Caratteristiche tecniche delle Batterie in Piombo-acido

Batterie al Piombo-acido: 

caratteristiche, prestazioni, tecnologia, scelta, uso e manutenzione

1. Accumulatore al Piombo

La batteria al piombo comunemente usata nelle applicazioni nautiche è un insieme (una “batteria” per l'appunto) di elementi costituiti dagli elettrodi e dalla soluzione elettrolitica nella quale gli elettrodi sono immersi. Collegando un carico elettrico ai terminali, gli elettrodi e la soluzione elettrolitica interagiscono chimicamente tra di loro fornendo come prodotto una corrente elettrica ad una data tensione.

Ogni elemento di cui sono composte le batterie ha una tensione a piena carica di circa 2,1V o superiore e le più comuni batterie sono composte da 6 elementi collegati in serie che forniscono ai terminali una tensione complessiva a piena carica di 12,6V o superiore. Quando la batteria viene collegata ad un carico ed eroga corrente elettrica inizia il processo di scarica e la tensione si abbassa finché si arriva ad una situazione di scarica totale in corrispondenza della quale la batteria non è più in grado di erogare corrente.

Di seguito una tabella con la tensione a circuito aperto di piena carica e alle varie % di scarica per le varie tecnologie di batterie. La tensione a circuito aperto si misura con la batterie scollegata dal carico da almeno 4h.

In funzione del tipo e dello stato dell'elettrolita, le batterie possono essere realizzate in Acido liquido allo stato libero, in acido assorbito AGM (Absorbed Glass Mat) o al Gel.Gli elettrodi sono solitamente costituiti da piastre a base di polvere Piombo arricchita da altri componenti chimici.Il tipo di applicazione cui è destinata la batteria determina le caratteristiche costruttive del contenitore, delle piastre e della soluzione elettrolitica.

2. Misura delle prestazioni di una batteria al piombo

Capacità

Grandezza che rappresenta le dimensioni della batteria considerata come “serbatoio di energia”. Misurata convenzionalmente in Ampere/ora (Ah) è la corrente costante in A che può erogare in totale la batteria in un dato intervallo di tempo fino ad un livello di scarica di 1,75 V per elemento (10,5V per una batteria a 12V). Per gli usi automobilistici e marini tale intervallo di tempo è convenzionalmente fissato in 20 ore ed identificato dalla sigla C20 cioè capacità in 20h. Ad esempio una batteria da 100Ah C20 è in grado di erogare 5A costanti per 20 ore.

Riserva di capacità

Misurata in minuti rappresenta la capacità di alimentare nel tempo un carico elettrico. Secondo gli standard USA viene convenzionalmente definita RC (Reserve Capacity) il tempo in minuti per il quale la batteria può erogare a 80 °F (27 °C) una corrente di 25 A fino ad un livello di scarica di 10,5V (per le batterie a 12V).

Corrente di spunto

Rappresenta la capacità di fornire energia sotto forma di corrente di “spunto” in Ampere necessaria all’avviamento di un motore e viene misurata in modi diversi in relazione allo standard usato. Secondo gli standard USA viene convenzionalmente definita CCA (Cold Cranking Ampere) la corrente che una batteria è in grado di erogare per 30 sec a 0° F (-17,8 °C) mantenendo almeno una tensione di 1,2V per elemento (7,2V in totale per una batteria a 12V). Altri standard oltre al SAE sono DIN, IEC, EN e differiscono tra di loro per le modalità e le condizioni di misura. Ogni motore ha le sue specifiche necessità di energia per l'avviamento che dipendono da vari fattori quali le dimensioni, i carichi collegati all'albero motore, le condizioni generali, l'anzianità di servizio e, soprattutto in tempi recenti, l'assorbimento dei sistemi di controllo elettronici. Nel manuale d'uso dei motori sono riportate le specifiche minime che deve avere la batteria per garantire l'avviamento in ogni condizione d'uso in cui l'utilizzatore può trovarsi. Oltre alle sopra descritte caratteristiche quantitative che misurano le prestazioni di un accumulatore ne esistono altre qualitative che indicano l'adeguatezza di una batteria alle varie applicazioni e condizioni di uso.

