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COME GARANTIRE LE PRESTAZIONI DEI SISTEMI A BATTERIE STAZIONARIE
Glenn Alber & Marco W. Migliaro

Alber Corporation - Florida Power & Light

Boca Raton, FL 33487 Juno Beach, FL 33408

Memoria presentata alla: POWER QUALITY CONFERENCE, Long Beach, California, Settembre 1995

Generalità

Garantire è una parola difficile. Con l'utilizzo di procedure appropriate e di strumenti adeguati, è però possibile affermare che siamo oggi in grado di garantire al 100% che una batteria sarà in grado di rispondere alle prestazioni richieste. Questo articolo tratta le condizioni necessarie, relative a prove e monitoraggi, affinchè il sistema a batterie possa assolvere egregiamente al suo compito durante le mancanze di alimentazione AC. Le misure dei parametri interni di una batteria, quali le misure di resistenza interna di cella, coprono un ruolo determinante nella strategia totale, pertanto, verranno trattate in modo approfondito. Inoltre, il grado di affidabilità, che si raggiunge normalmente, varia a seconda delle applicazioni. Per esempio, il personale responsabile della manutenzione di un grosso centro di calcolo che processa miliardi di lire al minuto, può giustificare qualunque spesa, mentre quello addetto alla manutenzione di un centralino di telecomunicazione ha molti più problemi economici relativi ai budget di spesa, non essendo la sua una applicazione strategica. Diversi approcci di tipo hardware, che coprono dal minimo al massimo le capacità di diagnosi, vengono affrontati in questo articolo. Vengono anche descritte le specifiche applicazioni di prova e controllo sia su batterie al piombo a vaso aperto che su quelle sempre al piombo ma ermetiche, con valvola di regolazione(VRLA).

1. Introduzione

Ad eccezione degli addetti alla manutenzione delle centrali elettriche nucleari, dove le prove e i controlli delle batterie sono obbligatori per legge, diversi manutentori di impianti a batterie non hanno dedicato una particolare attenzione ai controlli con strumentazione dedicata. Negli ultimi anni, data la sempre maggiore importanza dei sistemi a batteria, questi controlli si sono intensificati. Il risultato è stato un aumento dei problemi e dei guasti, in modo particolare sulle installazioni di batterie VRLA. La maggior parte dei problemi sono dovuti all'impropria installazione ed alla mancanza di azione correttiva conseguente ai controlli con strumentazione dedicata, unitamente alla filosofia di acquistare le batterie meno costose presenti sul mercato. L'odierna competitività del mercato globale aumenta l'importanza dell'efficienza dei sistemi di emergenza. Mentre prima si potevano trasferire i costi di mancata produzione sul consumatore finale, oggi diventa sempre più difficile e lo sarà molto di più in futuro. Ecco perchè i sistemi di emergenza, e le relative batterie, diventano sempre più importanti nel nostro panorama economico. Essi sono stati impiegati per ovviare alle mancate produzioni e devono pertanto svolgere egregiamente questo compito. Ci sono stati, negli ultimi dieci anni, dei mutamenti nel mercato delle batterie con l'introduzione di quelle ermetiche. I problemi derivanti dall'utilizzo di queste batterie sono stati enormi. Primo fra tutti il fatto che siano state vendute con la dicitura '' privo di manutenzione'' ed, alcune, anche con una vita dichiarata di vent'anni. La realtà ha dimostrato che questo non è vero, anzi , oggi le batterie ermetiche sono accusate di essere il componente più critico dei sistemi di emergenza. Molti costruttori di batterie incominciano ad ammettere che quelle ermetiche sono più critiche di quelle con controllo periodico del liquido e pertanto devono accuratamente essere manutenute. Per esempio, la compensazione della temperatura con la tensione di mantenimento è indispensabile per le batterie ermetiche mentre è trascurabile per le altre. Trascurando questo parametro può verificarsi la prematura rottura delle celle per diverse ragioni, quali il ciclo termico e l'essicazione esterna. Oggi, dopo aver appurato la criticità delle batterie ermetiche, sono tutti alla ricerca di metodi efficaci e poco costosi , capaci di garantire il corretto funzionamento dei sistemi di emergenza. I paragrafi che seguono spiegheranno le modalità atte ad assicurare le prestazioni richieste alle batterie. Questa memoria spiegherà i meccanismi di guasto, unitamente alle raccomandazioni di ispezione e controllo che Vi aiuteranno a rilevare e correggere i problemi che affliggono le batterie.

