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PROVE DI CAPACITA' E MISURE D'IMPEDENZA A CONFRONTO

INTRODUZIONE

Per molti anni i grandi utilizzatori di batterie hanno cercato una via facile, veloce e poco costosa per determinare lo stato di salute dei loro sistemi di emergenza a batteria. Lo stato di salute di una batteria indica se la stessa debba essere sostituita oppure no.Fino a ieri, la decisione di sostituire una batteria veniva presa basandosi sull'ispezione visiva e/o sulle prove di capacità. Se la cella non evidenziava dei chiari e visibili segni di deterioramento, l'unico modo per capire se doveva o meno essere sostituita era rappresentato dalle prove di capacità. Queste prove consentono di simulare le reali condizioni operative della batteria. I risultati delle prove di capacità vengono accettati dai costruttori per qualsiasi problema di garanzia. Recentemente, le prove di impedenza sono diventate molto popolari e molti annunci infondati sono stati fatti per dire che questo tipo di prove possaono accuratamente misurare lo stato di salute di una batteria, quindi, la capacità.

Le prove d'impedenza sostituiranno le prove di capacità ?

La risposta è negativa per la maggior parte delle applicazioni, anche se sono molto utili per identificare quelle celle sulle quali sarà opportuno indagare.Prima di trarre delle conclusioni affrettate, diamo uno sguardo alle componenti che determinano l'impedenza interna e come queste agiscono sulle prestazioni e sulla capacità di una batteria.

1. PARAMETRI INTERNI DI UNA BATTERIA.

Un circuito equivalente, generalmente accettato, è quello illustrato in Fig.1. La conduttanza totale di una cella comprende la parte metallica od ohmica e quella elettrochimica. La parte ohmica comprende la resistenza dei morsetti, i bulloni e i dadi di fissaggio, la struttura della griglia interna ed il collegamento fra la griglia e la massa attiva. La parte elettrochimica, comprende la massa attiva, l'elettrolito ed i separatori. Il condensatore Cp è il risultato di tutte le piastre in parallelo fra loro con un dielettrico in mezzo. Il valore di questo condensatore è sostanzialmente di 1,3 - 1,7 Farad per 100 Ah di batteria, a seconda del tipo di batteria.

Fig. 1. Circuito equivalente di una cella al piombo.

L'induttanza della cella viene ignorata, ai fini dei trascurabili effetti verso gli strumenti oggi impiegati, aventi range di frequenza tale da non incidere sulle misure. Dando un'occhiata al circuito equivalente appare ovvio che la reattanza capacitiva Xc shunta Re (la parte di resistenza elettrochimica), mascherando le variazioni che ci possono essere in questa parte, comprendente le resistenze della massa attiva e dell'elettrolito, quali parametri più importanti nella determinazione della capacità della batteria.

2. FATTORI CHE INFLUENZANO LA RESISTENZA INTERNA.

Facendo riferimento alla Fig.1 vediamo di esaminare le due componenti che determinano la resistenza totale. La parte metallica si comporta come un normale conduttore e viene influenzata dai seguenti parametri:

-1. LA TEMPERATURA: la resistenza aumenta alle alte temperature;

-2. LA POST CORROSIONE: la resistenza aumenta in un metallo corroso;

-3. LA CORROSIONE DELLA GRIGLIA: le batterie al piombo con questo problema si guastano in tempi brevi.

-4. INGROSSAMENTO DELLA PIASTRA: appena la piastra positiva si ingrossa, specialmente in quelle piombo-calcio, la massa attiva inizia a perdere i contatti con la griglia causando elevate resistenze di connessione che affliggono la batteria durante l'erogazione di correnti elevate.

-5. COLLEGAMENTO PIASTRA MORSETTO: un collegamento interno difettoso causa un'elevata resistenza di connessione.

La parte elettrochimica si comporta in modo completamente differente da un conduttore e viene influenzata dai seguenti parametri:

-1. LA TEMPERATURA: la resistenza dell'elettrolito diminuisce all'aumentare della temperatura.

-2. BASSO STATO DI CARICA: la massa attiva di una batteria che si trova in una condizione di mantenimento bassa, incomincia a produrre solfato di piombo PbSO4, che ha una resistenza più elevata del piombo e del diossido di piombo completamente caricato. Anche la resistenza dell'elettrolito aumenta, come la densità del liquido diminuisce con uno stato di carica basso. Prove preliminari di misura di resistenza con un carico di corrente DC indicano che non ci sono variazioni di resistenza dovute a bolle di gas.

-3. ESSICCAZIONE DELLA PARTE NON COPERTA DA LIQUIDO: questo problema dovuto alla perdita d'acqua si presenta solamente per le celle con valvola di regolazione (VRLA) ed è causa di aumento di resistenza tante volte quante quelle di una nuova cella ottimamente funzionante.

