Batterie al Piombo Allagate (Batterie al Piombo)

Introduzione

Esistono vari tipi di batterie al piombo, tra cui gel, matrice di vetro assorbente (AGM) e allagate. La batteria al piombo originale risale al 1859 e, sebbene sia stata notevolmente modernizzata da allora, la teoria rimane la stessa. Le batterie AGM e le batterie gel sono spesso raggruppate come batterie al piombo regolato da valvola (VRLA).

Le batterie al piombo non eccellono in termini di energia rispetto al peso o al volume, ma sono ancora utilizzate perché economiche da produrre e offrono eccellenti proprietà di potenza rispetto al peso. Sono ampiamente impiegate nell'industria automobilistica per la loro capacità di erogare una grande quantità di corrente in un breve periodo di tempo, caratteristica essenziale per avviare un motore a combustione interna (IC) statico (diesel o benzina, ecc.).

Si stima che tra il 40-60% del peso di una batteria al piombo media sia direttamente attribuibile alle piastre di piombo (ecco perché la batteria è così pesante).

 

Come Funzionano le Batterie al Piombo

 

Le piastre di piombo sono immerse in un elettrolita (soluzione di acqua e acido solforico) all'interno di un involucro di plastica della batteria. Le piastre positive e negative sono create con rivestimenti dissimili in modo che la corrente fluisca tra di esse. Man mano che la corrente fluisce tra le piastre a causa della reazione chimica, si forma solfato di piombo su entrambe le piastre positive e negative (il solfato di piombo appare come un rivestimento giallo). Man mano che il solfato di piombo aumenta, la tensione inizia a diminuire. Il solfato di piombo si cristallizzerà sulle piastre se un caricabatterie non viene immediatamente collegato e non viene applicata una corrente di carica.

 

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Tipi di Batterie al Piombo

Generalmente, ci sono due tipi di batterie di accumulo al piombo, basate sul loro metodo di costruzione. Queste batterie sono chiamate allagate (o ventilate) o sigillate. Le batterie allagate e sigillate differiscono anche nel loro funzionamento. Tutte le batterie al piombo producono gas idrogeno e ossigeno (gassificazione) agli elettrodi durante la carica attraverso un processo chiamato elettrolisi. Questi gas sono lasciati sfuggire in una cella allagata, tuttavia, la cella sigillata è costruita in modo che i gas siano contenuti e ricombinati. Va notato che il gas idrogeno è esplosivo nell'aria a solo il 4% in volume. Le batterie al piombo allagate e sigillate sono discusse nei paragrafi seguenti.

Batterie al Piombo Allagate

Le celle allagate sono quelle in cui gli elettrodi/piastre sono immersi nell'elettrolita. Poiché i gas creati durante la carica sono ventilati nell'atmosfera, l'acqua distillata deve essere aggiunta occasionalmente per riportare l'elettrolita al livello richiesto. L'esempio più familiare di una cella al piombo allagata è la batteria automobilistica da 12 V.

Batterie al Piombo Sigillate

Questi tipi di batterie confinano l'elettrolita, ma hanno una valvola o uno sfiato per consentire ai gas di fuoriuscire se la pressione interna supera una certa soglia. Durante la carica, una batteria al piombo genera gas ossigeno all'elettrodo positivo.

Le batterie al piombo sigillate sono progettate in modo che l'ossigeno generato durante la carica venga catturato e ricombinato nella batteria. Questo è chiamato ciclo di ricombinazione dell'ossigeno e funziona bene finché il tasso di carica non è troppo alto. Un tasso di carica troppo alto può causare la rottura del contenitore, la fuga termica o danni meccanici interni.

La batteria regolata da valvola è il tipo più comune di batteria sigillata. È stata sviluppata per applicazioni di batterie stazionarie e di telecomunicazione. Questi tipi di batterie sigillate hanno una valvola controllata a molla che sfiata i gas a una pressione predeterminata. Le soglie di pressione tipiche vanno da 2 a 5 psig, a seconda del design della batteria. Sebbene il termine "regolato da valvola" sia spesso usato come sinonimo per descrivere le batterie al piombo sigillate, non tutte le batterie sigillate sono regolate da valvola. Alcuni design di batterie impiegano tappi di sfiato sostituibili o altri meccanismi per alleviare la pressione in eccesso. Le batterie sigillate sono state sviluppate per ridurre la manutenzione richiesta per le batterie in servizio attivo. Poiché i livelli di elettrolita sono preservati intrappolando e ricombinando i gas di scarico, non dovrebbe esserci bisogno di aggiungere acqua distillata durante la vita della batteria. Queste batterie sono spesso erroneamente chiamate "senza manutenzione". In realtà, tutte le pratiche di manutenzione applicabili alle batterie di tipo non sigillato sono applicabili alle batterie di tipo sigillato. L'unica eccezione è che i livelli di elettrolita non possono, e non dovrebbero, essere mantenuti.

Le batterie di tipo sigillato sono spesso evitate per applicazioni di fonte di alimentazione di backup per diversi motivi. Un motivo è che lo stato di carica delle batterie di tipo sigillato non può essere determinato con la solita misurazione della gravità specifica. Metodi alternativi affidabili per misurare lo stato di carica delle batterie di tipo sigillato sono in fase di sviluppo. Un secondo motivo è la loro sensibilità alle alte temperature.

 

Funzionamento e Costruzione

I paragrafi seguenti descrivono il funzionamento generale e la costruzione delle batterie al piombo.

Materiali Attivi della Batteria al Piombo

I materiali attivi in una batteria sono quelli che partecipano alla reazione elettrochimica di carica/scarica. Questi materiali includono l'elettrolita e gli elettrodi positivi e negativi. Come menzionato in precedenza, l'elettrolita in una batteria al piombo è una soluzione diluita di acido solforico (H₂SO₄). L'elettrodo negativo di una batteria completamente carica è composto da piombo spugnoso (Pb) e l'elettrodo positivo è composto da diossido di piombo (PbO₂).

