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Test rapido delle Batterie - 2a Parte

Test batterie

Negli ultimi 20 anni, sono emersi tre fondamentali metodi rapidi per verificare l’efficienza delle batterie; a carico DC, AC conduttanza e multi-frequenza elettro-chimica spettroscopia di impedenza (EIS Electrochemical Impedance Spectroscopy). Tutti i metodi sono basati sulla resistenza interna, una caratteristica che rivela la capacità della batteria per fornire corrente al carico. La misura della resistenza interna fornisce informazioni utili per individuare i problemi e indicano quando una batteria deve essere sostituita. Tuttavia, la batteria scende spesso sotto il livello critico 80% fissato dalla IEEE prima che la condizione possa effettivamente essere rilevata. La resistenza da sola non offre una correlazione lineare per definire la capacità della batteria. Piuttosto, l'aumento della resistenza delle celle riguarda l'invecchiamento.

 

Quando si misura la resistenza interna di celle  VRLA (Replacement of Valve-Regulated Lead-Acid) dallo stesso lotto, le variazioni del 8% tra le celle sono normali. Il processo di produzione e materiali utilizzati contribuiscono alla discrepanze. Piuttosto che fare affidamento su una lettura della resistenza assoluta, i tecnici di servizio sono invitati a prendere una fotografia istantanea delle resistenze delle celle quando la batteria è installata e quindi misurare i cambiamenti sottili come l'età delle celle.

Un aumento del 25% nella resistenza oltre la linea di base indica un calo di prestazioni da 100% a circa l'80%.

I produttori di Batterie sostituiscono in garanzia se la resistenza interna aumenta del 50%. Prima di analizzare i metodi di prova diversi, dobbiamo brevemente rinfrescare cosa si intende per resistenza  e impedenza interna, termini che vengono spesso utilizzati in modo non corretto quando si affronta l'argomento batterie.  La resistenza è un valore puramente resistivo e non ha reattanza.  Non vi è alcun spostamento di fase  perché la tensione e corrente sono all'unisono.  Un elemento di riscaldamento è un carico resistivo puro.  Funziona altrettanto bene con corrente continua (DC) e corrente alternata (AC).  La maggior parte dei carichi elettrici, compresa la batteria, contengono una componente di reattanza.  La parte reattiva del carico varia con la frequenza.   Per esempio, la reattanza capacitiva di un condensatore diminuisce con frequenza crescente.   Un condensatore è un circuito aperto, un isolante in CC e nessuna corrente può passare attraverso.  L'induttore, al contrario, agisce in senso opposto e la sua reattanza aumenta all'aumentare della frequenza mentre in CC si comporta come un corto circuito.  Una batteria avrà resistenza ohmica come pure reattanza capacitiva e induttiva.  Il termine impedenza rappresenta tutti e tre i componenti.  La batteria pertanto può essere vista come un insieme di elementi elettrici.

La figura 1 illustra il circuito equivalente base , in termini di resistenze e un condensatore (R1, R2 e C)  del modello di batteria per apparati a bassa frequenza.

     Figura 1: modello Randles di una batteria al piombo.
La resistenza generale della batteria consiste di una resistenza ohmica pura ed una componente reattanza induttiva e capacitiva e i valori di questi componenti sono diversi per ogni batteria.

Come funzionano i metodi di test rapido per Batterie

Diamo ora un'occhiata alle diverse modalità di prova della batteria e valutiamo i loro punti di forza e i loro limiti.   E 'importante sapere che ogni metodo fornisce una lettura diversa di resistenza interna misurata sulla stessa batteria.  

La lettura non è giusta o sbagliata ma ad esempio, una cella può dare letture di resistenza superiore con il metodo del carico DC rispetto al metodo segnale AC a 1000 hertz . 
Questo significa semplicemente che la batteria funziona meglio su un carico AC e non DC.