3. COME VENGONO MISURATE LA RESISTENZA/IMPEDENZA DI UNA CELLA ?

Gli strumenti attualmente disponibili, utilizzano sia il metodo di inserire una corrente AC sia quello di effettuare una prova di carico momentaneo (misure DC). Gli strumenti con inserimento di corrente AC (meglio conosciuti come misuratori di impedenza o di conduttanza) accoppiano capacitivamente una corrente di prova attraverso la cella, quindi misurano il risultante abbassamento di tensione AC sulla cella stessa. La misura di impedenza V/I varia con la frequenza del valore di reattanza capacitiva Xc, che è parallelata dalla più piccola resistenza elettrochimica Re. Tutte le trattazioni tecniche dal lontano 1959, dicono che la resistenza e non l'impedenza è il parametro più importante da misurare. Per questa ragione, più è bassa la frequenza della corrente di prova migliore sarà il risultato della misura dell'impedenza, che sarà uguale alla misura della resistenza con frequenza zero, quindi segnale DC. Il problema nell'utilizzo di strumenti AC è che sono suscettibili sia ai ripple di corrente del carica batterie che ad altre sorgenti di disturbo. Alcuni strumenti non possono essere usati con batteria ON LINE (collegate al carica batterie e al carico, come nelle normali condizioni di lavoro). Una scelta molto sbagliata per questi strumenti è quella di avere una frequenza della corrente di prova di 60 Hz negli U.S.A. e di 50 Hz negli altri paesi che, essendo uguale alla frequenza della corrente di ripple del carica batterie, si accoppia creando disturbi. Non è fuori dal mondo trovare delle correnti di ripple che attraversano le batterie dei gruppi di continuità superiori ai 30 Arms. Gli strumenti con prova di carico DC, che misurano la resistenza, sottopongono la batteria ad una corrente di carico momentanea misurando l'istantaneo abbassamento della tensione ai morsetti della cella. La Fig.2 illustra cosa succede quando una batteria viene sottoposta ad un carico per alcuni secondi. L'istantaneo abbassamento di tensione conseguente all'applicazione del carico o l'istantaneo ritorno di tensione quando il carico viene rimosso sono dovuti alla resistenza interna.

Fig. 2. Tipica risposta di una batteria Plantè da 341Ah ad una prova di carico DC

Un misuratore di resistenza, come il CELL CORDER della ALBER CORP, legge la tensione e la corrente di cella appena prima di rimuovere il carico ,quindi la tensione e la corrente di ritorno alla normalità. La resistenza risultante è semplicemente Rcell = V/I. I convertitori A/D attualmente disponibili sul mercato possono effettivamente misurare i valori della tensione DC ed ignorare totalmente qualsiasi corrente Ac che attraversa la batteria nell'istante di misura. Questo permette di poter funzionare correttamente anche con batterie ON LINE ed in ambienti molto disturbati.

4. LA RELAZIONE TRA CAPACITA' E RESISTENZA DI CELLA.

La capacità di una batteria è la misura di quanta energia può essere immagazzinata. La quantità di energia immagazzinata dipende dalla quantità di materiale attivo disponibile per essere utilizzato ad una certa velocità di scarica. Più lungo sarà il tempo di scarica e più completamente tutta la massa o materiale attivo verrà utilizzata.

La capacità di una batteria viene misurata scaricandola fino al raggiungimento di una tensione finale specificata, utilizzando una corrente costante per un periodo di tempo specificato. La capacità di una batteria negli U.S.A. viene determinata da una scarica di otto ore. In gran parte degli altri paesi del mondo questa scarica avviene in dieci ore. Se una batteria viene scaricata con una corrente di scarica elevata questa raggiungerà la tensione finale di riferimento in un tempo più breve. La capacità disponibile (Ampere x tempo) diminuisce all'aumentare delle correnti di scarica. La capacità di una batteria, viene influenzata da qualsiasi fattore che causa il raggiungimento della tensione finale di riferimento, ai morsetti della batteria, in un tempo inferiore a quello previsto.

Ovviamente, una resistenza elevata in qualsiasi punto della parte metallica causerà un abbassamento della tensione interna che ridurrà la capacità effettiva. Una resistenza elevata della parte elettrochimica è pure molto significativa in quanto il materiale attivo e l'elettrolito rappresentano il magazzino di energia disponibile e quindi la capacità della cella. Tutti questi elementi resistivi all'interno della cella influenzano la capacità, anche se non tutti hanno lo stesso grado d'influenza. Questo significa che è pressoché impossibile sapere se esiste una relazione lineare fra la capacità e l'impedenza/resistenza della cella. Se tutte le celle di uno stesso gruppo soffrissero dello stesso problema, quale l'essiccazione della piastra per mancanza di liquido, allora, probabilmente sarebbe possibile dimostrare una certa relazione di degrado lineare. Sfortunatamente, nella realtà, questo non avviene, in quanto ogni cella si comporta in modo autonomo relativamente al degrado.