Elettrochimica della Cella al Piombo

Tutte le batterie al piombo operano sulle stesse reazioni fondamentali. Man mano che la batteria si scarica, i materiali attivi negli elettrodi (diossido di piombo nell'elettrodo positivo e piombo spugnoso nell'elettrodo negativo) reagiscono con l'acido solforico nell'elettrolita per formare solfato di piombo e acqua. Durante la ricarica, il solfato di piombo su entrambi gli elettrodi si converte nuovamente in diossido di piombo (positivo) e piombo spugnoso (negativo), e gli ioni solfato (SO₄^2-) vengono riportati nella soluzione elettrolitica per formare acido solforico. Le reazioni coinvolte nella cella seguono.

All'elettrodo positivo

All'elettrodo negativo

Per la cella complessiva

Pertanto, la tensione massima a circuito aperto che può essere sviluppata da una singola cella al piombo è di 2,041 V.

Metodi di Costruzione delle Piastre Negative e Positive

Il metodo più semplice per la costruzione degli elettrodi delle batterie al piombo è la piastra Planté, dal nome dell'inventore della batteria al piombo. Una piastra Planté è semplicemente una piastra piatta composta da piombo puro. Poiché la capacità di una batteria al piombo è proporzionale all'area superficiale degli elettrodi esposta all'elettrolita, vengono impiegati vari schemi per aumentare l'area superficiale degli elettrodi per unità di volume o peso. Le piastre Planté sono scanalate o perforate per aumentare la loro area superficiale. Una tipica piastra Planté è mostrata nell'immagine sottostante.

Il metodo più comunemente usato per aumentare l'area superficiale è quello di trasformare il materiale attivo in una pasta che agisce come una spugna in cui l'elettrolita riempie tutti i pori. La pasta, o materiale attivo, è montata in una struttura a griglia che la supporta meccanicamente e serve come conduttore elettrico che trasporta la corrente durante il ciclo di carica e scarica. La piastra più comunemente usata oggi è la piastra incollata, nota anche come piastra piatta. Questa struttura a griglia è un reticolo che assomiglia alla sezione trasversale di un favo, con la pasta che riempie tutte le finestre rettangolari sulla struttura. Nell'immagine sottostante è mostrata una tipica costruzione di una griglia di piastra incollata. La costruzione a piastra piatta è utilizzata come piastra dell'elettrodo negativo nella maggior parte dei casi e serve come piastra positiva nella maggior parte delle applicazioni di standby.

Piastra Planté Tipica

Costruzione Tipica di una Griglia di Piastra Incollata

Gli elettrodi positivi sono solitamente di costruzione a piastra incollata o tubolare. Gli elettrodi tubolari sono piastre positive popolari per applicazioni di ciclaggio pesante. Questa costruzione utilizza una struttura a telaio costituita da una serie di spine verticali collegate a un bus comune (barra di distribuzione). La pasta è tenuta in tubi microporosi, non conduttivi, che sono posti sopra le singole spine. Una vista semplificata della costruzione della piastra tubolare è mostrata nell'immagine sottostante. Indipendentemente dal tipo di piastra utilizzata, la capacità di qualsiasi batteria è aumentata aggiungendo più piastre in parallelo.

Leghe di Antimonio/Calcio/Selenio/Stagno

La struttura a griglia nelle batterie a piastra incollata e tubolare è realizzata con una lega di piombo. Una struttura a griglia di piombo puro non è abbastanza forte da sola per stare verticalmente mentre supporta il materiale attivo. Altri metalli in piccole quantità sono legati con il piombo per una maggiore resistenza e migliori proprietà elettriche. I metalli più comunemente legati sono antimonio, calcio, stagno e selenio.

Costruzione Tipica di una Piastra Tubolare

Le due leghe più comuni utilizzate oggi per indurire la griglia sono antimonio e calcio. Le batterie con questi tipi di griglie sono talvolta chiamate "batterie al piombo-antimonio" e "batterie al piombo-calcio". Lo stagno viene aggiunto alle griglie al piombo-calcio per migliorare la ciclicità. Le principali differenze tra le batterie con griglie al piombo-antimonio e al piombo-calcio sono le seguenti:

1. Le batterie al piombo-antimonio possono essere ciclate in profondità più volte rispetto alle batterie al piombo-calcio. 
2. Le batterie al piombo-antimonio allagate richiedono una manutenzione più frequente man mano che si avvicinano alla fine della vita poiché utilizzano una quantità crescente di acqua e richiedono cariche di equalizzazione periodiche. 
3. Le batterie al piombo-calcio hanno tassi di autoscarica più bassi come mostrato nell'immagine sottostante e quindi assorbiranno meno corrente mentre sono in carica flottante rispetto alle batterie al piombo-antimonio. 
4. Le piastre positive al piombo-calcio possono crescere in lunghezza e larghezza a causa dell'ossidazione della griglia ai confini dei grani. Questa ossidazione è solitamente causata da una sovraccarica a lungo termine, comune alle UPS e ad altre batterie in carica flottante costante. Le griglie possono crescere in dimensioni sufficienti da causare l'incurvamento o la rottura dei loro contenitori.

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Tassi di Autoscarica di Tre Materiali di Griglia

Un altro tipo di lega di griglia è il piombo-selenio. In realtà, questa batteria è in realtà una griglia a basso contenuto di piombo-antimonio con una leggera quantità di selenio. Il piombo-selenio ha caratteristiche che si collocano da qualche parte tra il piombo-calcio e il piombo-antimonio.