Metodo con Carico DC: La misura di resistenza ohmica pura è uno dei metodi di prova più antica e più affidabile.  Lo strumento applica un carico della durata di pochi secondi con intervalli di corrente di carico tra 25 e 70 ampere, a seconda delle dimensioni della batteria.  La caduta di tensione (Vvuoto-Vcarico) divisa per la corrente fornisce il valore di resistenza.   I produttori di batterie  garantiscono valori di resistenza nel range di 10 micro ohm.  Durante il test, l'unità si riscalda e alcuni minuti di raffreddamento saranno necessari tra le misurazioni su un utilizzo continuo.
 

Il carico in CC unisce R1 e R2 del modello Randles (Vedi pag. 69 di questo PDF) in un resistore combinato e ignora il condensatore.   

C è un componente molto importante di una batteria e rappresenta circa 1,5 farad ogni 100 Ah di capacità delle celle.

           Figura 2: Metodo di carico DC

Metodo conduttanza AC: invece di un carico DC, lo strumento inietta un segnale in corrente alternata nella batteria.   Una frequenza compresa tra 80 -100 hertz è scelto per ridurre al minimo la reattanza.    A questa frequenza, la reattanza induttiva e capacitiva converge con un conseguente minima caduta di tensione.   I produttori di apparecchiature per la misura della conduttanza AC ritengono che la resistenza interna della batteria debba essere dell'ordine dei 50 micro-ohm.  

La misura della Conduttanza AC ha preso piede nel 1992 e sono nati strumenti  piccoli che non si riscaldano durante l'uso.

La tecnologia a singola frequenza vede i componenti del modello Randles come una impedenza complessa chiamata Z.

  Figura 3: Metodo di conduttanza AC.
I singoli componenti del modello Randles non possono essere distinti e appaiono come una sfocatura.

Multi-frequenza elettro-chimica spettroscopia di impedenza (EIS): Cadex Electronics ha sviluppato un metodo di test rapido  basato sulla EIS. Chiamato Spectro ™, lo strumento inietta 24 frequenze di eccitazione che vanno dal 20-2000 Hertz.  I segnali sinusoidali sono regolati a 10mV/cella per rimanere all'interno della tensione della batteria.    Questo permette letture coerenti per batterie piccole e grandi ..

Con la Spettroscopia a multi-frequenza,  possono essere ricavati tutti e tre i valori di resistenza del modello Randles.
Un processo brevettato valuta le sfumature tra le diverse  frequenze per consentire una analisi approfondita della batteria.

Figura 4: 

Il metodo Spectro ™
R1, R2 e C possono essere misurati separatamente, consentendo la stima della conducibilità e la capacità batteria.

Spectro ™ è il più complesso dei tre metodi. In 20 secondi di prova processa 40.000 mila transazioni. Lo strumento è in grado di leggere resistenze a bassissimo valore dell'ordine di micro-ohm.   Con le matrici memorizzate come riferimento, Spectro ™ è in grado di fornire indicazioni sulla capacità della batteria in Ah, conducibilità (CCA) e lo stato di carica.

Il concetto EIS non è nuovo e in  passato, i sistemi EIS sono stati collegati a computer dedicati e ad attrezzature di laboratorio diversificate.  Ad elettrochimici addestrati è stato richiesto di interpretare i dati.  I progressi nella analisi dei dati di questo processo automatizzato ad alta velocità mediante processori di segnale hanno ridotto la tecnologia e permesso di realizzare un  dispositivo palmare per testare le batterie.

Misurazione della  Capacità di una batteria
Carico DC e AC con conduttanza hanno una limitazione importante, con questi metodi non si può misurare la capacità.  Con la crescente domanda di potenza ausiliaria per auto e camion e la necessità di valutare le prestazioni delle batterie stazionarie in modo non invasivo, i tester utilizzati sono in grado di stimare la capacità immagazzinata nella batteria.   Cadex è riuscito a fare questo con batterie per auto e stazionarie.