2. Capire i Guasti delle Batterie

Prima di rendere effettivo un programma di controllo e manutenzione è necessario capire quali sono le cause che determinano, prima il degrado e poi il guasto di una batteria. Innanzi tutto bisogna sapere che tutte le batterie al piombo hanno una vita limitata di utilizzo. La durata della vita dipende dal tempo necessario alla griglia positiva di corrodersi fino al punto da perdere l'integrità meccanica. Le batterie al piombo a vaso aperto (con controllo del liquido), che utilizzano una griglia con lega irrobustita di calcio o antimonio, hanno una vita di esercizio di circa vent'anni. Quelle al piombo puro, come le Plantè e le AT&T a cella rotonda, superano anche i trent'anni. Lo stesso meccanismo, di corrosione della griglia positiva, dovrebbe essere la causa principale della vita delle batterie al piombo ermetiche. Invece, non è così. Le batterie ermetiche si guastano prima per diverse altre ragioni e solamente poche raggiungono l'anzianità di servizio per corrosione della griglia positiva. Tutte le batterie hanno un ciclo di vita (scarica seguita dalla ricarica) che, per le batterie stazionarie, può variare da circa 50 cicli profondi (dove l'80% o più della propria capacità viene rimossa) a migliaia di cicli, ognuno di cinque minuti, equivalenti alla scarica controllata di quindici minuti (con rimozione di relativamente bassa capacità). I cicli contribuiscono pure al deterioramento ed alla rottura della piastra positiva, indipendentemente dall'età di esercizio della batteria. Siccome le batterie stazionarie funzionano in attesa dell'intervento (standby), quindi non effettuano molti cicli, ed i costruttori dichiaravano una vita illimitata, gli utilizzatori non davano molto peso a questo parametro. Inoltre, alcuni utilizzatori pensano che le loro batterie non sono soggette ai cicli in quanto hanno la fortuna di lavorare con rete di alimentazione molto affidabile. A seconda delle applicazioni, invece, molti buchi di tensione irrilevanti trasferiscono il carico sulle batterie per un certo periodo di tempo. Questo è particolarmente vero per i gruppi di continuità. Poichè la piastra positiva è così importante, bisogna soffermarsi un attimo a discutere della piastra Faurè, quella universalmente usata nelle batterie stazionarie in servizio standby. La piastra è essa stessa costituita da due componenti. Il primo è una struttura di supporto (griglia) mentre il secondo è il materiale attivo. Il materiale attivo viene normalmente chiamato ''paste'' proprio perchè viene applicato alla griglia sotto forma di impasto. La griglia è un attrezzo che ha una duplice funzione: la prima è quella di supportare il materiale attivo mentre la seconda è quella di portare la corrente dal e al materiale attivo. In seguito alla loro durezza meccanica molte griglie vengono costruite con leghe di piombo; sono anche disponibili quelle in puro piombo. Di solito, sono di forma rettangolare con membri orizzontali, verticali e possibilmente radiali, con una piastra di terminazione sull'estremità del bordo superiore. Questa terminazione verrà assiemata alle altre terminazioni di piastra, con identica polarità, al morsetto o polo della cella (elemento). Le dimensioni della griglia, la configurazione ed il numero dei membri variano a seconda delle applicazioni. Le caratteristiche principali di una griglia sono la conducibilità, la durezza, la resistenza alla corrosione, la compatibilità con i materiali attivi, la capacità di essere lavorata per l'assiemaggio ed altri aspetti elettrochimici, quali l'autoscarica.

Le due leghe principali, che sono state individuate come le più idonee, sono il piombo antimonio ed il piombo calcio. Qualche volta si parla anche di piombo selenio, ma come aggiunta alle due precedenti.

La durezza della griglia è necessaria durante la costruzione, per assicurare che la stessa non venga danneggiata quando viene presa in mano o quando passa attraverso la macchina di impastaggio. La durezza è pure necessaria affinchè la griglia possa sopportare il carico (il suo peso e quello del materiale attivo) quando la cella è in servizio. Inoltre, la corrosione elettrochimica che si verifica sulla griglia, non solo diminuisce la sua conducibilità ma indebolisce anche la sua struttura. Anche questo deve essere considerato.

La resistenza di corrosione della griglia è pure importante, poichè la resistenza elettrica della griglia (quindi della cella) aumenta con la corrosione. Un tipo di corrosione alla quale la griglia è soggetta è quella intergranulare, che corrode la lega. Questo tipo di corrosione può causare la perdita di durezza del metallo attaccato, oltre a produrre l'effetto di rigonfiamento, conosciuto come ingrossatura della piastra. Con l'aumento della corrosione si possono verificare dei punti d'isolamento, fra griglia e materiale attivo, che impediscono alla corrente di fluire correttamente provocando così una diminuzione di capacità della cella. La corrosione anodica dei materiali di griglia genera acido solforico sulla griglia positiva causando una diminuzione della sezione ed un aumento della resistenza. Le aspettative di vita di una batteria dipendono anche da altri fattori che comprendono: l'applicazione specifica, la tensione di mantenimento e la densità nominale a piena carica dell'elettrolito utilizzato. Più elevato è il contenuto di acido nell'elettrolito e più elevata sarà la percentuale di corrosione della piastra positiva. Elevate tensioni di mantenimento contribuiscono pure ad un aumento della corrosione a causa delle elevate correnti di mantenimento. Come già detto in precedenza, a proposito dell'età delle batterie, le griglie positive cominciano a crescere causando un'elevata resistenza di connessione fra la griglia e l'impasto. Questa resistenza aumenta più dell'aumento di resistenza nella parte metallica, limitando così la capacità della batteria di fornire elevate correnti di carico. Questo significa che, restando inalterate tutte le altre condizioni, le aspettative di vita in esercizio di una batteria ad elevate prestazioni, con elevata densità di elettrolito (per esempio 1250 Kg/mcubo) per gruppi di continuità, non sarà così lunga come quella a densità normale (1215 Kg/mcubo) per telecomunicazioni.