Quando il piombo puro è miscelato con una lega, possono essere introdotte caratteristiche indesiderate nelle prestazioni della batteria. I produttori di batterie moderni cercano di ridurre la quantità di antimonio e calcio introducendo agenti dopanti come selenio, cadmio, stagno e arsenico. Quando le batterie contenenti arsenico e antimonio vengono caricate (soprattutto sovraccaricate) i gas velenosi arsina (AsH₃) e stibina (SbH₃) possono essere rilasciati. Questo è discusso ulteriormente nei paragrafi dedicati alla carica.

Gravità Specifica

Uno dei parametri chiave del funzionamento della batteria è la gravità specifica dell'elettrolita. La gravità specifica è il rapporto tra il peso di una soluzione e il peso di un volume uguale di acqua a una temperatura specificata. La gravità specifica è usata come indicatore dello stato di carica di una cella o batteria. Tuttavia, le misurazioni della gravità specifica non possono determinare la capacità di una batteria. Durante la scarica, la gravità specifica diminuisce linearmente con gli ampere-ora scaricati come indicato nell'immagine sottostante.

Cambiamenti nella Tensione e nella Gravità Specifica Durante la Carica e la Scarica

Pertanto, durante il funzionamento a regime completamente carico e durante la scarica, la misurazione della gravità specifica dell'elettrolita fornisce un'indicazione approssimativa dello stato di carica della cella. La linea inclinata verso il basso per la gravità specifica durante la scarica è approssimata dall'equazione sottostante:

Gravità specifica = tensione a circuito aperto della cella - 0,845.

Oppure

Tensione a circuito aperto della cella = gravità specifica + 0,845.

Le equazioni sopra consentono il monitoraggio elettrico della gravità specifica approssimativa su base occasionale. Come menzionato in precedenza, le misurazioni della gravità specifica non possono essere effettuate su batterie al piombo sigillate. La misurazione della tensione a circuito aperto della cella è stata utilizzata come indicatore dello stato di carica di una batteria sigillata. Metodi più affidabili per determinare lo stato di carica delle batterie sigillate sono in fase di sviluppo.

La gravità specifica diminuisce durante la scarica di una batteria fino a un valore vicino a quello dell'acqua pura e aumenta durante una ricarica. La batteria è considerata completamente carica quando la gravità specifica raggiunge il suo valore più alto possibile.

La gravità specifica varia, ovviamente, con la temperatura e la quantità di elettrolita in una cella. Quando l'elettrolita è vicino al segno di livello basso, la gravità specifica è più alta del nominale e diminuisce man mano che l'acqua viene aggiunta alla cella per portare l'elettrolita al livello pieno. Il volume dell'elettrolita si espande con l'aumento della temperatura e si contrae con la diminuzione della temperatura, influenzando quindi la lettura della densità o della gravità specifica. Man mano che il volume dell'elettrolita si espande, le letture vengono abbassate e, al contrario, la gravità specifica aumenta con temperature più fredde.

La gravità specifica per una determinata batteria è determinata dall'applicazione in cui verrà utilizzata, tenendo conto della temperatura operativa e della durata della batteria. Le gravità specifiche tipiche per alcune applicazioni sono mostrate nella Tabella 1.

Tabella 1. Gravità specifiche per batterie allagate.

Gravità specifiche	Applicazione
1.300	Batterie fortemente ciclate come per veicoli elettrici (trazione)
1.260	Automobilistico (SLI)
1.250	UPS—Standby con alta richiesta di scarica momentanea
1.215	Applicazioni generali come utility di potenza e applicazioni telefoniche

 

Nella selezione di una batteria per una determinata applicazione, alcuni degli effetti di alta o bassa gravità specifica da considerare sono:

Gravità più alta	Gravità più bassa
Più capacità	Meno capacità
Vita più breve	Vita più lunga
Meno spazio richiesto	Più spazio richiesto
Tassi di scarica momentanea più alti	Tassi di scarica momentanea più bassi
Meno adattabile al funzionamento "flottante"	Più adattabile al funzionamento "flottante"
Più perdita in piedi	Meno perdita in piedi

 

Una soluzione di gravità specifica più alta è più pesante per unità di volume rispetto a una di gravità specifica più bassa. Pertanto, l'elettrolita più concentrato creato durante la carica affonda sul fondo del vaso della batteria creando un gradiente di gravità specifica. La gassificazione che si verifica durante la sovraccarica funge da "miscelatore" e rende uniforme la gravità specifica in tutta la cella. Per evitare letture errate, le misurazioni della gravità specifica dovrebbero essere effettuate solo dopo una carica di equalizzazione e una successiva carica flottante per almeno 72 ore. Il lettore dovrebbe cercare ulteriori indicazioni sulla gravità specifica da ANSI/IEEE Std 450, IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations.

Effetti del Tasso di Scarica e della Temperatura su Capacità e Vita

Il tasso al quale una batteria viene scaricata e la sua temperatura operativa hanno un effetto profondo sulla sua capacità e vita. Un esempio dell'effetto del tasso di scarica sulla capacità della batteria è mostrato nell'immagine sottostante per le batterie di trazione. Questa immagine mostra che le batterie scaricate a un tasso basso saranno in grado di fornire una capacità maggiore rispetto a quelle scaricate a un tasso alto.

La profondità di scarica influisce anche sulla vita di una batteria. Come mostrato nell'immagine sottostante per una batteria di trazione tipica, scariche oltre circa l'80% della capacità possono accorciare la vita della batteria.

Temperature operative più fredde daranno un po' di vita extra, ma ridurranno anche la capacità delle celle al piombo. Temperature elevate forniscono una capacità maggiore (vedi l'immagine sottostante) ma hanno un effetto dannoso sulla vita.