Resistenza ad impieghi ciclici

Rappresenta la capacità di erogare livelli di corrente medio-bassi per periodi lunghi permettendo alla batterie di sopportare scariche lunghe e “profonde”. E' la caratteristica principale di una batteria destinata ai servizi di bordo.

Versatilità di impiego

Rappresenta la capacità di una batteria di fornire una sufficiente corrente di spunto e al contempo una moderata resistenza ad impieghi ciclici. E’ un compromesso tra le due diverse caratteristiche. E' la caratteristica principalmente ricercata sulle imbarcazioni di piccole dimensioni con batterie destinate ad impiego ibrido avviamento/servizi di bordo.

Resistenza allo sversamento

Rappresenta il livello di resistenza a perdite o sversamenti accidentali di liquido. Un’alta resistenza oltre a fornire una maggiore sicurezza rende la batterie idonea a impieghi specifici come ad esempio in prossimità di persone o apparecchiature elettroniche, ad applicazioni particolari come il settore nautico o ancora a modalità di installazione non convenzionali.

Ermeticità

E’ una caratteristica tipica delle batterie sigillate Gel e AGM che in condizioni di uso ordinario risultano esenti da sversamenti e da produzione di gas e non hanno necessità di alcuna manutenzione anche se destinate ad applicazioni cicliche. Per le loro caratteristiche sono installabili anche inclinate rispetto al piano di normale appoggio. E’ importante sottolineare il fatto che in casi particolari anche le batterie ermetiche possono produrre gas e quindi non vanno installate in contenitori stagni ma deve essere assicurato ricambio d’aria naturale o forzato.

Vita utile in applicazioni cicliche

Indica la quantità di cicli di scarica “profonda” e di successiva ricarica che una batteria è in grado di sostenere senza un apprezzabile decremento delle prestazioni iniziali.

3. Teconologie costruttive delle batterie al piombo

Le batterie al piombo di comune utilizzo in ambito industriale si distinguono sulla base della tecnologia in:

Pb-acido liquido

L'elettrolita attraverso cui avviene la reazione chimica tra gli elettrodi è un liquido acido allo stato libero. Nel corso dei processi di carica-scarica si ha la formazione di gas a base di ossigeno e di idrogeno provenienti dalla decomposizione della componente acquosa del liquido. Tale “gassificazione” determina la riduzione del liquido che quindi deve essere occasionalmente rabboccato con acqua distillata. Gli accumulatori destinati all'avviamento dei motori vengono progettati per cicli di carica-scarica ridotti e quindi con ridotta gassificazione. Per tale motivo non hanno necessità di manutenzione, cioè di rabbocco. Alcuni di questi prodotti concepiti per applicazioni industriali su mezzi pesanti sono realizzati con piastre ibride e quindi pur essendo specifici per avviamento sono comunque caratterizzati da una maggiore robustezza in caso di scarica. L'applicazione più frequente è il mezzo da trasporto dotato di sponda elettrica. Gli accumulatori destinati ai servizi di bordo sopportano cicli di scarica ripetuti e spesso profondi e devono quindi essere progettati per rendere possibile la periodica manutenzione. A differenza delle batterie d’avviamento, che devono dare un'alta corrente per pochi secondi, le batterie per uso ciclico hanno caratteristiche costruttive specifiche per rispondere a scariche di corrente di media/bassa intensità, prolungate nel tempo. Rispetto ai modelli per avviamento motori, le batterie DEKA per uso ciclico (trazione leggera/semi-stazionarie) hanno griglie in lega di antimonio, piastre molto spesse ed imbustate, collegate tra loro per resistere a forti sollecitazioni. Necessitano tutte di manutenzione cioè di periodica ispezione del livello dell'elettrolita ed eventuale rabbocco con acqua distillata. Riassumendo si hanno quindi le seguenti tipologie di accumulatori al Piombo-acido: - Pb-acido liquido senza manutenzione (Avviamento/Dual Purpose) - Pb-acido liquido con manutenzione (Servizi di bordo/Avviamento/Dual Purpose)

AGM (Absorbed Glass Mat)