3. Componenti di Cella e Potenziali Problemi

Idealmente, le piastre vengono tenute in salute applicandogli una appropriata carica di mantenimento. I costruttori di batterie forniscono questa ed altre informazioni nelle loro istruzioni di installazione e di manutenzione. Le piastre devono pure essere protette da: vibrazione o eccessiva ebollizione causata da sovra carica, che potrebbe causare la fuoriuscita di materiale attivo; sotto carica, che potrebbe causare la solfatazione; eccessiva temperatura, che accelera la corrosione o potrebbe causare rapide variazioni termiche; agenti contaminanti. Le piastre, dopo ogni scarica devono essere ricaricate velocemente per prevenire l'idratazione.

L'elettrolito deve essere tenuto libero da contaminanti che possano interessare lui o altri componenti della cella. Questi agenti contaminanti sono spesso introdotti all'interno delle celle dall'acqua usata per ripristinare il livello dell'elettrolito. Altre cause di contaminazione possono derivare dalla poca cura prestata nella neutralizzazione dei morsetti o al contenuto di residui di elettrolito nei coperchi, che potrebbero essere contaminati. L'elettrolito, nelle celle VRLA, deve pure essere protetto sia da temperature elevate che da un'eccessiva tensione di cella. Entrambe possono causare la perdita di acqua dell'elettrolito. I morsetti e le interconnessioni devono essere tenuti puliti, per evitare la corrosione. La loro resistenza elettrica deve rimanere entro i limiti del valore del momento dell'installazione. L'eccessivo serraggio dei bulloni deve essere evitato perché, anzichè migliorare, peggiora le connessioni. I morsetti e i coperchi devono essere protetti da agenti meccanici e chimici. La polvere, lo sporco e la fuoriuscita di elettrolito devono essere puliti utilizzando solamente acqua (dopo aver neutralizzato ogni elettrolito). Gli sfiati delle celle invasate devono essere tenuti puliti, al fine di consentire ai gas presenti nella cella di uscire. Uno sfiato otturato potrebbe causare, nei casi peggiori, un sovra afflusso di elettrolito dovuto alla presenza di una pressione creatasi all'interno della cella. Gli sfiati delle celle VRLA non sono normalmente accessibili e non è stato neppure pensato che possano richiedere qualche manutenzione. Se la batteria è stata installata e verrà manutenuta in modo appropriato, raggiungerà il massimo della vita. Nel corso del tempo, potranno comunque verificarsi dei problemi capaci di ridurre la vita della batteria alle capacità previste. A questi problemi potrebbe essere possibile rimediare in modo semplice oppure potrebbero essere richieste la sostituzione di una o più celle o dell'intera batteria. Lo scopo principale di una buona manutenzione è quello di individuare anticipatamente questi problemi al fine di adottare precocemente le azioni correttive nel modo più idoneo. La trattazione che segue comprende dei riferimenti alle ispezioni visive ed alle misure di densità, quali aiuti per determinare se esista o meno una condizione problematica. Queste ispezioni sono possibili solamente sulle celle invasate in monoblocchi trasparenti.

Bassa Tensione di Mantenimento (sotto carica)

La bassa tensione di mantenimento è uno dei più comuni problemi incontrati. Può verificarsi sia perchè non sono state fatte delle impostazioni precise della tensione di mantenimento della batteria, sia perché è stata impostata una tensione sbagliata per il tipo di cella installata, oppure, perché la temperatura della batteria è sempre bassa. Questa condizione può essere rilevata da: misure di bassa tensione sulle singole celle, misure di bassa tensione totale di batteria, misure di bassa densità, colorazione grigio chiaro delle piastre negative o apparizione di cristalli solfatati sulla piastra positiva, sedimento grigio chiaro o bianchiccio posto al di sotto delle piastre negative nello spazio sedimento del monoblocco, sebbene il sedimento non debba apparire per diversi mesi dopo la condizione di prima volta. Normalmente, il miglior indicatore sono le tensioni individuali di cella. La compensazione della tensione di mantenimento con la temperatura viene raccomandata per tutte le celle, specialmente se la batteria deve lavorare per lunghi periodi a temperature sopra o sotto i 25°C. Per le celle VRLA, le compensazioni di temperatura devono essere considerate un dovere (un MUST, in inglese). E' essenziale che la tensione di mantenimento debba essere aumentata quando la temperatura scende sotto i 25°C, mentre debba essere diminuita quando la temperatura sale sopra i 25°C. Il costruttore delle batterie o le norme vigenti, devono essere consultati per l'opportuna correzione delle tensioni di cella. Se la situazione di bassa tensione di mantenimento dovesse persistere, le piastre cominceranno a sviluppare una quantità anomala di solfato di piombo finchè non ci sarà abbastanza corrente che, passando attraverso la cella, la porterà nella condizione di piena carica. Con il passare del tempo i cristalli di solfato aumenteranno ad un punto dove sarà difficile, se non impossibile, romperli con una carica normale. Quando si arriva a questo punto, il materiale attivo della griglia tenderà a perdere contatto con la griglia stessa e potrebbe eventualmente staccarsi dalla piastra. Il risultato di questo processo è una perdita di capacità. Un'altra cosa da notare è che i cristalli di solfato di piombo sono più larghi degli altri cristalli di piombo presenti nei materiali attivi della griglia, pertanto, le piastre possono, in un certo periodo di tempo, curvarsi o deformarsi.