Effetti Tipici del Tasso di Scarica sulla Capacità della Batteria

Effetti Tipici della Profondità di Scarica sulla Vita della Batteria di Trazione

Effetti Tipici delle Temperature Operative sulla Capacità della Batteria di Trazione

 

Applicazioni

Esistono numerose applicazioni per l'uso di batterie di accumulo al piombo. Vanno dai sistemi di batterie estremamente grandi utilizzati nel livellamento del carico da parte delle compagnie di servizi elettrici alle batterie relativamente piccole utilizzate negli utensili manuali. Le batterie possono dover subire cicli profondi e frequenti come quelle utilizzate per l'alimentazione dei veicoli elettrici o possono rimanere in "flottazione" come in un'applicazione di illuminazione di emergenza e essere scaricate solo raramente. Chiaramente, queste applicazioni non possono utilizzare tutte la stessa batteria. Vincoli su parametri come temperatura operativa, capacità desiderata, requisiti di tensione e potenza, ecc., influenzano il tipo di batteria scelto.

Tutte le considerazioni sopra menzionate sono prese in considerazione determinando il ciclo di lavoro della batteria. Il ciclo di lavoro è i parametri operativi richiesti di una cella o batteria, inclusi fattori come tassi di carica e scarica, profondità di scarica, durata del ciclo e durata del tempo in modalità standby. Il ciclo di lavoro deve essere noto e incluso nella specifica di approvvigionamento della batteria. Il ciclo di lavoro e la batteria scelta determineranno anche il tipo di caricabatterie utilizzato. Maggiori dettagli sull'abbinamento dei caricabatterie alle batterie e alle applicazioni sono inclusi nei paragrafi successivi. Maggiori informazioni sui cicli di lavoro sono incluse nella sezione intitolata "Dimensionamento e Selezione".

Le principali categorie di applicazioni delle batterie al piombo sono avviamento, illuminazione e accensione (SLI); industriale, comprese le applicazioni di trazione e stazionarie; e piccole apparecchiature portatili. Una breve descrizione di ciascun tipo è inclusa di seguito insieme a esempi di utilizzo di ciascun tipo.

Avviamento, Illuminazione e Accensione

Le batterie SLI sono utilizzate dalla maggior parte delle persone ogni giorno e sono prodotte in numero maggiore rispetto a qualsiasi altro tipo di batteria di accumulo al piombo. Queste sono utilizzate per avviare automobili e la maggior parte degli altri tipi di motori a combustione interna. Non sono adatte per applicazioni di scarica profonda, ma eccellono per usi che richiedono una corrente elevata per un breve periodo di tempo. Di solito sono caricate in modo "parziale flottante", il che significa che la batteria riceve solo una carica flottante mentre il veicolo è in funzione. Una vista in sezione di una tipica batteria SLI è mostrata nell'immagine sottostante. Le batterie SLI sono solitamente del design a piastra incollata piatta.

Vista in Sezione di una Batteria Tipica Utilizzata per Avviamento, Illuminazione e Accensione (SLI)

Industriale

Le batterie industriali hanno generalmente la capacità maggiore delle tre principali categorie di batterie al piombo. Le batterie industriali sono utilizzate per la trazione dei veicoli e per applicazioni stazionarie.

Trazione

Le batterie di trazione sono utilizzate per fornire potenza motrice per veicoli elettrici o ibridi. L'enfasi principale sul design delle batterie di trazione è la necessità di un alto rapporto capacità-peso e volume, poiché il veicolo deve anche trasportare la sua fonte di alimentazione. Le batterie di trazione sono frequentemente ciclate in profondità e richiedono un tasso di carica rapido per l'uso solitamente entro 24 ore. Le applicazioni tipiche sono la potenza motrice per carrelli elevatori e carrelli elettrici. Le batterie di trazione sono solitamente del design a piastra tubolare, che si comporta più favorevolmente durante il funzionamento a ciclo profondo.

Stazionario

Le batterie stazionarie sono disponibili in una vasta gamma di design per diverse applicazioni. Sono utilizzate per applicazioni in cui l'alimentazione è necessaria solo in modalità standby o di emergenza. Le batterie stazionarie sono scaricate raramente. Le batterie stazionarie rimangono in carica flottante continua in modo che possano essere utilizzate su richiesta. I tipi più grandi di batterie stazionarie sono quelli utilizzati per il livellamento del carico elettrico. Le batterie di livellamento del carico immagazzinano energia elettrica per i momenti di picco della domanda di energia e vengono disattivate durante i periodi di bassa domanda di energia. Le batterie stazionarie sono anche utilizzate per l'alimentazione di emergenza di backup, apparecchiature di telecomunicazione e alimentatori ininterrotti. Le batterie stazionarie sono prodotte in una varietà di design di piastre. Un esempio di una batteria stazionaria utilizzata per l'alimentazione di backup è mostrato nell'immagine sottostante.

Batteria Stazionaria Tipica Utilizzata per Alimentazione di Backup

Portatile

Le batterie al piombo portatili sono solitamente del tipo sigillato costruite in modo simile a quello rappresentato nell'immagine sottostante. Il loro funzionamento non può essere solitamente descritto come ciclico o flottante, ma si trova da qualche parte nel mezzo. Le batterie in questa categoria possono essere frequentemente ciclate in profondità o rimanere inutilizzate per un periodo di tempo relativamente lungo. Le applicazioni tipiche sono utensili portatili, giocattoli, illuminazione e illuminazione di emergenza, apparecchiature radio e sistemi di allarme. La maggior parte delle batterie portatili può essere ricaricata all'80-90% della loro capacità originale in meno di un'ora utilizzando un caricabatterie a tensione costante.

