Ricaricare una batteria nichel-cadmio in modo affidabile ed economico

L'obiettivo di questo articolo è fare una panoramica sulle batterie NiCd, sulla tecnologia realizzativa e sui metodi di ricarica. Si discuteranno i vantaggi e gli svantaggi legati all'utilizzo delle batterie NiCd, infine si passerà alla realizzazione di un semplice caricabatterie del quale verrà reso disponibile anche il software. Questo articolo vi consentirà di realizzare il vostro personale caricabatterie del quale potete decidere voi la corrente di ricarica e, di conseguenza, i tempi. Il tutto ad un costo estremamente ridotto. La realizzazione del circuito è veramente semplice, alla portata anche degli hobbisti alle prime armi. Un progetto semplice ma allo stesso tempo utile... cosa c'è di meglio?

Introduzione

Per molti anni le NiCd sono state le batterie preferite per le radio, i dispositivi medici, le videocamere e gli utensili da lavoro portatili. Sono batterie estremamente robuste in grado di essere ricaricate anche a basse temperature ed in generale abbastanza economiche da essere utilizzate su molti dispositivi portatili. Le batterie NiCd risentono del famigerato effetto memoria che causa una diminuzione della capacità se non vengono periodicamente scaricate completamente. Sembra che la batteria ricordi l'energia erogata in precedenza e nella ricarica immediatamente successiva non sia in grado di andare oltre, da qui il nome "effetto memoria".

In tabella 1 sono evidenziati i vantaggi e gli svantaggi dell'utilizzo di batterie NiCd.

Vantaggi

Robusta e in grado di supportare numerosi cicli di ricarica con adeguata manutenzione.
Possibilità di ricarica "ultra-fast" con conseguenze sulla vita della batteria.
Buone performance di corrente.
Lunga vita di immagazzinamento.
Stoccaggio e trasporto semplice, non sottoposto a regolamentazione.
Buone performance a basse temperature.
Economiche; bassissimo costo rapportato ai cicli di ricarica possibili.
Disponibili in molti formati e con performance differenti.

Svantaggi

Bassa energia specifica se confrontate con le moderne tecnologie.
Effetto memoria, necessita di periodiche scariche complete.
Il cadmio è un metallo tossico, necessita di uno smaltimento a parte.
Auto scarica elevata, serve la ricarica dopo l'immagazzinamento.
Tensione di cella a 1.2V, per tensioni elevate servono più celle.

Tabella 1: Caratteristiche delle batterie NiCd

La ricarica delle batterie NiCd

Solitamente i costruttori di batterie raccomandano che le batterie NiCd nuove, siano caricate lentamente per almeno 16-24 ore. La carica lenta porta tutte le celle di un eventuale pacco batteria allo stesso livello di carica, questo perché ogni singola cella ha una corrente di auto-scarica propria diversa da cella a cella. L'abitudine per i costruttori è quella ormai di non "formattare" più le batterie NiCd, perciò la cella inizia a raggiungere le performance ottimali dopo una fase iniziale di alcuni cicli di carica/scarica. Le celle di qualità solitamente arrivano alle performance specificate sui datasheet dopo pochi cicli di ricarica (dai 5 ai 7) altre più scadenti impiegano anche un centinaio di cicli. in ogni caso dopo circa 300 cicli le performance della batteria degradano lentamente.

Individuare la fine carica per una cella NiCd può essere un operazione complessa in passato si usavano metodi basati sulla misura della temperatura, oggi invece ci si basa sull'individuazione di un preciso profilo di tensione.

Fine carica per temperatura

Come si può facilmente immaginare, misurare la temperatura per individuare la fine carica per una cella NiCd è un processo non particolarmente accurato. Il nucleo di una cella è di alcuni gradi più caldo rispetto all'esterno dove viene misurata la temperatura e questo può facilmente generare fenomeni di carica eccessiva. Per terminare la carica solitamente si usa la temperatura di 50°C, in ogni caso una temperatura superiore ai 45°C per molto tempo può danneggiare la batteria. Questo può essere un problema specie per la ricarica di batterie parzialmente cariche o già cariche che devono andare in temperatura rischiando un sovraccarico.