La Figura 5 mostra la riserva di capacità (RC), riferito a  24 misurazioni su batterie per auto, disposte sull'asse orizzontale dalla più bassa alla più alta.  Le batterie sono state analizzate secondo il SAE J537 standard, che include una carica completa, un periodo di riposo e una scarica a 25A fino a 1.75V/cella durante il quale è stata misurata la capacità di riserva (grafico nero).  I test sono stati poi ripetuti con Spectro ™ (grafico viola) utilizzando specifiche matrici per la batteria. 

       

             Figura 5: La capacità di riserva di 24 batterie con un modello di specifica a matrice.

L'andamento dei punti in nero mostrano letture di capacità derivate da una scarica 25A; i punti viola rappresentano le letture ™ Spectro.

Alcune persone sostengono uno stretto rapporto tra la conduttività della batteria (valore ohmico) e capacità.   Altri dicono che la misura della resistenza ohmica interna è di scarsa utilità pratica e non ha relazione con la capacità.   Per dimostrare la relazione tra resistenza e capacità, Cadex Electronics ha realizzato una serie di test che coinvolgeva 175 batterie per autoveicoli, in cui sono stati confrontati i fatttori di avviamento a freddo (CCA) con le letture RC. CCA rappresenta la conducibilità della batteria ed è strettamente correlata con la resistenza interna.

La Figura 6 illustra i risultati del test.
Le letture CCA sono tracciati sull'asse verticale Y e la RC sull'asse orizzontale X.    Per facilità  di lettura, le batterie sono rappresentate come percentuale del loro valore nominale e sono disposte dal valore più basso al più alto sulla asse X.

                       Figura 6: CCA in funzione della capacità di riserva (RC).

La resistenza interna (rappresentata da CCA) e la capacità dimostrano di non seguire la linea rossa da vicino e non riescono a fornire letture accurate di capacità.

Nota: Le letture CCA e RC sono stati ottenuti secondo gli standard SAE J537.    CCA è definito come una scarica di una batteria completamente carica a -18 ° C con CCA a corrente nominale.   Se la tensione rimane pari o superiore a 7,2 V dopo 30 secondi, la batteria supera la prova. L'RC è basato su una carica completa, periodo di riposo e una scarica di 25A a 1.75V/cell.
Se la resistenza interna (CCA) sono in linea con la capacità, i punti blu sarebbero in prossimità della linea di riferimento rossa. In realtà, CCA e RC vagano a destra e a sinistra. Ad esempio, una batteria al 90% CCA  produce un RC di solo il 38%, mentre il 71% CCA offre una capacità enorme 112% (linea verde tratteggiata).

Cadex ha confezionato la tecnologia EIS in un elegante tester che può essere tenuto in mano.

Essere in grado di misurare la capacità della batteria rende la tecnologia EIS uno dei più ricercati sistemi di test per l'automotive, nautica, aviazione, difesa, batterie di mobilità, di trazione e UPS.   Il calo di capacità a causa di invecchiamento e altre carenze possono essere monitorati per una tempestiva sostituzione programmata della batteria.

La vita delle batterie

Ogni giorno fanno di testa propria; il loro comportamento ostinato ed imprevedibile ha lasciato molti utenti di batterie in situazioni scomode.  Tuttavia, la batteria è il nostro compagno di viaggio costante che ci permette di svolgere le nostre attività tra casa e ufficio. In questo documento si osserva la batteria in uso personale e le applicazioni di navigazione.

Manutenzione delle batterie
 Per alcuni si tratta semplicemente di monitoraggio della batteria, mantenendo un controllo sui parametri operativi chiave durante la carica e scarica, come tensioni e correnti e la temperatura della batteria interna e dell'ambiente operativo.
I sistemi di BMS, (Battery Management System) comprendono non solo il monitoraggio e la protezione della batteria, ma anche i metodi per tenerla efficiente e pronta per fornire piena potenza quando è necessario e metodi per prolungare la sua vita. 