La batteria AGM (Absorbed Glass Mat) è un accumulatore al piombo-acido liquido nel quale l’elettrolita è assorbito in separatori costituiti da una massa spugnosa in fibra di vetro che opera anche da separatore e irrobustisce la piastra. Lo stato dell’elettrolita, il contenitore sigillato usando delle speciali valvole a pressione e la reazione chimica interna a “ricombinazione” (VRLA) che minimizza la fuoruscita di gas tipica dell’elettrolita liquido (soprattutto quando viene sottoposto a intensi cicli di carica-scarica) rendono tali accumulatori: - realmente senza manutenzione (MF – “Maintenance Free”); - immuni dal rischio di sversamento accidentale dell’acido liquido; - adatti ad installazioni in prossimità di persone e di apparati elettronici. Le caratteristiche tipiche di questi accumulatori sono quindi le seguenti:  adatti sia per l'Avviamento che per i Servizi di bordo quindi “doppio uso”;  realmente senza manutenzione (MF – “Maintenance Free”);  immuni dal rischio di sversamento accidentale dell’acido liquido;  adatti ad installazioni in prossimità di persone e di apparati elettronici. La tecnologia AGM risulta quindi indicata sia per applicazioni nelle quali è richiesta una corrente di spunto elevata (es. avviamento motore) sia per quelle in cui la batteria è sottoposta a cicli di carica-scarica (es. servizi di bordo) rappresentando un'eccellente prodotto “doppio uso”.

GEL

La batteria al gel è un accumulatore al piombo-acido nel quale l’elettrolita non è liquido come nelle più comuni batterie ma assume la consistenza e l’apparenza di un composto gelatinoso. L’elettrolita gelatinoso, il contenitore sigillato usando delle speciali valvole a pressione e la reazione chimica interna a “ricombinazione” (VRLA) che minimizza la fuoruscita di gas tipica dell’elettrolita liquido (soprattutto quando viene sottoposto a intensi cicli di carica-scarica) rendono tali accumulatori: - realmente senza manutenzione (MF – “Maintenance Free”); - immuni dal rischio di sversamento accidentale dell’acido liquido; - adatti ad installazioni in prossimità di persone e di apparati elettronici. Inoltre la conformazione gelatinosa dell’elettrolita garantisce una maggiore protezione alle piastre durante la fase di scarica rendendo tali batterie particolarmente indicate ad applicazioni che prevedono cicli di scarica molto “profondi”.

IMPORTANTE

Le batterie GEL e AGM realizzate in tecnologia VRLA sono particolarmente sensibili al processo di carica che se effettuato in modo non conforme a quanto suggerito dal produttore, in particolare per ciò che riguarda le tensioni di ricarica e di mantenimento, può danneggiare irreparabilmente l'accumulatore e portare ad un fine-vita prematuro. La tensione di ricarica è inoltre da adeguare in funzione della temperatura di lavoro della batteria.

4. Guida alla scelta di una batteria

Dato che le caratteristiche sopra descritte determinano l'adeguatezza di una batteria all'applicazione cui la vogliamo destinare è in base a queste che dobbiamo effettuare la nostra scelta. Purtroppo però molte caratteristiche non possono essere contemporaneamente presenti nella stessa batteria e quindi considerando l'applicazione prevalente e le condizioni d'uso dobbiamo necessariamente operare una scelta in termini di tecnologia, dimensioni e tipo.

Di seguito è riportata una tabella riepilogativa che aiuta ad orientarsi tra le varie opzioni possibili.