Elevata Tensione di Mantenimento ( sovra carica)

L'elevata tensione di mantenimento può verificarsi sia perché non sono state fatte delle impostazioni precise della tensione di mantenimento della batteria, sia perché è stata impostata una tensione sbagliata per la cella installata, oppure, perchè la temperatura della batteria è sempre alta. Questa condizione può essere rilevata da: misure di elevata tensione sulle singole celle, misure di elevata tensione totale di batteria, eccessiva ebollizione (gassing) ed eccessivo consumo di acqua. Le celle VRLA manifesteranno un aumento di resistenza dovuto ad essicazione. Il fenomeno di sovra carica può anche essere evidenziato dalla presenza di un sedimento di colore marrone scuro tendente al nero, posto al di sotto delle piastre positive nello spazio sedimento del monoblocco, sebbene questo necessiti di diversi mesi per manifestarsi. Quando c'è un'elevata tensione di mantenimento, si verifica la corrosione, che prende posto nella piastra positiva per poi aumentare nel tempo. Le elevate tensioni di mantenimento possono pure causare un aumento della temperatura di cella. Nel caso delle celle VRLA, è possibile che si generi più calore di quanto la cella stessa sia capace di dissipare, con conseguenti essicazioni e guasti nelle celle. Questo aumento di temperatura può creare dei rapidi aumenti termici che possono causare dei guasti catastrofici nelle batterie. (Nota: sebbene i rapidi aumenti termici siano possibili per tutti i tipi di celle, questo fenomeno è stato visto solamente nelle celle VRLA, per esempio, a causa della loro incapacità a dissipare il calore generato, come risultato della reazione ossidante che si verifica sulla piastra negativa della cella).

Bassa Temperatura di Cella

Le basse temperature, di per se stesse, non sono deterioranti per le celle, sebbene la capacità della batteria risulterà ridotta. Comunque, se la temperatura dovesse essere così bassa da congelare l'elettrolito, le celle potrebbero danneggiarsi in modo irreparabile. Il continuo funzionamento di una batteria a basse temperature potrebbe procurare una situazione di sotto carica, se la tensione di mantenimento non venisse opportunamente regolata. Le basse temperature potrebbero richiedere tempi di carica più lunghi ( per esempio, ricarica ed equalizzazione), a volte, due o quattro volte i tempi normali.

Elevata Temperatura di Cella

Le elevate temperature di cella producono l'aumento della corrosione della piastra positiva. Il continuo funzionamento a temperatura elevata può portare ad una situazione di sovra carica, se la tensione di mantenimento non venisse opportunamente regolata. Questo fatto può creare un deterioramento di altri componenti presenti all'interno della cella (per esempio, i separatori), solitamente dovuti all'ossidazione, da quando aumenta la quantità di ossigeno liberata dal polo positivo. L'elevata temperatura nelle celle VRLA può portare all'essicazione o a rapidi aumenti termici. Un benefico effetto delle elevate temperature è che risultano aumentate la capacità di scarica e la capacità della batteria. La risultante diminuzione della vita, a queste temperature operative, riduce sensibilmente questi benefici apparenti.

Scarica senza Ricarica

Ogni volta che una cella al piombo viene scaricata, si deve procedere alla ricarica nel più breve tempo possibile. Se la scarica è stata lunga ( superiore all'80% della capacità), un ritardo nella ricarica potrebbe causare la mancata accettazione della ricarica da parte della batteria. Un altro problema manifestato da una batteria lasciata scarica, senza una pronta ricarica, è l'idratazione. Un fatto che la gente sembra perdere di vista è che il piombo è solubile in acqua. Quando una batteria viene lasciata scarica, il piombo si dissolve nell'acqua formatasi durante la scarica, formando un idrato di piombo. Questo processo chimico viene definito come idratazione. L'idrato si deposita sulle piastre, sui separatori e sui contenitori. Quando la batteria verrà finalmente messa in carica, migliaia di cortocircuiti si creeranno a causa della conduzione delle vie interne, determinati dall'idrato di piombo. L'idratazione può pure manifestarsi quando una batteria viene immagazzinata per un lungo periodo senza che cariche di rinforzo siano state applicate, oppure se una batteria caricata a secco viene accidentalmente riempita con acqua invece che con elettrolito. Quando si manifesta il fenomeno dell'idratazione, la cella risulterà irrimediabilmente danneggiata e dovrà necessariamente essere sostituita.

Eccessiva Scarica

L'eccessiva scarica, principalmente se fatta lentamente per lunghi periodi, può irreparabilmente danneggiare una batteria. Questo può avvenire nei sistemi UPS, se una mancanza di alimentazione dura per un periodo molto lungo. Anche se l'UPS ha un dispositivo sensore di bassa tensione capace di scollegare la batteria, quest'ultimo non potrà proteggere la batteria quando un tale tipo di scarica si verifica. Il motivo per cui le celle possono danneggiarsi è dovuto al fatto che durante la scarica si verifica un anomalo ingrossamento delle piastre presenti nelle celle. L'eccessiva scarica può anche determinare il rifiuto della batteria a caricarsi durante le operazioni di ricarica. In questi casi il costruttore delle batterie deve essere interpellato per accertare se è praticabile un alternativo metodo di ricarica, diverso da quello normale.