Fine carica per profilo di tensione

I caricabatterie NiCd più evoluti terminano la carica quando vedono un profilo particolare di tensione, in gergo chiamato "voltage signature". Questa tecnica ovviamente consente una carica molto più precisa rispetto al metodo basato sulla temperatura. Quello che il caricabatterie deve cercare è una caduta di tensione che si verifica quando la batteria raggiunge la carica completa, questo metodo viene anche chiamato "delta V negativo" o più brevemente NDV.

NDV è il metodo raccomandato per individuare la fine carica per i caricabatteria che applicano rate di ricarica superiori a 0.3C. il metodo garantisce risposte veloci e funziona bene anche con batterie parzialmente cariche o già cariche. Infatti quando andiamo a caricare una batteria già carica, la tensione di ricarica sale velocemente e poi cala in modo repentino per segnalare lo stato di batteria pronta, la carica dura solo pochi minuti e la cella non si scalda. Il drop di tensione solitamente è di 5mV per cella. Più la carica avviene a correnti elevate, superiori a 0.5C più il drop risulta consistente e facile da individuare. A basse correnti il drop non è molto marcato, perciò è difficile da individuare inoltre nel caso di più celle può essere raggiunto in momenti diversi dalle singole celle. I caricatori più evoluti includono anche un rilevamento della tensione di riposo per un certo tempo e grazie a questo possono aver un ulteriore criterio per stabilire la fine carica.

In figura 1 viene mostrata la relazione tra la tensione di cella , la pressione e la temperatura di una batteria NiCd in ricarica. Come si può vedere l'efficienza di ricarica è massima fino al 70% della ricarica, la batteria assorbe tutta l'energia che gli viene date e rimane "fredda". passato questo punto l'efficienza cala, la cella genera gas perché la pressione sale e anche la temperatura aumenta. Molti caricabatteria possono ridurre lo stress per la batteria abbassando le correnti dopo questa soglia del 70%.

Figura 1: relazione tra la tensione di cella, la pressione e la temperatura di una batteria NiCd in ricarica

Circuito per la carica di una cella NiCd

Cerchiamo adesso di affrontare il problema reale di progettare un caricabatterie affidabile ma allo stesso tempo economico in grado di ricaricare un pacco batterie composto da due celle NiCd per esempio le classiche AA da 1200mAh. I punti chiave per il design sono due: impostare la corretta corrente di ricarica e decidere quando la ricarica è completata evitando la sovraccarica.

Per rendere il circuito semplice ed economico rinunciamo ad avere 2 diversi livelli di corrente per la fast charge e per la slow charge ma ci accontentiamo di un unico livello di corrente. Inoltre consideriamo sempre che la ricarica venga effettuata con le celle sufficientemente scariche. Queste due supposizioni semplificano notevolmente il progetto del caricabatterie.

Normalmente su tutte le batterie ricaricabili è riportato il valore della massima corrente erogata, nel nostro esempio 1200 mA/h; questo significa che la batteria in oggetto riesce ad erogare continuamente per un'ora una corrente di 1200 milliamper o 1,2 A/h; pertanto, se l'apparecchio in cui è montata assorbe 2000 milliamper (2 A/h) , la pila si scaricherà in mezz'ora mentre se il circuito assorbe solo 100 milliamper rimarrà carica per 12 ore. Il conto teorico è semplice: corrente erogata/consumo utilizzatore.

Per ricaricare una batteria al Nichel-Cadmio la corrente di carica ottimale è pari ad 1/10 della corrente massima erogata dalla pila, mentre se si desidera una carica veloce è possibile aumentare tale valore fino ad 1/4 della corrente massima della pila. Esistono anche delle pile speciali al Nichel-Cadmio, che sono costruite con un procedimento di compressione a freddo del materiale contenuto, dette sinterizzate, che consentono una carica rapida o estremamente rapida, per le quali la corrente di ricarica può essere portata fino ad un massimo di 1/2 della corrente nominale della batteria (solitamente su pile di questo tipo sono riportate ampie spiegazioni), addirittura in certi casi, è possibile ricaricarle col rapporto 1/1, anche se in questo caso diventeranno caldissime! Alcuni esempi, riferiti ad una normale pila al Nichel-Cadmio ad esempio da 800 mA, chiariranno meglio il concetto. Per una normale ricarica il valore della corrente sarà scelto pari ad 1/10 della sua capacità, pertanto avremo:
800:10 = 80 mA
Se vogliamo invece effettuare una ricarica veloce potremo aumentare il valore di tale corrente ad un quarto della capacità della pila e pertanto avremo:
800:4 = 200 mA
Infine se disponiamo di una pila sinterizzata a carica veloce, la corrente di ricarica potrà essere:
800:2 = 400 mA