Componenti di una Cella al Piombo Sigillata

 

Dimensionamento e Selezione

Il dimensionamento e la selezione delle batterie al piombo dovrebbero essere eseguiti secondo ANSI/IEEE Std 485, IEEE Recommended Practice for Sizing Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations. Come descritto in precedenza, il ciclo di lavoro è il criterio più importante nel dimensionamento e nella selezione delle batterie. ANSI/IEEE Std 485 contiene indicazioni e un esercizio di esempio per determinare il ciclo di lavoro. Un semplice diagramma del ciclo di lavoro è mostrato nell'immagine sottostante.

Diagramma di un Ciclo di Lavoro

Ognuno dei carichi (designati da L1-6) richiede un certo amperaggio per un tempo e una durata specificati. Nel ciclo di lavoro di esempio, si presume che un carico che si verifica casualmente (L7) si verifichi al 120° minuto. Il posizionamento dei carichi che si verificano casualmente nel ciclo di lavoro è anche trattato in ANSI/IEEE Std 485.

Altri fattori di selezione raccomandati da ANSI/IEEE Std 485 sono i seguenti:

1. Caratteristiche fisiche, come dimensioni e peso delle celle, materiale del contenitore, tappi di sfiato, connettori intercellulari e terminali 
2. Vita pianificata dell'installazione e vita prevista del design della cella 
3. Frequenza e profondità di scarica 
4. Temperatura ambiente 
5. Requisiti di manutenzione per i vari design delle celle 
6. Caratteristiche sismiche del design della cella.

 

Manutenzione

Una corretta manutenzione prolungherà la vita di una batteria e aiuterà a garantire che sia in grado di soddisfare i suoi requisiti di progettazione. Un buon programma di manutenzione della batteria servirà come un prezioso aiuto nel determinare la necessità di sostituzione della batteria. La manutenzione della batteria dovrebbe sempre essere eseguita da personale addestrato e informato sulle batterie e sulle precauzioni di sicurezza coinvolte.

La maggior parte del materiale seguente riguarda batterie allagate, non "senza manutenzione". Tuttavia, anche le batterie cosiddette "senza manutenzione" e le batterie regolate da valvola richiedono una certa manutenzione. Non richiedono aggiunta di acqua o controllo della gravità specifica, ma possono richiedere pulizia periodica, monitoraggio della tensione totale della cella e della batteria, test di carico (capacità), misurazione della resistenza dei terminali, o pulizia e serraggio dei bulloni dei terminali a seconda dell'importanza dell'applicazione.

Generale

In generale, un buon programma di manutenzione e ispezione dovrebbe essere basato su standard pertinenti, come ANSI/IEEE Std 450, IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations. Alcune delle pratiche raccomandate da questi e altri riferimenti sono presentate nei paragrafi seguenti.

Le batterie al piombo allagate possono funzionare per 10 anni o più se mantenute correttamente. Le sei regole generali di una corretta manutenzione sono:

1. Abbinare il caricabatterie ai requisiti della batteria. 
2. Evitare di scaricare eccessivamente la batteria. 
3. Mantenere l'elettrolita al livello appropriato (aggiungere acqua se necessario). 
4. Mantenere la batteria pulita. 
5. Evitare di surriscaldare la batteria. 
6. Fornire una carica di equalizzazione periodicamente alle batterie/celle deboli.

Abbinare il Caricabatterie ai Requisiti della Batteria

Una pratica di carica scorretta è responsabile dell'accorciamento della vita di una batteria più di qualsiasi altra causa. La carica può essere effettuata con vari metodi, ma l'obiettivo di far passare corrente attraverso la batteria nella direzione opposta alla scarica rimane lo stesso. L'aspetto più importante della carica è abbinare il caricabatterie all'applicazione della batteria. Quando si sceglie un caricabatterie, è necessario considerare il tipo di batteria, il modo in cui la batteria verrà scaricata, il tempo disponibile per la carica, gli estremi di temperatura che la batteria sperimenterà e il numero di celle nella batteria (tensione di uscita). È importante consultare il produttore della batteria al momento dell'acquisto per determinare il metodo di carica appropriato.

In generale, le batterie al piombo possono essere ricaricate a qualsiasi tasso che non produca gassificazione eccessiva, sovraccarica o alte temperature. Le batterie scariche possono essere ricaricate inizialmente a una corrente elevata. Tuttavia, una volta che la batteria si avvicina alla sua piena carica, la corrente deve essere ridotta per ridurre la gassificazione e la sovraccarica eccessiva.

Esistono una vasta gamma di schemi per la carica delle batterie al piombo. Sebbene una discussione completa delle varie tecniche di carica sia al di fuori dello scopo di questo corso, segue una descrizione generale dei metodi più comuni.

Carica a Tensione Costante

I caricabatterie a tensione costante (spesso chiamati a potenziale costante) mantengono quasi la stessa tensione di ingresso alla batteria durante tutto il processo di carica, indipendentemente dallo stato di carica della batteria. I caricabatterie a tensione costante forniscono una corrente iniziale elevata alla batteria a causa della maggiore differenza di potenziale tra la batteria e il caricabatterie. Un caricabatterie a tensione costante può restituire fino al 70% della scarica precedente nei primi 30 minuti. Questo risulta utile in molte applicazioni di batterie che coinvolgono scenari di scarica multipla. Man mano che la batteria si carica, la sua tensione aumenta rapidamente. Questo riduce il potenziale che ha guidato la corrente, con una corrispondente rapida diminuzione della corrente di carica come rappresentato nell'immagine sottostante. Di conseguenza, anche se la batteria raggiunge rapidamente una carica parziale, ottenere una carica completa richiede una carica prolungata.

Data questa caratteristica, i caricabatterie a tensione costante si trovano frequentemente in applicazioni che normalmente consentono periodi di carica prolungati per raggiungere la piena carica. I caricabatterie a tensione costante non dovrebbero essere utilizzati dove c'è un frequente ciclaggio della batteria. Scariche ripetute senza riportare la cella alla sua piena carica alla fine diminuiranno la capacità della batteria e possono danneggiare le singole celle.

