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Le misure dei parametri interni di una batteria possono sostituire le prove di capacità,
oppure sono un supplemento di misura? (Memoria presentata da Glenn Alber alla Conferenza NE Utilities Battery, il 20/09/94 ad Albany, NY - U.S.A.)

INTRODUZIONE

Il controllo dell'impedenza, della conduttanza o ancor meglio della resistenza delle celle o monoblocchi di una batteria, rimane uno degli argomenti più scottanti fra i produttori e gli utilizzatori di batterie; ne è prova il fatto che sia stato continuamente trattato nelle conferenze degli ultimi tre anni. Siamo di fronte ad un tema puramente commerciale oppure merita veramente di essere approfondito ? Se date un'occhiata alle inserzioni pubblicitarie, rimarrete certamente sbalorditi. Alcune società Vi promettono l'impossibile. Altre, Vi consigliano di abbandonare i Vostri sistemi per prove di capacità, perché, dicono loro, con un misuratore di impedenza o di conduttanza, potete tranquillamente misurare la capacità dell'elemento e quindi la vita residua dello stesso. Siamo curiosi di sapere se i reparti di progettazione di queste società siano o meno coinvolti nella preparazione di queste inserzioni pubblicitarie. Questa presentazione, comunque, non vuole scoraggiare o screditare le misure dei parametri interni, anzi, vuole piuttosto spiegare una parte della teoria di queste misure, come effettuarle correttamente e cosa ricavare dalle stesse. Le domande alle quali vorremmo rispondere sono:

1) Sono valide le misure dei parametri interni ?

2) Che relazione esiste tra queste prove e la prova di capacità?

3) Quali problemi di cella (o monoblocco) possono essere identificati?

4) Queste prove sono un supplemento di indagine o rappresentano una reale alternativa alle prove di capacità?

La risposta alla prima domanda è affermativa. Anzi, dovrebbe rappresentare una componente importante dei normali programmi di manutenzione. E' comunque indispensabile che l'utilizzatore conosca i limiti informativi di queste misure, ovvero sappia, quali dati tali misure saranno in grado di fornirgli e quali no. Le altre domande troveranno risposta nei paragrafi che seguono.

1. PARAMETRI INTERNI DI UNA BATTERIA

La conduttanza totale che attraversa la cella e costituita sia dalla parte metallica od ohmica che da quella elettrochimica, come illustrato in Fig.1. La parte ohmica comprende la resistenza dei morsetti e di tutte le parti metalliche fino alla massa attiva. La parte elettrochimica comprende la massa attiva, l'elettrolito ed i separatori. Il condensatore Cp è il risultato del parallelo di tutte le piastre con un dielettrico fra loro. Il valore di questo condensatore varia sostanzialmente da 1,3 a 1,7 Farad per 100 Ampere/Ora di batteria, a seconda del tipo. L'induttanza della batteria è stata ignorata in quanto i suoi effetti sono trascurabili per il range di frequenza usato dagli odierni strumenti di misura dell'impedenza. Dando un'occhiata al circuito equivalente, appare ovvio che la reattanza capacitiva (Xc) shunta effettivamente Re (la parte elettrochimica della via interna) mascherando le variazioni che potrebbero verificarsi in questo pezzo di circuito, comprendente le resistenze della massa attiva e dell'elettrolito, che sono i parametri più importanti nella determinazione della capacità della batteria. Siccome la capacità di una batteria dipende dalla qualità della conduttanza della via interna, significa che la cosa veramente necessaria è quella di misurare la resistenza interna, invece dell'impedenza. Il circuito equivalente di una batteria al piombo e quello di FIG.1.

Fig. 1. Circuito equivalente di una cella al piombo

2. COME VENGONO EFFETTUATE LE MISURE DEI PARAMETRI INTERNI ?

Gli strumenti attualmente disponibili impiegano sia il metodo di iniettare una corrente AC, sia quello di una prova di carico momentaneo (misura DC). Gli strumenti ad iniezione AC, meglio conosciuti come misuratori di impedenza o conduttanza, applicano un segnale di prova attraverso la batteria e quindi misurano le risultanti tensione e corrente AC. La lettura dell'impedenza V/I varia con la frequenza o con il valore della reattanza capacitiva Xc che si trova in parallelo alle più basse resistenze elettrochimiche Re. La maggior parte delle memorie tecniche presentate, fin dal 1959, dice che è la resistenza di cella il parametro più importante da analizzare , invece dell'impedenza. Quindi, le migliori misure si ottengono con una frequenza bassa, tendente allo zero, della corrente di prova, essendo in questo caso il valore di impedenza molto più vicino a quello della resistenza, all'avvicinarsi a zero della frequenza. Il principale problema delle misure AC è che sono suscettibili ai ripple della corrente del carica batterie ed alle altre sorgenti di disturbo. Alcuni strumenti non possono essere usati mentre la batteria è ON LINE (collegata al carico ed al carica batterie nelle normali condizioni di lavoro).