Contaminazione del Rame

La contaminazione del rame si verifica quando il rame, introdotto all'interno dell'elettrolito, esce fuori nella striscia e nelle piastre negative. La sorgente del rame è normalmente il rame inserito nel morsetto della cella. Questo può essere soggetto all'azione dell'elettrolito se: la cella viene maneggiata male (per esempio, sollevata per i morsetti), si è verificata la corrosione del morsetto, il posizionamento del morsetto è difettoso ( presenza di un piccolo foro) oppure, se durante il processo di fabbricazione è stato male allineato. Queste condizioni possono essere rilevate dall'ispezione visiva. Il primo segno è la presenza di un colore rame o marrone sulla striscia negativa che eventualmente lavora la sua via sotto i bordi delle piastre negative (partendo dall'alto).

Corrosione del Morsetto

Questo tipo di corrosione si verifica quando viene a mancare il sigillante fra il morsetto e la copertura del vaso E' molto più frequente sul morsetto positivo dove la corrosione viene favorita dalla reazione elettrochimica che li avviene. Ci sono due tipi di corrosioni: deformanti e nodulari. Nel caso delle corrosioni deformanti sul morsetto positivo, l'elettrolito deforma il morsetto con un'azione capillare tale da rovinare irreparabilmente il sigillo fra morsetto e copertura del vaso. La reazione elettrochimica, che si verifica, converte il piombo del morsetto da ossido di piombo a biossido di piombo, che è lo stesso materiale presente sulla piastra positiva. Quando si verifica questo fatto, il morsetto prende le caratteristiche color marrone o nero della piastra positiva. Il biossido di piombo possiede una resistività superiore al piombo ed all'ossido di piombo, quindi aumenta la resistenza della interconnessione, che inizia pure lei a corrodersi. Il secondo tipo di corrosione del morsetto è quella nodulare, che si verifica sul morsetto positivo quando la mancanza di sigillo è solo parziale. In questo caso i prodotti formatisi durante la corrosione (normalmente nella zona sigillante del morsetto) sono fisicamente più grandi del piombo che li ha prodotti. Questo causa un avvallamento locale denominato nodulo. Direttamente sotto questo nodulo si verifica un continuo accumulo di piombo a causa della continua corrosione. Da quando questo fenomeno inizia, esso continua imperterrito, autosostenendosi, fino all'apertura del circuito fra morsetto e vaso. Se il morsetto della cella contiene del rame, la cella manifesterà problemi di contaminazione del rame prima che si verifichi l'apertura del circuito sul morsetto. Contemporaneamente, le forze createsi sul sigillante determineranno la rottura del contenitore del monoblocco. Il morsetto positivo potrebbe diventare di colore marrone o nero, quando il difetto, di mancanza parziale di sigillante, è dovuto all'elettrolito che deforma il morsetto.

Corrosione della Connessione

La corrosione delle interconnessioni di cella può avvenire se: la pulizia iniziale all'atto della prima installazione è stata male eseguita, l'elettrolito ha deformato il morsetto, l'elettrolito è stato gocciolato sul morsetto o sulla connessione, l'elettrolito fuoriesce dal vaso per sovra riempimento oppure se fuoriesce dal vaso a causa della sovra carica. Questo tipo di corrosione causa un aumento della resistenza di interconnessione che può causare a sua volta un riscaldamento anomalo delle interconnessioni durante la scarica.

4. Tipi di Guasti

I due più importanti fattori che causano guasti prematuri nelle batterie al piombo sono: l'elevata temperatura (si dice che la vita di una batteria si dimezza per ogni 10°C di aumento della temperatura sopra i 25°C della temperatura di riferimento) e l'improprio modo di caricarla. Cause comuni di guasti per le batterie al piombo sono: ingrossamento della griglia positiva e del morsetto, rotture del monoblocco, difetti di produzione, cicli eccessivi di scarica / carica. Le celle VRLA hanno degli ulteriori tipi di guasto, dovuti a: fuoriuscita di elettrolito, perdita di compressione, sensibile a rapidi cambiamenti termici e corrosione della striscia negativa ( o bus interno).

Per meglio comprendere i guasti delle batterie e per come è possibile rilevarli prima che causino dei guasti al sistema di emergenza, bisogna conoscere come è possibile rappresentare l'interno di una batteria. Diamo per scontato che il lettore conosca la tecnologia di costruzione generale di una cella, consistente di una piastra positiva e una negativa, sospese in un monoblocco plastico con un separatore e l'elettrolito fra loro. Siccome molte batterie utilizzano delle piastre impastate, come precedentemente descritto, la discussione farà riferimento a queste. La Fig. 1 illustra lo schema semplificato di una cella al piombo. Da notare che la resistenza totale, attraversata dalla corrente di batteria, ai due poli, comprende: il morsetto del terminale, la via interna, la griglia, l'interfaccia fra la griglia e la massa attiva, la massa attiva, l'elettrolito ed il separatore.

Fig. 1. Modello semplificato di una batteria al piombo.

Guasto di Batteria per Mantenere il Carico per il Richiesto Periodo di Tempo.

Questo è il problema più comune ed è causato dall'elevata resistenza metallica nella via interna di conduzione o per la mancanza di fornitura di combustibile, quale il materiale attivo e l'acido che è disponibile per reazione. La Fig.2., illustra come un'elevata resistenza interna condizionerà le capacità di scarica (e la capacità) di una cella rispetto a quelle di una cella conosciuta come buona (100% di capacità). Notate come la tensione terminale di cella venga premuta sotto carico, causando l'arrivo prematuro alla tensione di fine scarica.

Fig. 2. Effetto di una elevata resistenza metallica sulla capacità di scarica di una cella.