5. Uso e manutenzione

Ricarica

Il ciclo e le modalità di carica devono essere adeguati al tipo di batteria (std./GEL/AGM) ed all’applicazione. Una corretta ricarica è l’elemento determinante per l'efficienza e la durata di qualsiasi batteria Una ricarica inferiore all’ottimale non consente di sfruttare le potenzialità della batteria ed alla lunga la danneggia in modo irreversibile. Una carica eccessiva è causa di surriscaldamento, formazione di miscela di gas pericolosa e rapido danneggiamento irreversibile degli elementi interni. Nel caso di batteria d’avviamento soggetta ad alternatore, è importante che il regolatore di tensione funzioni secondo specifiche costruttive. Nel caso di batterie per utilizzo ciclico (trazione leggera-servizi) è bene usare un apparecchio automatico, multistadio, con regolazione di tensione di carica in funzione del tipo di batteria da caricare (std/GEL/AGM). Le batterie VRLA (GEL/AGM) sono particolarmente sensibili a temperatura e voltaggio di ricarica. Si raccomanda pertanto di utilizzare apparecchi adatti e di verificare con il Vs. Dealer la compatibilità del caricabatteria con la batteria acquistata. E’ sempre buona norma richiedere i parametri (Ampere – Volt) di ricarica adatti al modello di batteria che avete scelto. Alcuni consigli: • per evitarne l’esplosione, non caricare mai una batteria ghiacciata. Lasciarla riscaldare a temperatura ambiente prima di sottoporla a ricarica • Attenzione: i modelli GEL e AGM richiedono un apparecchio con tensione (Volt) limitata. Anche una sola ricarica “sbagliata” può determinare un danneggiamento irreversibile degli elementi interni • non sottoporre mai a carica eccessiva o a sovra-carica: si può determinare il danneggiamento irreversibile degli elementi interni • leggere sempre le istruzioni del Vs. apparecchio di ricarica prima di cominciare la procedura • Attenzione: se è possibile ispezionare il livello dell’elettrolito, verificare che le piastre interne siano coperte, prima di cominciare la ricarica. Quando la batteria ha finito la ricarica, verificare di nuovo il livello ed aggiungere sempre e solo acqua distillata, se necessario. Se la batteria non è ispezionabile ma verificate (dal contenitore trasparente) che manca liquido, rimuovetela, non caricatela e sostituitela. • se si verifica una violenta gassificazione oppure la batteria si scalda troppo durante la carica, interrompete il processo, lasciate raffreddare e riprovate quando il contenitore si è raffreddato.Uso

Per garantire ottime performance ed una lunga vita, assicuratevi che la Vs. batteria sia compatibile con l’applicazione prevista dalla Vs. utenza. Una batteria per avviamento non ha durata e performance adeguate in applicazione ciclica (trazione leggera – servizi), così come una batteria per uso ciclico e molto debole in avviamento motori.

Manutenzione

Le batterie, qualsiasi esse siano, vanno mantenute cariche, pulite e, se accessibili, monitorate per quanto attiene al livello di liquido interno. La verifica della stato di carica: si esegue con la misurazione della tensione in (Volt) quando la batteria è a circuito aperto e disconnessa da utenza o ricarica da almeno 4 ore. Se la batteria è al di sotto del 75% di carica, procedere con la ricarica. Durante i periodi di fermo o di magazzinaggio, è verificare lo stato di carica ogni 90 giorni per batterie d’avviamento, GEL e AGM. Per batterie cicliche, standard (elettrolito liquido) è bene verificare lo stato di carica ogni 30/60 giorni In caso di fermo prolungato, disconnettere sempre la batteria dall’applicazione. E’ sufficiente scollegare il morsetto del polo negativo e questo preserva da scarica dovuta a correnti/carichi “parassiti”. Nel caso di banchi batteria composti da più elementi collegati in serie/parallelo, verificare che la lettura di tensione (Volt) di ciascun elemento sia compatibile con la misurazione rilevata sugli altri. Ad esempio: in presenza di due batterie da 12 Volt collegate in serie per formare 24 Volt complessivi, è importante verificare che la lettura di tensione eseguita singolarmente su ciascuna delle due ci dia un valore simile. Nel caso di differenza di lettura sopra 0,3 Volt si deve procedere ad una fase equalizzazione.

Prova di carico (Load testing)

Una tensione a circuito aperto corrispondente ad uno stato di piena carica non implica necessariamente che la batteria sia efficiente. La batteria infatti perde progressivamente nel corso del tempo la capacità di erogare energia e lo stato di efficienza può essere determinato attraverso una prova di carico. Il test si esegue sottoponendo una batteria pienamente carica ad un forte assorbimento di corrente con contestuale misura della tensione. Se il valore di tensione è inferiore ai 9,6V la batteria è da sostituire.