Una scelta particolarmente sbagliata della frequenza della corrente di prova è quella di 60 Hz. negli U.S.A. e di 50 Hz. nella maggior parte dei paesi del mondo, in quanto, queste sono la prima causa di sorgente di disturbo derivante dal ripple del carica batterie. Non è raro trovare correnti di ripple superiori ai 30 Arms che circolano attraverso le batterie di grossi UPS. Gli strumenti con prove di carico DC, che misurano la resistenza, sottopongono la batteria ad una corrente di carico momentanea e quindi misurano l'istantaneo abbassamento della tensione ai morsetti della stessa. La Fig.2 illustra cosa succede quando una batteria viene sottoposta ad un carico per alcuni secondi. L'istantaneo abbassamento di tensione, quando il carico viene applicato, o l'istantaneo innalzamento di tensione, quando il carico viene rimosso, dipendono dalla resistenza interna della batteria.

Un misuratore di resistenza (come il CELLCORDER prodotto dalla ALBER CORP) legge la corrente e la tensione di cella un attimo prima della rimozione del carico e la tensione di cella subito dopo. La resistenza risultante è semplicemente Rcell = V/I. Oggi i convertitori A/D possono effettivamente misurare i valori DC, ignorando completamente qualsiasi segnale AC che attraversa la batteria in quell'istante. Questo tipo di strumento è inoltre capace di funzionare con le batterie ON LINE, anche in ambienti molto disturbati.

Fig. 2. Tipica risposta ad una prova di carico di una cella Plantè da 340Ah.

COME METTERE IN RELAZIONE LA RESISTENZA INTERNA DELLA CELLA CON LA CAPACITA' ?

La capacità di una batteria è la misura di quanta energia essa possa immagazzinare. La quantità dell'energia che può essere immagazzinata dipende dal materiale attivo e dall'acido disponibili. La quantità di energia che una batteria può fornire ad un dato carico, dipende dalla velocità con cui viene erogata e da quale tensione avremo alla fine, quando la batteria sarà scarica. Una tipica batteria stazionaria stimata a 200 Ah, se si trova in buone condizioni, può fornire tutti i 200 Ah se scaricata in otto ore (10 ore in Europa) fino ad una tensione finale di 1,75 V per cella (25 Amperes costanti per 8 ore, oppure 20 Amperes costanti per 10 ore). La stessa batteria, se venisse scaricata a 100 A fino a 1,75 V per cella, durerà una sola ora per una capacità effettiva di 100 Ah. La tipica curva di scarica di una batteria viene illustrata in Fig.3. Da notare un istantaneo abbassamento di tensione dovuto alla resistenza interna della batteria, seguito da un esponenziale decremento di tensione con successivo recupero prima della stabilizzazione. Una volta stabilizzatasi, la tensione viene mantenuta dalla reazione elettrochimica che, come precedentemente detto, viene alimentata dal materiale attivo e dall'acido disponibili. La Fig.4 evidenzia la stessa batteria, provata nello stesso modo, ma con una resistenza metallica interna più alta (dovuta ad un terminale bruciato fra la striscia e la griglia, oppure alle cattive interconnessioni fra due celle adiacenti in un modulo di 6 V). Questa figura evidenzia chiaramente la perdita di capacità dovuta ad un'elevata resistenza metallica interna. Più alta è la corrente di scarica più elevato sarà l'abbassamento di tensione, quindi più bassa la capacità. La Fig.5 illustra la stessa batteria di Fig.3 ma con un problema elettrochimico nella parte interna (problemi di massa attiva, elettrolito o separatore). Questa figura evidenzia anche una perdita di capacità dovuta al coinvolgimento del reperimento di energia. Da notare, comunque, che non c'è un abbassamento iniziale di tensione dovuto a questo fatto.

Fig. 3. Tipica curva di scarica di una cella con capacità del 100%

Fig. 4. Tipica curva di scarica di una cella con problemi di resistenza metallica

Fig. 5. Tipica curva di scarica di una cella con problemi di resistenza elettrochimica

4. COSA SIGNIFICA TUTTO QUESTO ?

Significa che la capacità dipende dalla resistenza interna e che ci sono alcune correlazioni fra le due, anche se non esiste una relazione lineare fra la capacità e la resistenza, l'impedenza, la conduttanza o quant'altro qualcuno voglia chiamarle. L'incidenza sulla capacità differisce da un problema di resistenza metallica a quello di resistenza elettrochimica. Per questa ragione c'è una variazione maggiore in questa parte della via interna prima che si abbia un impatto sulla resistenza totale. Per provare questa teoria, ALBER CORP ha condotto i questi esperimenti, su due grosse celle invasate, ottenendo i seguenti risultati , ripetuti e confermati:

le celle sono state prima equalizzate per un minimo di quattro giorni, lasciate nello stato di mantenimento per un minimo di 24 ore, poi a circuito aperto da tre a sette giorni e quindi scaricate con incrementi dal 2% al 4% in modo estremamente basso. Facendo seguire ad ognuno dei sopracitati eventi delle letture di resistenza interna, abbiamo ottenuto i risultati sotto riportati (con incremento del 4%):