I caricabatterie a tensione costante sono più spesso utilizzati in due modalità molto diverse: come caricabatterie rapido per ripristinare una percentuale elevata di carica in breve tempo o come caricabatterie flottante per minimizzare gli effetti della sovraccarica su batterie che hanno scariche poco frequenti come descritto di seguito.

Tasso di Carica versus Tempo per un Caricabatterie a Tensione Costante Tipico

Carica Flottante

La carica flottante è più comunemente utilizzata per applicazioni di alimentazione di backup ed emergenza dove la scarica della batteria è poco frequente. Durante la carica flottante, il caricabatterie, la batteria e il carico sono collegati in parallelo. Il caricabatterie funziona con l'alimentazione normale che fornisce corrente al carico durante il funzionamento. In caso di guasto dell'alimentazione normale, la batteria fornisce alimentazione di backup fino a quando l'alimentazione normale non viene ripristinata. Poiché la maggior parte delle apparecchiature richiede corrente alternata, un circuito raddrizzatore converte la corrente alternata in corrente continua e viene solitamente aggiunto tra la batteria e il carico. I caricabatterie flottanti sono tipicamente caricabatterie a tensione costante che operano a una bassa tensione. Operare il caricabatterie a una bassa tensione, solitamente inferiore a circa 2,4 V per cella, mantiene la corrente di carica bassa e quindi minimizza gli effetti dannosi della sovraccarica ad alta corrente.

Per le batterie regolate da valvola, una considerazione importante durante la carica flottante è la possibile occorrenza di un fenomeno chiamato "fuga termica". Il modo migliore per prevenire la fuga termica è attraverso l'uso di un caricabatterie compensato per la temperatura. Un caricabatterie compensato per la temperatura regola la tensione flottante in base alla temperatura della batteria. I caricabatterie compensati per la temperatura aumenteranno l'affidabilità e prolungheranno la vita del sistema batteria/caricabatterie. Sono particolarmente utili per batterie situate in aree dove le temperature possono essere significativamente superiori alle condizioni ambientali.

Carica a Corrente Costante

La carica a corrente costante significa semplicemente che il caricabatterie fornisce una corrente relativamente uniforme, indipendentemente dallo stato di carica o dalla temperatura della batteria. La carica a corrente costante aiuta a eliminare gli squilibri delle celle e delle batterie collegate in serie. I caricabatterie a corrente costante a singolo tasso sono più appropriati per il funzionamento ciclico dove una batteria è spesso richiesta per ottenere una carica completa durante la notte. A questi alti tassi di carica ci sarà una certa ventilazione dei gas. L'ossidazione della griglia positiva si verificherà a temperature elevate o tempi di sovraccarica prolungati. Normalmente, l'utente di un'applicazione ciclica è istruito a rimuovere la batteria da un caricabatterie a corrente costante a singolo tasso entro un periodo di tempo che consente una carica completa ma previene l'ossidazione eccessiva della griglia.

Un altro tipo di caricabatterie a corrente costante è il caricabatterie a tasso diviso. Un caricabatterie a tasso diviso applica una corrente iniziale elevata alla cella e poi passa a un tasso basso basato sul tempo di carica, sulla tensione o su entrambi. La scelta del metodo di commutazione e del punto di commutazione può essere influenzata dalla priorità relativa di minimizzare la ventilazione (commutazione precoce) rispetto al mantenimento di un buon equilibrio delle celle (commutazione tardiva). In alcuni caricabatterie a tasso diviso, il caricabatterie alternerà tra il tasso alto e basso man mano che la batteria si avvicina alla carica completa. I caricabatterie a tasso diviso sono utili quando la scarica non può essere classificata come flottante o ciclica, ma si trova da qualche parte tra le due applicazioni.

Carica a Trickle

Una carica a trickle è una carica a corrente costante continua a un tasso basso (circa C/100) che viene utilizzata per mantenere la batteria in uno stato di carica completo. La carica a trickle è utilizzata per ricaricare una batteria per le perdite dovute all'autoscarica e per ripristinare l'energia scaricata durante l'uso intermittente della batteria. Questo metodo è tipicamente utilizzato per batterie SLI e simili quando la batteria viene rimossa dal veicolo o dalla sua fonte di carica regolare. La carica a trickle è anche ampiamente utilizzata per utensili e apparecchiature portatili come torce e cacciaviti a batteria.

Evitare la Scarica Eccessiva

Per ottenere la massima vita dalle batterie al piombo, dovrebbero essere scollegate dal carico una volta che hanno scaricato la loro piena capacità. La tensione di cut-off di una cella al piombo è solitamente intorno a 1,75 V. Tuttavia, la tensione di cut-off è molto sensibile alla temperatura operativa e al tasso di scarica. Le batterie scaricate a un tasso alto avranno una tensione di cut-off più bassa rispetto a quelle scaricate a un tasso basso. Capacità maggiori si ottengono a temperature più alte e tassi di scarica bassi. Il produttore dovrebbe specificare le tensioni di cut-off per varie temperature operative e tassi di scarica. La scarica eccessiva può causare difficoltà nella ricarica della cella aumentando la resistenza interna della batteria. Inoltre, la scarica eccessiva può causare la precipitazione del piombo nel separatore e causare un corto nella cella o tra le celle.

