ACCETTAZIONE DI CARICA

E’ la corrente di carica che una batteria, parzialmente scaricata, assorbe in carica a determinati valori costanti di tensione e di temperatura dopo un tempo prescritto. Sostanzialmente è una valutazione quantitativa della rapidità con cui la batteria recupera dall’impianto di ricarica una quantità di energia precedentemente ceduta nella fase di scarica.

Pertanto ai fini pratici, più è elevata la corrente accettata, più rapidamente la batteria si ricarica.

I fattori da cui dipende sono:

    - Temperatura: diminuendo, l’accettazione di carica diminuisce.

    - La profondità di scarica della batteria.

    - Lo stato di solfatazione delle piastre.

    - Materiali impiegati e tecnologie.

CENNI DI BASE SULLE BATTERIE AL PIOMBO PER AVVIAMENTO

    DEFINIZIONE DELLA BATTERIA AVVIAMENTO

L’insieme di due o più celle collegate fra di loro, formano la Batteria.

La batteria è un apparecchio capace di immagazzinare energia in forma chimica per restituirla sotto forma elettrica e viceversa.

Un accumulatore al piombo è un sistema elettrochimico nel quale, allo stato di " carico ", le sostanze che agiscono come materie attive sono il biossido di piombo " Pb02 " (elettrodo positivo), piombo spugnoso " Pb " (elettrodo negativo) e l’elettrolito che è costituito da una soluzione di acido solforico.

Quando la batteria è connessa ad un carico esterno, ad esempio il motorino di avviamento dell’automobile, l’energia chimica si trasforma in energia elettrica.

Tale fase è detta di " scarica ".

La batteria scarica, al contrario della maggior parte delle pile, può essere ricaricata . Immagazzinare energia elettrica, trasformandola in energia chimica.

Tale processo è definito " reversibile " .

   Batteria:  Due o più celle collegate tra di loro che convertono l'energia chimica in energia elettrica e viceversa.

    Celle primarie:  Sistema elettrochimico "NON RICARICABILE"

                                ENERGIA CHIMICA ---> ENERGIA ELETTRICA

    Celle secondarie:  Sistema elettrochimico "RICARICABILE"

                                   ENERGIA CHIMICA <---> ENERGIA ELETTRICA

    FUNZIONI DELLA BATTERIA AVVIAMENTO 

Le principali funzioni di una batteria montata su un autoveicolo sono:

- Fornire potenza al sistema di avviamento così che il motore termico possa essere messo in moto.

     -     Fornire potenza quando il carico elettrico del veicolo richiede maggiore potenza di quanta fornita dal generatore (alternatore) di      bordo.

- Essere una riserva di energia in caso di emergenza.

     -     Stabilizzare la tensione di tutto il sistema elettrico del veicolo (infatti la batteria riduce temporaneamente le variazioni che  

  possono verificarsi nel sistema elettrico), salvaguardando pertanto, gli altri componenti elettrici da eventuali danni.

Figura 1: funzioni della batteria avviamento.

    PRINCIPI FONDAMENTALI 

La batteria è un sistema elettrochimico che permette l’accumulo di energia elettrica sotto forma chimica.

Collegando la batteria ad un qualsiasi circuito utilizzatore, l’elettrolito reagisce con la materia attiva delle piastre (biossido di piombo PbO2 sulle positive, piombo spugnoso Pb sulle negative), dando origine ad un composto: il solfato di piombo (PbSO4). L’elettrolito, che è una soluzione di acido solforico con densità pari a ∼ 1.270 Kg/l, diminuisce di densità con il procedere della scarica.

Facendo procedere la scarica elettrica, necessaria per ottenere il servizio richiesto, si giunge ad avere la batteria " scarica ".

Quando la batteria è collegata ad un generatore di corrente continua, il solfato di piombo delle piastre positive si ritrasforma in biossido di piombo e il solfato di piombo delle negative in piombo spugnoso; l’elettrolito ritorna alla densità originale.

Proseguendo nella carica, allorché la densità raggiunge un valore massimo e costante, si riottiene la batteria " carica ".

A queste trasformazioni chimiche è legata la capacità di accumulare, per poi essere ceduta, una determinata quantità di energia, tale processo teoricamente potrebbe avvenire in un senso e nell’altro all’infinito.

Immergendo una piastra positiva ed una negativa, non in contatto tra loro, nella stessa soluzione di acido solforico a densità 1.270 kg/l, fra loro si instaura una tensione di circa 2.11 ÷ 2.12 Volt, il sistema elettrochimico formato da:

" biossido di piombo - acido solforico - piombo "

costituisce una " cella a 2 Volt ".

Le batterie al piombo / acido vengono prodotte con tensioni chiamate " nominali ".

Figura 2: Due celle con diversa capacità.

Le due celle hanno la stessa "tensione nominale".

La quantità di energia utilizzabile è legata alla quantità di materia attiva delle piastre e alla quantità di acido solforico disponibile.

Aumentando  le dimensioni delle piastre e  la  quantità di acido solforico, si  aumenta la  quantità di  energia  accumulabile,  la

" capacità " della cella. Si può aumentare la capacità della cella anche intercalando nell’elettrolito più piastre positive e negative opportunamente collegate (assieme le positive e assieme le negative).

Collegando in serie più celle si ottiene una " batteria di celle ". Comprendiamo così l’esatto significato del termine " batteria ".

Collegando in serie 3 celle si ottiene una batteria a 6 Volt, mentre collegando in serie 6 celle si ottiene una batteria a 12 Volt.

Figura 3: batteria di 6 celle.