L'elevata resistenza interna può essere dovuta a un problema di costruzione, come una cattiva cottura del piombo, o al deterioramento di conduzione metallica della via interna dovuto alla corrosione. Entrambi i problemi causano lo stesso effetto sulle prestazioni della batteria. La profondità della depressione di tensione dipende da quanto è elevata la resistenza interna e da quanta corrente di carico scorre al suo interno.

Se la resistenza interna di una cella viene misurata e confrontata con la resistenza nota di una cella campione avente il 100% di capacità, la prestazione o la depressione di tensione di quella cella può essere stimata utilizzando la legge di Ohm. L'aumentata resistenza causa un'aggiuntiva depressione della tensione terminale e, nelle applicazioni ad elevata corrente di carico quali gli UPS, si avrà un impatto significativo sui tempi di riserva.

La Fig. 3. Illustra l'effetto di una perdita di materiale attivo o acido, che causa un prematuro abbassamento della tensione di cella. Anche questa è stata confrontata con una cella di riferimento. La perdita di carburante fornito significa che la tensione di cella non può essere sostenuta per il periodo di tempo stimato dal progetto.

La perdita di materiale attivo causa un aumento della resistenza dell'impasto e dell'elettrolito che causano un piccolo aumento della depressione di tensione sotto carico. L'impatto reale sulle prestazioni arriva comunque dalla mancanza di carburante (materiale attivo o acido) per sostenere la tensione della cella. La normale resistenza del materiale attivo e dell'elettrolito è troppo piccola (a temperature fra 10°C e 40°C) in confronto alla resistenza totale di cella. Questo fatto rende particolarmente difficile rilevare questo problema con strumenti capaci di misurare la resistenza interna di cella, in quanto deve esserci un sostanziale cambiamento della resistenza elettrochimica prima che si possa vedere una significativa variazione della resistenza totale di cella. Prove di laboratorio hanno evidenziato che una cella dovrebbe avere una perdita di capacità superiore al 30% prima che si riesca a rilevare questo problema con la misura della resistenza.

Fig. 3. Effetti della perdita di carburante fornito sulle capacità di scarica di una cella

Nelle celle ermetiche, è molto raro avere problemi di elettrolito o di massa attiva al suo interno. Il normale deterioramento di una cella ermetica, dovuto alla corrosione delle piastre, causa un significativo aumento della parte metallica della resistenza totale, prima che i problemi di massa attiva diventino significativi.

Nelle celle VRLA, dove l'essicazione è una delle più comuni cause di guasto, una perdita di capacità potrebbe avvenire, nei primi stadi dell'essicazione, prima che possa essere rilevata in modo affidabile da una misura di resistenza. La fortuna di questo tipo di problema è che normalmente non causa un improvviso guasto del sistema di emergenza, ma riduce i limiti dei normali tempi di autonomia. Prima che l'essicazione possa raggiungere un punto capace di causare un'improvvisa perdita di alimentazione, viene sicuramente rilevato dalle misure di resistenza dal momento in cui la resistenza di cella parte per raggiungere esponenzialmente una perdita di capacità di oltre il 30%. Gli autori stanno attualmente investigando altri metodi di rilevamento nei primi stadi di essicazione delle celle VRLA. L'indagine è stata concentrata sul cambiamento della capacità della cella come il dielettrico fra le adiacenti piastre positiva e negativa cambia con il processo di essicazione.

I più comuni problemi di perdita di capacità sono dovuti alla combinazione di aumenti in entrambe le resistenze, metallica ed elettrochimica, e sono facilmente individuabili con le misure di resistenza.

Improvvisa Interruzione di Alimentazione del Carico

Quando la tensione terminale di batteria scende sotto la tensione di fine scarica in modo istantaneo o quasi immediatamente dopo l'inizio di una scarica, questo fatto è dovuto a:

La via interna è completamente aperta sia prima dell'applicazione del carico che quale risultato della corrente di carico che scorre al suo interno. L'apertura del circuito può avvenire sia internamente alla cella che nella porzione esterna della via interna.
Problemi di estremamente elevata resistenza metallica presenti su una o più celle. In una applicazione a 48Vdc per telecomunicazioni, una singola cella ad elevata resistenza può causare il fuori servizio di un intero ufficio. Il normale fenomeno "coup de fouet", accoppiato ad una cella che cade a 1Vdc o meno, porterà la tensione di batteria sotto i 45-45.5 Vdc richiesti per il funzionamento.
Una perdita sostanziale o completa dell'elettrolito dovuta a rotture nel monoblocco (celle ermetiche) o problemi di essicazione (celle VRLA).
Una batteria completamente o parzialmente scaricata per problemi del carica batterie. Un'impropria regolazione del carica batterie o un problema del regolatore, possono creare tale situazione. Se le celle sono mantenute a 1.90 volts per cella (Vpc) o meno, il sistema di batteria dovrebbe guastarsi immediatamente.
Un fusibile aperto o un commutatore scollegato. In molte applicazioni, diverse da quelle di telecomunicazione o elettriche , non è impossibile trovare un fusibile con commutatore di scollegamento in ogni polarità della batteria. Nel caso di batterie per UPS con tensioni superiori ai 250Vdc è anche possibile trovare un fusibile nel mezzo della batteria. (L'impiego di interruttori di circuito nei sistemi a batterie non è tipico, tranne che per piccoli sistemi a causa delle limitazioni di DC disponibile per le interruzioni). Molti guasti hanno avuto quale causa principale la presenza di fusibili aperti o commutatori.

