisce a una batteria agli ioni di litio che utilizza litio ferro fosfato come materiale dell’elettrodo positivo. I materiali catodici delle batterie agli ioni di litio includono principalmente litio cobaltato.
Le batterie LIFEPo4 sono un’ottima alternativa che va a sostituire le classiche batterie al piombo AGM, con prestazioni elevate e pesi ridotti anche del 60%.
Questa tecnologia è in grado di sopportare 2000 cicli di carica/scarica e si può ricaricare in tempi rapidissimi.
La sicurezza è garantita, oltre che dal BMS interno, dal sensore di temperatura che protegge l’intero sistema.
Le batterie al Litio possono essere installate in tutti i veicoli elettrici attualmente in circolazione (biciclette, scooter, quadricicli) e in altri tipi di applicazioni come i carrelli portamazze da Golf.
Il
corto
circuito
Si
manifesta attraverso il contatto diretto di due piastre di segno
opposto, può essere latente o netto. Nel primo caso appare dopo un
certo periodo di tempo di funzionamento della batteria (può essere
più o meno breve a seconda della sua entità).
Il corto circuito
si individua misurando la tensione della batteria che risulta essere
inferiore di 2 Volt rispetto al valore normale. Mettendo la batteria
sotto carica si individua con esattezza qual’è l’elemento difettoso
poiché questo non “bolle”.
L’interruzione
Deriva
da una imperfetta esecuzione dell’operazione di saldatura
(poli,piastre,elementi) si può individuare attraverso la verifica
della tensione la quale risulterà di valore zero.
L’inversione
Nasce
nel momento in cui i gruppi di piastre vengono inseriti nel
monoblocco e anziché seguire la serie rispettando il collegamento
fra le varie polarità, capita che un gruppo venga inserito in
maniera contraria. Questo inconveniente si evidenzia attraverso il
rilievo della tensione che risulterà essere di 2 Volt in meno
rispetto al valore nominale. A prima vista questo difetto potrebbe
essere scambiato con il corto circuito,ma mettendo la batteria sotto
carica si vedrà che tutti gli elementi “bollono ” anche se
per uno di essi il fenomeno e meno evidente. Questo elemento è,
perciò, quello invertito.
La
perdita
pneumatica
Deriva
da una cattiva termosaldatura tra coperchio e contenitore oppure,tra
coperchio e setti divisori dei gruppi. Si può individuare soltanto
se la batteria viene inclinata o si notano tracce di corrosione nel
vano alloggiamento.
La
caduta
della materia attiva
Esso
ha origine da vari fattori tra i quali la sovraccarica ha la maggiore
incidenza. Anche l’età della batteria interviene fortemente a
determinare l’inconveniente. La parte interna dei tappi, che si
presenta annerita, è indice abbastanza dimostrativo per evidenziare
il difetto.
La
solfatazione
Deriva
da lunga inattività della batteria carica o da inattività della
batteria dopo aver subito una scarica. Il fenomeno provoca
l’indurimento delle piastre positive sulle quali si forma una patina
isolante di solfato che impedisce lo scambio ionico fra le piastre.
L’inconveniente si può rilevare misurando la tensione della batteria
che avrà valori normali, spesso anche superiori, mentre la densità
rimane a valori molto bassi ed allo stesso valore per tutti gli
elementi. Se il fenomeno non ha inciso molto in profondità la
batteria può essere recuperata mediante un adeguato trattamento
elettrico.
Cosa
rende una batteria solfatata
Una
batteria subisce il fenomeno della solfatazione se non utlizzata per
molti mesi (sei mesi o più). In questo caso le piastre di piombo si
induriscono rendendo difficoltosa la ricarica e quindi l’ utilizzo
del prodotto.
Il
contenitore
rotto è
un inconveniente che avviene accidentalmente per caduta della
batteria o per urti che la stessa subisce in conseguenza di trasporti
o movimentazioni.
La
perdita
di efficienza
Si
manifesta generalmente per la scarsa efficienza dell’impianto di
carica di bordo (regolatore, alternatore, cinghia, ecc.) o dalla
caduta della materia attiva delle piastre dovuta dal tempo e
dall’usura.