E' interessante osservare che le batterie curate da un singolo utente di solito durano più a lungo rispetto a quelli che operano in un ambiente multioperatore in cui tutti hanno accesso, ma nessuno è responsabile.  Un utente singolo è colui che gestisce un telefono cellulare, un computer portatile o una videocamera per piacere o per affari.  Lui o lei è probabile che segua le indicazioni consigliate nella cura per la batteria.   Fallimenti critici sono rari perché il proprietario si adatta alla prestazioni della batteria e riduce l'aspettativa con l'invecchiamento della batteria stessa.

Batteria multi-utente

Il multi utente ha poco interesse personale per la cura della batteria e non ha alcuna tolleranza per batterie non perfette. Prende semplicemente una batteria dal caricabatterie e si aspetta che duri solo per averla presa dal caricabatterie e averla cambiata.  La batteria viene restituita al caricatore alla fine della giornata, lasciata per la prossima persona che arriverà. La manutenzione normale della batteria è minima e le prestazioni spesso iniziano a degradare dopo un anno di servizio.

Come si può aumentare la vita delle batteire ? Ogni confezione viene sottoposta a verifica con un analizzatore di batteria (Cadex) per prolungare la vita di servizio.  Le batterie che non raggingono l'80% della specifiche previste vengono ricondizionate, quelle che scendono al di sotto vengono sostituite.  L'esercito degli Stati Uniti, invece, usa nichel-metal-idruro, una batteria che ha maggiore densità di energia, ma è meno resistente; sta valutando di convertirsi a batterie agli ioni di litio di nuova generazione.

Mancanza di manutenzione delle batterie

Nelle batterie si verifica quando non reggono più la carica o l'apparato viene inviato in riparazione.  Nel tentativo di migliorare l'affidabilità e ridurre i costi di sostituzione, molte organizzazioni hanno adottato qualche tipo di manutenzione della batteria.

Un utente può sentire che la sua batteria funziona adeguatamente durante i giorni di routine, non sapendo che la confezione contiene solo la metà della capacità.  Un sistema deve essere idoneo a operare in circostanze impreviste ed emergenze dove è necessaria ogni watt di potenza della batteria.    Guasti in questi momenti critici sono fin troppo comuni e le batterie deboli sono  spesso da biasimare.  La perdita di carica della batteria è dannoso come qualsiasi altro malfunzionamento del sistema.
Si sono registrate un certo numero di storie in cui la mancanza di manutenzione della batteria risulta evidente:

Vigili del fuoco - In un incendio un vigile ha avuto problemi di comunicazione  con ricetrasmittenti.   Anche se in ricezione la radio è ancora operativa, in trasmissione le chiamate non passano perché le batterie non reggono la potenza richiesta.
I vigili del fuoco hanno acquisito un analizzatore di batteria (Cadex) e tutte le batterie sono state testate e riattivate attraverso l'esercizio corretto e metodi di ricondizionamento. 

Risposta alle emergenze - Ad un rappresentante Cadex è stato permesso di vedere il meccanismo di gestione dello stato di emergenza di una grande città degli Stati Uniti.  Nel bunker sotterraneo fortificato, 1400 batterie sono state tenute in carica e le luci verdi brillavano, indicando che le batterie erano cariche e pronte per ogni evenienza.

Il rappresentante ha poi chiesto al funzionario di consegnare una batteria per verificare lo stato di salute.   In pochi secondi, l'analizzatore di batteria ha rilevato una condizione di inadeguatezza.  Le batterie al nichel messe in standby prolungato diventano inutilizzabili a causa dell'"effetto memoria" in soli tre mesi.

Nell' Esercito - le organizzazioni di difesa molto orgogliosi impiegando attrezzature con la massima qualità e le migliori prestazioni; invece quando si tratta di batterie ricaricabili ci sono delle eccezioni.  La batteria sfugge spesso al controllo che si basa solo ispezione del solo aspetto visivo.  La manutenzione è spesso ignorata e non si  tiene traccia dello stato di salute valutando l'età e il conteggio dei cicli di carica e scarica della batteria.