OTTIMIZZARE LA VITA DELLA BATTERA E PREVENIRE I GUASTI DI SISTEMA

I due obiettivi più importanti, per qualsiasi programma di manutenzione di una batteria, sono quelli di massimizzare la vita di una batteria e di prevenire i guasti improvvisi del sistema.

Ottimizzare la Vita della Batteria

La vita di una batteria può essere ottimizzata seguendo le raccomandazioni del costruttore relative alle ispezioni di manutenzione ed agli standard industriali. Tutto questo può essere semplicemente fatto attenendosi a quanto descritto nei punti seguenti:

Mantenere la temperatura della sala batterie e di ogni singola cella in modo uniforme appena sotto i 25°C.

Controllare che la tensione applicata dal carica batterie abbia un valore pari a quello raccomandato dal costruttore della batteria per la tensione di mantenimento misurata sui terminali della batteria.

Eliminare qualsiasi ciclaggio inutile.

Mantenere il livello e la densità dell'elettrolito di ogni singola cella ai valori appropriati.

Effettuare le prove e le ispezioni richieste.

Prevenire i Guasti di Sistema

Questo può essere solamente fatto rivelando in anticipo lo svilupparsi di alcuni problemi, quindi facendo un'azione correttiva prima che si verifichi un guasto catastrofico. Sebbene il solo vero modo per misurare l'abilità della batteria di servire il suo carico sia la prova di capacità, troppe prove di capacità ridurranno la vita in servizio della batteria. Comunque, un buon programma di manutenzione comprenderà sia delle prove periodiche di capacità che altre ispezioni e prove che possano garantire il funzionamento dello batteria fino alla conferma definitiva con la prova di capacità. Ad oggi, la conoscenza delle persone addette alla manutenzione delle batterie porterebbe a dire che le misure sia della corrente che della tensione di mantenimento di ogni singola cella, insieme ad un'ispezione visiva, sono i migliori indicatori dello stato di salute della batteria nei periodi di tempo trascorsi fra una prova di capacità e l'altra. Anche la misura della densità può essere utile allo scopo. Comunque, l'esperienza acquisita dall'industria negli ultimi 25 anni ci dice che le misure di densità potrebbero essere sbagliate ( per esempio, dopo l'aggiunta di acqua o dopo una ricarica) e generalmente coprono gli altri indicatori per l'identificazione dei problemi. Per questo motivo l'impiego dei densimetri è stato ridimensionato nelle più recenti normative industriali, quali le IEEE Standard 450-1995 (IEEE Raccomandazioni pratiche per la manutenzione, il test e la sostituzione delle batterie al piombo ventilate per applicazioni stazionarie).

Inoltre, la necessità di meglio rilevare lo svilupparsi dei problemi nelle celle VRLA, è stata reclamata da molti utilizzatori. Questo in parte è dovuto sia ai guasti che si sono verificati ma anche al fatto che le celle ermetiche non possono essere ispezionate visivamente e neppure può essere monitorizzato il suo elettrolito. Le misure della resistenza interna hanno dimostrato che i problemi sulle celle VRLA possono essere rilevati in un tempo sufficiente a prevenire i guasti. La misura della resistenza interna sembra pure essere un modo utile per la manutenzione delle celle ermetiche. Quando una maggiore esperienza sarà acquisita con questo tipo di misure, gli autori si aspettano che la misura della resistenza interna diventerà un parametro estremamente affidabile nella valutazione dello stato di salute delle batterie. Basandosi sui dati di prove oggi disponibili è possibile affermare che in futuro i risultati delle misure di resistenza interna potrebbero essere usati per posticipare le prove di capacità. Infatti, gli autori conoscono diverse società che già hanno iniziato dei programmi di manutenzione simili a quanto sopra specificato. Un'anticipata identificazione dei problemi è accompagnata da:

Ispezioni manutentive regolarmente programmate che comprendono la verifica della tensione del carica batterie, della corrente di batteria, delle tensioni individuali di cella e della condizione visiva delle celle. La verifica visiva comprende: condizione della piastra; valutazione dei segnali di post corrosione, contaminazione del rame e rotture o perdite dei monoblocchi; integrità dell'armadio delle batterie; connessioni fra i terminali di batteria ed il bus del sistema DC, comprendendo ogni fusibile in serie, commutatore o interruttore.

Prove regolarmente programmate che comprendono le misure della resistenza di tutte le connessioni di intercella, delle resistenze interne di cella e della capacità della batteria.

Raccomandazioni Specifiche

Effettuare le ispezioni manutentive delle celle invasate come specificato nelle norme IEEE 450-1995 oltre a quelle sopra descritte. Effettuare ispezioni manutentive trimestrali delle celle VRLA con l'applicazione delle raccomandazioni sopra specificate ( è in fase di avanzata realizzazione uno standard industriale per questo tipo di celle ,IEEE P1188, che sarà disponibile nel corso del 1996). Effettuare le prove di capacità su tutte le batterie nuove o su quelle sostituite seguendo le procedure di installazione come parte integrante delle prove di accettazione. Queste prove dovrebbero essere effettuate sia dopo la sostituzione di qualche cella che, in alternativa, con possibilità di testare individualmente solamente quelle nuove prima che vengano inserite nella stringa. Effettuare le misure della resistenza interna di tutte le celle invasate con cadenza annuale mentre per quelle VRLA la cadenza deve essere trimestrale (specialmente se vengono utilizzate dagli UPS).