5. COSA SI PUO' DEDURRE DALLE MISURE DI IMPEDENZA/RESISTENZA ?

Come precedentemente specificato, ci sono alcune cose che influenzano la resistenza interna di una cella. Questo rende praticamente impossibile effettuare una sola misura al fine di ottenere una risposta positiva sullo stato di salute della batteria. PER ESEMPIO: Una cella con elettrolito assorbito, quindi parzialmente solfatata, potrebbe facilmente essere confusa con una che sta iniziando ad essiccarsi esternamente. Ovviamente, la cella solfatata può essere equalizzata e può quindi ritornare in buone condizioni, mentre quell'altra deve necessariamente essere sostituita. Al fine di avere una visione significativamente complessiva è necessario effettuare le misure ad intervalli regolari, cercando di mantenere le condizioni di carica ed ambientali le più vicine possibili. Noi sappiamo che la temperatura incide sulla resistenza ed impareremo ad effettuare le misure con temperatura comune di riferimento. Ma come ci regoleremo per lo stato di carica ? Se una cella è leggermente sottocaricata e solfatata, manifesterà una resistenza elevata. Come faremo a misurare il grado di solfatazione e quindi la percentuale di aumento nelle letture di resistenza ? La miglior soluzione a questo problema è quella di preparare la batteria per tempo, affinchè non ci sia possibilità di incontrare problemi di solfatazione. Questo ci porta molto vicini al problema di una cella invasata che è stata recentemente equalizzata e si trova quindi ora al massimo stato di carica. Le bolle di gas esistenti fra la massa attiva e le piastre possono raddoppiare l'impedenza di cella quando la misura viene effettuata con uno strumento ad iniezione di segnale AC, dandoci l'impressione di avere un problema di cella. Se effettuiamo la stessa prova con uno strumento DC, come il CELLCORDER della ALBER CORP, vedremo che la resistenza non cambierà al variare della presenza di bolle di gas.

Le informazioni pratiche che possiamo desumere dalle misure di resistenza sono:

1.-Se tutte le resistenze di cella di una data stringa venissero misurate e quindi confrontate, i problemi di cella potrebbero essere identificati.

2.-Se le misure di resistenza delle celle invasate dovessero superare la linea standard di oltre il 50%,si avrebbero dei problemi di conduttanza superiori, attribuibili alla massa attiva, alle corrosioni della griglia, all'elevata resistenza tra massa attiva e griglia, alla contaminazione del rame o ad una seria solfatazione delle piastre. Da notare che la linea standard di riferimento non è disponibile da tutti i costruttori di batterie e, se disponibile, è importante sapere come e dove è stata misurata dal costruttore.

3.-Se la resistenza di cella delle batterie ermetiche dovesse superare la linea standard di oltre il 25%, la cella soffrirà dei seguenti problemi:

- Gli stessi problemi di conduttanza sopra descritti.

- Essiccazione di parte della piastra; significa che più del 10% dell'acqua è stata definitivamente perduta.

6. CONCLUSIONI

L'autore, Glenn Alber della ALBER CORP, basandosi su un'esperienza in campo di molti anni, unitamente alle esperienze raccolte dagli utilizzatori di altri strumenti di misura ed alla lettura dei "testi sacri" su questa problematica, ha tratto le seguenti conclusioni:

1.- Le prove di capacità, utilizzando una corrente costante o un carico in KW fino al raggiungimento della tensione finale di riferimento, sono la sola via per determinare in modo preciso la capacità e quindi lo stato di salute di una batteria. Nessun'altra prova è in grado di simulare così bene le condizioni operative di una batteria.

2.- Gli oppositori di questo metodo non capiscono di economia. E' inconcepibile che una batteria utilizzata per tutelare miliardi di Lire di apparecchiature, computers o servizi non venga provata ad intervalli di tempo regolari.

3.- Disinformazione e pubblicità irresponsabile sono state pubblicate in merito alle prove di impedenza e di conduttanza. Contrariamente a quanto affermato dalle loro pubblicità, questi strumenti non sostituiscono le prove di capacità, tranne che per applicazioni di scarso rilievo, quali luci di emergenza, sirene, piccoli sistemi di comunicazione, ecc., per le quali il costo di un'eventuale fuori servizio è minimo.

4.- Per i grossi sistemi di batterie, che proteggono sia costosi dispositivi o servizi che la salute degli individui, più che le misure della linea standard di resistenza, devono essere eseguite le le prove di capacità per stabilire l'esatto stato di salute della batteria.

5.- Gli strumenti per le misure di Resistenza/Conduttanza/Impedenza, sono utili nella determinazione di probabili problemi di cella che dovranno però essere indagati meglio.

6.- I meriti della misura della resistenza interna di una cella invasata devono ancora essere approfonditi. Molto spesso le prove con carichi DC, tipo il CELLCORDER della ALBER CORP, riescono ad indicare in modo estremamente preciso quali saranno le celle che non supereranno le prove di capacità, ma questo campione di prova è ancora troppo poco per rappresentare una certezza.

7.- Le misure di resistenza sulle celle VRLA stanno dando dei risultati molto buoni nella determinazione delle celle difettose. Poichè questi tipi di celle soffrono del problema della mancanza di liquido con il conseguente aumento della resistenza è più semplice individuare il problema

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