Mantenere i Livelli di Elettrolita

Durante il normale funzionamento, l'acqua viene persa da una batteria al piombo allagata a causa dell'evaporazione e dell'elettrolisi in idrogeno e ossigeno, che sfuggono nell'atmosfera. Un Faraday di sovraccarica comporterà una perdita di circa 18 g di acqua. L'evaporazione è una parte relativamente piccola della perdita, tranne che in climi molto caldi e secchi. Con una batteria completamente carica, l'elettrolisi consuma acqua a un tasso di 0,336 cm3 per ampere-ora di sovraccarica. Una batteria da 500-Ah sovraccaricata del 10% può quindi perdere 16,8 cm3, o circa lo 0,3%, della sua acqua per ogni ciclo. È importante che l'elettrolita sia mantenuto al livello corretto nella batteria. L'elettrolita non solo serve come conduttore ionico, ma è un fattore importante nel trasferimento di calore dalle piastre. Se l'elettrolita è al di sotto del livello delle piastre, un'area della piastra non è elettrochimicamente efficiente; questo causa una concentrazione di calore in altre parti della batteria. Il controllo periodico del consumo di acqua può anche servire come un controllo approssimativo sull'efficienza della carica e può avvisare quando è necessario regolare il caricabatterie.

Poiché la sostituzione dell'acqua può essere un costo di manutenzione significativo, la perdita d'acqua può essere ridotta controllando la quantità di sovraccarica e utilizzando dispositivi di ricombinazione di idrogeno e ossigeno in ciascuna cella dove possibile. L'aggiunta di acqua è meglio effettuata dopo la ricarica e prima di una carica di equalizzazione. L'acqua viene aggiunta alla fine della carica per raggiungere la linea di livello alto. La gassificazione durante la sovraccarica mescolerà l'acqua nell'acido in modo uniforme. In condizioni di gelo, l'acqua non dovrebbe essere aggiunta senza mescolare poiché potrebbe congelare prima che si verifichi la gassificazione. Solo acqua distillata dovrebbe essere aggiunta alle batterie. Sebbene l'acqua demineralizzata o del rubinetto possa essere approvata per alcune batterie, il basso costo dell'acqua distillata la rende la scelta migliore. Dispositivi di irrigazione automatica e test di affidabilità possono ridurre ulteriormente i costi di manodopera per la manutenzione. L'eccesso di riempimento deve essere evitato perché il conseguente trabocco dell'elettrolita acido causerà corrosione del vassoio, percorsi di massa e perdita di capacità della cella. Sebbene l'acqua distillata non sia più specificata dalla maggior parte dei produttori di batterie, acqua di buona qualità, a basso contenuto di minerali e ioni di metalli pesanti come il ferro, aiuterà a prolungare la vita della batteria.

Pulizia

Mantenere la batteria pulita minimizzerà la corrosione dei connettori dei poli delle celle e dei vassoi in acciaio ed eviterà costose riparazioni. Le batterie raccolgono comunemente sporco secco che può essere facilmente soffiato via o spazzato via. Questo sporco dovrebbe essere rimosso prima che l'umidità lo renda un conduttore di correnti vaganti. La parte superiore della batteria può diventare bagnata con l'elettrolita ogni volta che una cella è riempita eccessivamente. L'acido in questo elettrolita non evapora e dovrebbe essere neutralizzato lavando la batteria con una soluzione di bicarbonato di sodio e acqua calda, circa 1 kg di bicarbonato di sodio per 4 L di acqua. Dopo l'applicazione di tale soluzione, l'area dovrebbe essere risciacquata abbondantemente con acqua.

Evitare Alte Temperature

Una delle condizioni più dannose per una batteria è l'alta temperatura, in particolare sopra i 55°C, perché i tassi di corrosione, la solubilità dei componenti metallici e l'autoscarica aumentano con l'aumento della temperatura. L'alta temperatura operativa durante il servizio ciclico richiede un input di carica più elevato per ripristinare la capacità di scarica e le perdite di autoscarica. Più dell'input di carica viene consumato dalla reazione di elettrolisi a causa della riduzione della tensione di gassificazione alla temperatura più alta. Mentre il 10% di sovraccarica per ciclo mantiene lo stato di carica a 25-35°C, il 35-40% di sovraccarica può essere richiesto per mantenere lo stato di carica alle temperature operative più alte (60-70°C). In servizio flottante, le correnti flottanti aumentano alle temperature più alte, risultando in una vita ridotta. Undici giorni di flottazione a 75°C equivalgono in vita a 365 giorni a 25°C. Le batterie destinate ad applicazioni ad alta temperatura dovrebbero utilizzare un elettrolita a gravità specifica iniziale più bassa rispetto a quelle destinate all'uso a temperature normali. I produttori dovrebbero essere consultati sui range di temperatura accettabili per il funzionamento delle loro batterie e sugli effetti associati della temperatura. Le batterie al nichel-cadmio possono essere più adatte per applicazioni ad alta temperatura.

Fornire una Carica di Equalizzazione

Spesso una batteria multi-cella avrà una o più celle a una tensione significativamente più bassa rispetto alle altre celle nella batteria. Quando la batteria viene scaricata, le celle con tensione più bassa possono diventare sovrascaricate. Come notato in precedenza, la sovrascarica può causare abbastanza danni a una cella da richiedere la sua sostituzione. Quando esiste una differenza tra i potenziali delle celle nella stessa batteria, viene applicata una carica di equalizzazione per portarle a un potenziale uguale alle altre celle. I criteri per l'applicazione di una carica di equalizzazione possono essere trovati in ANSI/IEEE 450, IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations.

Precauzioni di Sicurezza

I problemi di sicurezza associati alle batterie al piombo includono fuoriuscite di acido solforico, potenziali esplosioni dalla generazione di idrogeno e ossigeno e la generazione di gas tossici come arsina e stibina. Tutti questi problemi possono essere gestiti in modo soddisfacente con le dovute precauzioni. NFPA 70, National Electrical Code, fornisce indicazioni sulla ventilazione delle stanze delle batterie. Si raccomanda di indossare visiere e grembiuli e guanti in plastica o gomma quando si maneggia l'acido per evitare ustioni chimiche da acido solforico. Sciacquare immediatamente e abbondantemente con acqua pulita se l'acido entra negli occhi, sulla pelle o sui vestiti e ottenere assistenza medica quando gli occhi sono interessati. Una soluzione di bicarbonato di sodio è comunemente usata per neutralizzare qualsiasi acido accidentalmente versato. Dopo la neutralizzazione, l'area dovrebbe essere risciacquata con acqua pulita.