Stabilire dei valori medi accettabili per la resistenza di cella e per quella di interconnessione (per esempio la resistenza di una cella campione con il 100% di capacità garantita e quella di una perfetta interconnesione campione) per ogni tipo di batteria utilizzata. Oggi, questi dati vengono forniti da molti costruttori di batterie e da molti costruttori di strumenti di misura dedicati. Per esempio, la Albercorp gestisce un archivio di valori campione di resistenza interna di numerose celle che vengono forniti su richiesta degli utilizzatori dei propri strumenti di misura. Sostituire qualsiasi cella che presenta una resistenza interna superiore al 150% del valore medio campione, senza effettuare nessuna ulteriore prova. ( Da notare che non tutti i costruttori accettano le misure della resistenza interna quale prova per la sostituzione in garanzia della cella difettosa. Alcuni accettano solamente la prova di capacità). Sottoporre ad una prova di capacità di singola cella qualsiasi cella che manifesta una resistenza interna compresa fra il 120% ed il 150% del valore medio campione. (E' comunque accettabile una prova di capacità dell'intera batteria nel caso fosse più pratica da eseguirsi, per esempio, se un elevato numero di celle manifestassero una resistenza elevata). Se le prove di capacità non sono state effettuate, testare qualsiasi batteria invasata con un'età superiore ai 12 / 15 anni ( superiore ai 5 anni per le batterie utilizzate negli UPS), e qualsiasi batteria VRLA con un'età superiore ai 2 anni, procedendo come segue:

Sostituire la batteria se la sua capacità, misurata durante la prova di scarica, è inferiore all'81% di quella nominale. ( Da notare che se solamente alcune celle hanno una capacità inferiore all'81% di quella nominale, la sola sostituzione delle celle incriminate deve essere valutata con attenzione). Ritestare annualmente le batterie invasate e semestralmente quelle VRLA quando la capacità della prova di scarica è inferiore del 10% di quella rilevata durante la prova precedente, oppure se è inferiore al 90% della sua capacità nominale. Ritestare le batterie invasate ogni tre anni e quelle VRLA ogni anno quando la capacità della prova di scarica è inferiore al 100%, ma superiore o uguale al 90% della sua capacità nominale.

MONITORAGGIO DELLA BATTERIA

I sistemi di monitoraggio permanente si stanno sempre più diffondendo, anche se solo pochi di questi sistemi sono già stati installati ad oggi. Lo scopo di un sistema di monitoraggio è quello di ridurre il monte ore per lavoro di manutenzione ed aumentare l'affidabilità del sistema. Questi scopi possono essere raggiunti solamente se il sistema di monitoraggio permette l'effettuazione di alcune prove di capacità e/o misure di resistenza interna. Molti sistemi di monitoraggio disponibili oggi sul mercato consentono solamente la misura della tensione individuale di cella, della corrente di batteria e della temperatura che principalmente seguono le prestazioni del carica batterie e registrano i dati durante un evento di scarica (sebbene alcuni sistemi misurino pure l'impedenza AC della batteria). Un sistema di monitoraggio che non è dotato di queste funzioni chiave ( misura della resistenza e/o prova di capacitò), non è in grado di prevedere o prevenire un guasto del sistema. Un sistema di monitoraggio permanente dovrebbe comprendere una misura della resistenza (sia quella interna di cella che quella di interconnessione) oppure dovrebbe essere implementato con queste misure effettuate periodicamente con uno strumento portatile esterno. Quest'ultimo, però, non permette di risparmiare ore uomo di lavoro. Il sistema di monitoraggio dovrebbe pure prontamente interfacciarsi con dispositivi portatili per le prove di capacità, anche se questo significa la semplice acquisizione cadenzata delle tensioni sulle singole celle durante la prova di scarica controllata. Un sistema di monitoraggio permanente capace di effettuare automaticamente le misure di resistenza, sia interna di cella che di interconnessione, può ridurre gli intervalli ispettivi di manutenzione ad una volta all'anno provvedendo, con un molto elevato grado di confidenza, a che il sistema a batterie funzionerà correttamente quando necessario. Gli autori vogliono comunque enfatizzare che anche con un sistema di monitoraggio permanente la batteria deve essere ispezionata visivamente almeno una volta all'anno.

CONCLUSIONI

Entrambi gli autori hanno maturato un'esperienza più che venticinquennale di lavoro con le batterie e credono fermamente che un programma di manutenzione propriamente implementato, che comprende le ispezioni e le prove sopra descritte sia di resistenza che di capacità, possa arrivare molto vicino a garantire completamente le prestazioni di un sistema a batterie. La maggior parte degli odierni utilizzatori di batterie non ottengono prestazioni di sistema commensurate agli sforzi ed ai costi spesi per la manutenzione delle batterie. La ragione principale di questo è una mancanza di comprensione di quello che bisogna fare e di una mancanza di conoscenza di come valutare i dati raccolti, oltre all'impiego di personale non opportunamente addestrato per effettuare la manutenzione.

BIBLIOGRAFIA

Alber e M.W.Migliaro, "Cos'è realmente necessario per la manutenzione delle batterie stazionarie", Battery Conference & Exibition, ERA Technology, Surrey, England, Maggio 1994.

IEEE Standard 1184-1994 IEEE Standard 450-1995

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