 Figura 7: Risultato: accumulo di batterie da buttare.

La manutenzione aiuterebbe a mantenere i "rami secchi" fuori dall'arsenale militare.

Le batterie hanno lasciato a piedi l'esercito britannico durante la guerra delle Falkland nel 1982.  L'esercito crede che una batteria dovrebbe sempre seguire le rigide specifiche militari, anche dopo un lungo inutilizzo.  Non è così. Quando fu dato l'ordine di lanciare i missili portatili, non è successo niente ed i missili non hanno volato quel giorno, le batterie erano morte.

Servizi governativi - Un'organizzazione che ha continuamente a sperimentato insuccessi con nichel-cadmio.   Anche se le batterie sono al 100% quando sono nuove, la capacità può scendere al 20% e inferiore in un solo anno.   Abbiamo scoperto che le batterie dei loro walkie-talkie hanno ricevuto una ricarica completa dopo ogni utilizzo anche per breve periodo.
Dopo aver sostituito le batterie, si consiglia l'organizzazione di esercitare le batterie una volta al mese attraverso una scarica completa e successiva ricarica.  Il primo esercizio si è verificato solo dopo quattro mesi di servizio. Ecco cosa abbiamo trovato:

La capacità su metà delle batterie è scesa al 70-75%. Con l'esercizio e ricondizionamento (ciclo di profondità), tutte le batterie sono completamente restaurate (100%).  Se fosse stata omessa manutenzione per molto più tempo, la probabilità di un recupero completo sarebbe stata impossibile.

Edilizia - ho notato problemi di batteria su un minor numero di ricetrasmittenti con lavoratori edili che non con le guardie di sicurezza.  I lavoratori edili spesso non si sono preoccupati di spegnere le loro radio ricetrasmittenti, alla fine del turno. Come risultato, il nichel-cadmio si scaricavano completamente prima della ricarica ottenendo così un allungamento della vita della batteria.

In confronto, le guardie di sicurezza coccolando le loro batterie dando frequenti  ricariche portarono a "morte" le batterie. Queste batterie sembravano ancora nuove quando hanno dovuto essere buttate dopo solo 12 mesi di servizio a causa dell'avanzato "effetto memoria".

L'effetto memoria si verifica solo su batterie a base di nichel, un fenomeno che può essere corretto con cicli di carica e scarica completa periodica.

Il termine memoria deriva dall'originale "memoria ciclica", che sta a significare che una batteria NiCd può ricordare quanta percentuale di scarica è stata richiesta nelle precedenti scariche.  Il problema con le moderne batterie NiCd non è tanto quello della memoria ciclica quanto gli effetti della formazione cristallina. Nella maggior parte dei casi comunque, c'è una combinazione dei due fenomeni.   I materiali attivi di una batteria NiCd (nickel e cadmio) si presentano sotto forma di piccolissimi cristalli.

In una cella buona questi cristalli rimangono piccoli, con il risultato di avere la massima area superficiale. Quando si verifica l'effetto memoria, i cristalli crescono e riducono drasticamente l'area superficiale.  Il risultato è un abbassamento della tensione che porta ad una perdita di prestazioni.  Una parte della capacità è sempre presente ma non può essere prelevata a causa della bassa tensione della batteria.  Nello stadio avanzato, i bordi taglienti dei cristalli crescono fino a perforare il divisorio interno della cella, causando alte correnti di auto-scarica attraverso i cortocircuiti così generatisi.

Un'altra forma di effetto memoria che si verifica in alcune celle è la formazione di un composto intermetallico di nikel e cadmio che lega a sè una parte del cadmio necessario al funzionamento e crea una resistenza extra in serie alla cella. Il ricondizionamento tramite scarica profonda aiuta a rompere questo composto e restituisce la capacità persa.

 

Per approfondimenti visitate "Informazioni sulle batterie" dal sito Battery University

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

http://www.mpoweruk.com/index.htm

MAXIM Battery management

Test rapido delle batterie - Prima Parte

 

 

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