Le precauzioni devono essere praticate di routine per prevenire esplosioni dall'accensione della miscela di gas infiammabile di idrogeno e ossigeno formata durante la sovraccarica delle celle al piombo. Il tasso massimo di formazione è di 0,42 L di idrogeno e 0,21 L di ossigeno per ampere-ora di sovraccarica a temperatura e pressione standard. La miscela di gas è esplosiva quando l'idrogeno nell'aria supera il 4% in volume. Una pratica standard è impostare dispositivi di avviso per suonare allarmi al 20-25% di questo limite esplosivo inferiore (LEL). I rilevatori di idrogeno sono disponibili in commercio per questo scopo.

Con una buona circolazione dell'aria intorno a una batteria, l'accumulo di idrogeno non è normalmente un problema. Tuttavia, se batterie relativamente grandi sono confinate in piccole stanze, dovrebbero essere installati ventilatori di scarico per ventilare la stanza costantemente o per essere accesi automaticamente quando l'accumulo di idrogeno supera il 20% del limite esplosivo inferiore. Anche le scatole delle batterie dovrebbero essere ventilate verso l'atmosfera. Scintille o fiamme possono accendere queste miscele di idrogeno sopra il LEL. Per prevenire l'accensione, le fonti elettriche di archi, scintille o fiamme dovrebbero essere montate in scatole metalliche a prova di esplosione. Le batterie allagate possono essere equipaggiate in modo simile con arrestatori di fiamma negli sfiati per prevenire che scintille esterne accendano gas esplosivi all'interno delle custodie delle celle. È obbligatorio astenersi dal fumare, usare fiamme libere o creare scintille nelle vicinanze della batteria. Un numero considerevole di esplosioni di batterie riportate deriva da cariche incontrollate in applicazioni non automobilistiche. Spesso le batterie verranno caricate, fuori dal veicolo, per lunghi periodi di tempo con un caricabatterie non regolato. Nonostante il fatto che le correnti di carica possano essere basse, possono accumularsi volumi considerevoli di gas. Quando la batteria viene quindi spostata, questo gas viene sfiatato e, se è presente una scintilla, si sono verificate esplosioni. L'introduzione di griglie in lega di calcio ha minimizzato questo problema, ma la possibilità di esplosione è ancora presente.

Alcuni tipi di batterie possono rilasciare piccole quantità di gas tossici, stibina e arsina. Queste batterie hanno piastre positive o negative che contengono piccole quantità dei metalli antimonio e arsenico nella lega della griglia per indurire la griglia e ridurre il tasso di corrosione della griglia durante il ciclaggio. Arsina (AsH₃) e stibina (SbH₃) si formano quando il materiale della lega di arsenico o antimonio entra in contatto con l'idrogeno, generato durante la sovraccarica della batteria. Sono estremamente pericolosi e possono causare gravi malattie e morte. La ventilazione dell'area della batteria è molto importante. Le indicazioni sono che la ventilazione progettata per mantenere l'idrogeno al di sotto del 20% LEL (circa 1% di idrogeno) manterrà anche stibina e arsina al di sotto dei loro limiti tossici.

Il seguente riepilogo delle precauzioni di sicurezza aiuterà a prevenire lesioni personali e/o danni alla proprietà:

1. Seguire le regole di sicurezza del sito e dell'area applicabili per il lavoro sulle batterie. 
2. Ottenere un permesso di autorizzazione al lavoro approvato per il Manuale di Sicurezza del Sito prima di iniziare qualsiasi lavoro sulle batterie. 
3. L'uso di articoli di protezione personale come guanti resistenti agli acidi, grembiule, visiera e occhiali è richiesto. 
4. L'elettrolita è estremamente corrosivo e richiede estrema cura durante la manipolazione. 
5. Utilizzare solo strumenti non conduttivi/isolati/non scintillanti nella stanza delle batterie. 
6. Non fumare o usare fiamme libere, non causare archi nelle vicinanze della batteria. 
7. Tutti gli oggetti metallici come gioielli (anelli, braccialetti, collane) devono essere rimossi prima di lavorare sulle batterie. 
8. Neutralizzare l'accumulo di carica statica appena prima di lavorare sulle batterie facendo contattare il personale con la superficie più vicina efficacemente messa a terra. 
9. Assicurarsi che l'ingresso e l'uscita dall'area della batteria siano liberi da ostacoli. 
10. Verificare la disponibilità di strutture idriche attualmente ispezionate e operative (portatili o fisse) per il risciacquo degli occhi e della pelle in caso di fuoriuscita di acido. 
11. È richiesto un Permesso di Lavoro con Radiazioni per tutti i lavori in un'area controllata radiologicamente. 
12. Per motivi di sicurezza, una persona non deve lavorare da sola. Devono essere sempre presenti almeno due persone (Regola dei Due Uomini) quando si lavora su sistemi di alimentazione elettrica.

Test

Le batterie dovrebbero essere testate a intervalli regolari per (a) determinare se la batteria soddisfa la sua specifica o la valutazione del produttore, o entrambi; (b) determinare periodicamente se le prestazioni della batteria, come trovate, sono entro limiti accettabili, e (c) se richiesto, determinare se la batteria come trovata soddisfa i requisiti di progettazione del sistema a cui è collegata. Il programma e la procedura per i test di capacità della batteria dovrebbero essere eseguiti secondo i requisiti di ANSI