    CARICA E SCARICA DELLA BATTERIA 

La batteria completamente carica presenta la massima quantità di materia attiva propria su ogni piastra, biossido di piombo sulla positiva, piombo spugnoso sulla negativa e l’elettrolito con densità ∼ 1.270 ÷ 1.280 kg/l.

Quando la batteria mette in moto il motorino di avviamento del veicolo, o alimenta un qualsiasi circuito utilizzatore, inizia l’erogazione di energia trasformata da chimica ad elettrica. L’acido solforico reagisce con la materia attiva delle piastre formando sulla superficie di queste solfato di piombo.

Durante le fasi di carica e scarica, avvengono le trasformazioni chiarite dalla figura seguente.

Figura 4: descrizione schematica delle trasformazioni chimiche.

    DESCRIZIONE ELETTROCHIMICA 

Sulle piastre positive:

Sulle piastre negative:

Globalmente:

L’erogazione di corrente comporta una trasformazione dell’elettrolito, viene a mancare dell’acido solforico e si forma dell’acqua. Questa trasformazione comporta diminuzione di densità. La densità dell’elettrolito è quindi in relazione con lo stato di carica della batteria. L’elettrolito ha, una densità " elevata ", se contiene una maggiore quantità di acido solforico (batteria carica), una densità " bassa ", se contiene una minore quantità di acido solforico (batteria scarica).

La scarica comporta la solfatazione delle piastre positive e negative (teoria della doppia solfatazione). Tale solfatazione è reversibile ed è possibile procedere alla ricarica della batteria se eseguita al termine del processo di scarica, altrimenti, dopo alcuni giorni diventa irreversibile.

La carica della batteria avviene inviando corrente continua in senso opposto a quello di scarica. La corrente provoca sulle piastre le trasformazioni chimiche descritte precedentemente.

Teoricamente le fasi di carica e scarica possono ripetersi all’infinito, in realtà, la caduta della materia attiva dalle piastre ed i processi corrosivi limitano la durata delle comuni batterie a qualche anno.

CARATTERISTICHE ELETTRICHE DELLA BATTERIA

    TENSIONE

Ogni cella ha una tensione di circa 2 Volt.

Essendo tale valore non utilizzabile nelle applicazioni pratiche, vengono impiegate piùcelle in serie, sommando quindi le singole tensioni. 

       Si trovano così applicazioni di batterie:

- 6 Volt (3 celle) Moto / Auto

- l2 Volt (6 celle) Moto / Auto

- 24 VoIt (n.2 x 6 celle in serie) Veicoli industriali

    CAPACITÀ

La capacità nominale C20 è fissata dal costruttore della batteria. E’ la quantità di elettricità, espressa in " amperora ", che una batteria può erogare con una corrente costante prestabilita, espressa in " ampere ".

La corrente di scarica corrisponde al 5% della C20. La scarica si effettua finché la batteria non assume il valore di tensione di 10,5 volt. La misura della capacità si effettua a temperatura ambiente (∼ 25°C).

La capacità di una batteria varia in funzione di:

- Fattori interni (fabbricazione).

- Fattori esterni.

    ATTITUDINE ALL’AVVIAMENTO

E’ la corrente di scarica I , espressa in " ampere "( A ) e stabilita dal costruttore, che la batteria può erogare alla temperatura di -18°C per una durata prefissata, prima di raggiungere una determinata tensione minima.

Questa caratteristica viene chiaramente definita dalle Norme o Capitolati in vigore.

L’attitudine all’avviamento è la caratteristica più importante della batteria, dato che assolve alla funzione primaria della stessa.

Nel suo dimensionamento si deve tenere conto che deve garantire l’avviamento anche nelle condizioni più avverse. Infatti al diminuire della temperatura esterna, la batteria diminuisce fortemente la sua attitudine all’avviamento, come si vede nella figura seguente.

Figura 5: attitudine all’avviamento a diverse temperature.

La resistenza al trascinamento del motore, al contrario, al diminuire della temperatura aumenta.

I fattori progettuali che hanno influenza sull’attitudine all’avviamento sono:

        - Numero delle piastre.

        - Densità dell’acido.

        - Tipi di connessione.

        - Disegno della griglia.

        - Caratteristiche dei separatori.

La tendenza è di fornire sul mercato batterie con caratteristiche di spunto superiori, costruite in contenitori di dimensioni sempre più ridotte per rispondere alle esigenze delle case automobilistiche.

I mezzi a disposizione della progettazione e della produzione sono:

        - Minori spessori di piastre.

        - Maggior numero di piastre.

        - Separatori a più bassa resistenza.

        - Griglie con disegno " ottimizzato " per abbassare la caduta di tensione all’interno delle piastre.

    RISERVA DI CAPACITÀ

La riserva nominale di capacità RC è fissata dal costruttore. Indica la durata di scarica della batteria con una corrente costante di 25 ampere fino alla tensione di 10.5 Volt.

Se una batteria viene scaricata con corrente costante di 25A , alla temperatura di 25°C, raggiungendo dopo 70 minuti una tensione ai morsetti di 10.5 Volt, la sua RC è di 70 minuti.

    CONSUMO D’ACQUA

Ogni batteria al piombo sviluppa quantità più o meno grandi di H2 (gas) sugli elettrodi negativi e di O2 sugli elettrodi positivi (sia a circuito aperto che sotto stato di carica). Questi gas provengono dalla dissociazione dell’acqua dell’elettrolito. Ne consegue che tutte le batterie al piombo, tranne quelle a ricombinazione, consumino una certa quantità di acqua.

Il fenomeno è strettamente collegato a:

        - Temperatura di esercizio.

        - Tensione di carica dell’impianto.

        - Chilometri percorsi.

        - Leghe di piombo impiegate nelle griglie.

        - Impurezze nei componenti impiegati.