Il tempo di ricarica degli elementi al Nichel-Cadmio sarà proporzionale alla corrente utilizzata moltiplicata per un fattore di 1,4 o 1,6 . Ad esempio, se vogliamo ricaricare completamente una pila da 800 mA/h con una corrente pari ad 1/10 della sua capacità, cioè 80 mA, dovremo tenerla in carica per:
(800 : 80) x 1,4 = 14 ore
Se la ricarichiamo invece con una corrente maggiore, pari ad esempio a 150 mA (cioè una corrente pari ad un quarto della capacità massima della pila), forniremo i 150 mA per un tempo pari a:
(800 : 200) x 1,4 = 5,6 ore (poco più di cinque ore e mezza)

La tecnica di ricarica appena elencata è detta "senza controllo" perché non si va ad analizzare quando avviene l'NDV, ne si monitora la temperatura, ma semplicemente ci si basa sulle proprietà di cella e si fornisce una corrente di ricarica sufficientemente bassa da assicurarsi che la cella non si scaldi eccessivamente.

Quindi ritornando al nostro esempio, la maniera più economica ma allo stesso tempo sicura per ricaricare una cella NiCd e di caricare al 10% della capacità nominale per 16 ore. Cosi la nostra cella da 1200 mAh può essere caricata a 120 mA. Utilizzando un approccio di questo tipo non serve effettuare un rilevamento della fine carica ed allo stesso tempo viene assicurata la ricarica completa.

In figura 2 viene mostrato il circuito elettrico del caricabatterie. Come si può vedere il regolatore IC3 è il classico LM317 reperibile ovunque. In base al valore della resistenza R3 viene generata una corrente costante di ricarica. Il valore di R3 può essere calcolato come R3= 1.25V/120mA . Il valore commerciale più prossimo è 10Ω.

Figura 2: Schema elettrico Carica batterie NiCd

Figura 2: schema elettrico del carica batterie NiCd

Il firmware del microcontrollore IC1 realizza tutte le funzioni necessarie: effettua il conteggio del tempo di ricarica, le famose 16 ore, e gestisce lo stato dei LED in base allo stato di carica. Il microcontrollore utilizzato è un economico Motorola MC68HC908QT1 a otto pin, mentre il LED bicolore è un OSRGHC71A1B della Optosupply. In realtà il compito del microcontrollore è talmente semplice che può esserne usato quello che preferite o addirittura, potete integrare la sezione di circuiteria esterna al micro in un qualsiasi progetto esistente, dove abbiate un microcontrollore che disponga di almeno 3 GPIO liberi. La limitazione di questo circuito sta nella massima corrente che LM317 è in grado di fornire, ossia 1.5A. Il circuito è alimentato da una tensione esterna di 9V, si può anche decidere di utilizzare una 12V , tuttavia non bisogna trascurare il fatto che se la tensione in ingresso al charger è troppo elevata la potenza dissipata dall'LM317 diventa notevole e il circuito necessita di una ventilazione per poter sopravvivere. Il nostro design si basa sulla necessità di caricare due celle NiCd, ogni cella ha una tensione che si aggira intorno agli 1,2 / 1,25V, considerato che per funzionare correttamente LM317 ha necessita di una caduta di tensione tra i pin 2 e 3 di almeno 3V, pare ovvia la necessità di una tensione superiore ai 5V. Se per semplicità il design richiede di caricare una singola cella allora si può alimentare tutto a 5V e non inserire l'LM78L05 abbassando ulteriormente il costo del caricabatterie.
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