La scarica programmata di energia dalle celle ha influenzato solamente la resistenza della massa attiva e dell'elettrolito. Il fatto che la resistenza totale non sia variata apprezzabilmente fino al 40% di energia rimossa, dimostra chiaramente che non c'è una relazione lineare fra la capacità di una cella e la sua resistenza interna. Questo prova anche che la resistenza della massa attiva e dell'elettrolito sono una percentuale molto bassa rispetto alla resistenza totale. Per illustrare il fatto che la resistenza metallica aumenta l'influenza sulla capacità, a differenza della resistenza elettrochimica, basta prendere in considerazione l'esempio sotto riportato:

Assumiamo che nella cella # 9 sia stata introdotta nella via interna metallica una resistenza di 18 microohms che ha causato un 40% di variazione di capacità. L'aumento di questa resistenza causerà un abbassamento addizionale di 10 mV fra i terminali di tensione della cella, sempre che la stessa venga sottoposta a tre ore di scarica fino alla tensione finale di 1,75 V (580 Amp x 18 microohms). L'attuale tempo di prova di tre ore dovrebbe essere ridotto di almeno 5 minuti. Questo significa che la capacità verrebbe ridotta di almeno il 3%. Se la prova di capacità venisse effettuata su 8 ore, l'aumento di resistenza di 18 microohms dovrebbe influenzare la capacità meno dell'1%. Eseguendo la prova di rimozione del 40% di energia, le due celle hanno subito una prova di capacità di 3 ore (580 Amp) fino ad una tensione finale di 1,75 V. La cella # 7 ha raggiunto questa tensione in 1 ora e 58 minuti, equivalenti ad una capacità del 66%, mentre la cella # 9 ha impiegato 1 ora e 24 minuti, pari ad una capacità del 47%. Durante questa prova di tre ore di scarica, la prova è stata interrotta due volte per un paio di minuti, per misurare la resistenza di cella. La Fig.6 illustra l'aumento della resistenza di cella in funzione dell'energia totale rimossa tramite la combinazione dei due differenti metodi di prova sopra descritti.

Fig. 6. Percentuale di energia rimossa rispetto all'aumento di resistenza interna

Prova di temperatura:

Seguendo lo stato di carica rispetto alla prova di resistenza, le due celle sono state ricaricate e sottoposte ad una prova di temperatura. La prova è consistita nel portare la temperatura delle batterie ai 41°C, quindi lasciandole raffreddare alla temperatura ambiente di 25°C. Le misure di resistenza sono state effettuate alle temperature di 41°C, 36°C, 30°C e 25°C. Il risultato di queste misure dimostra che non sono state rilevate variazioni di resistenza apprezzabili. In tutte le prove, la resistenza è stata di 109 microohms per entrambe le celle. Questo risultato conferma le prove di corto circuito che la ALBER CORP ha effettuato pochi anni fa in un gruppo di centrali nucleari. Le prove di corto circuito furono effettuate su diverse celle sia ad una temperatura di circa 25°C che di 39°C senza riscontrare apprezzabili variazioni della corrente.

Esempi di prove in campo:

Confronto tra celle INVASATE e "VRLA" (ermetiche con valvola di regolazione).

I risultati delle prove in campo di entrambe le sopracitate celle sembrano essere molto vicini alla cronistoria delle prestazioni di queste. La resistenza interna delle celle invasate è stata completamente uniforme su una data stringa, anche per quelle stringhe che evidenziavano segni di invecchiamento. Le resistenze delle celle VRLA, risultano invece uniformi solamente per quelle celle apparentemente nuove. Dopo due o tre anni di servizio queste celle evidenziano una significativa variazione da cella a cella. Le Fig.7 e 8 illustrano le tipiche letture.

Fig. 7. Batteria stazionaria di 23 celle invasate, installata nel 1987

Fig. 8. Batteria stazionaria di 60 celle VRLA, installata nel 1990

La stringa della batteria invasata ha una cella discutibile, mentre le letture delle rimanenti celle sono molto simili (la più bassa = 1073, la più alta = 1174). Una successiva prova di prestazione verificava che la cella # 20 nella stringa invasata aveva una capacità di solo il 67% mentre tutte le altre celle erano comprese fra il 100% ed il 102%. Notate la grande variazione nelle letture nella stringa VRLA. Questa batteria, come previsto, non superava la prova di capacità e veniva raccomandata la sostituzione di tutte le stringhe. Le cause più comuni di guasto sulle odierne celle VRLA, non sono uguali a quelle invasate. Le maggiori cause di disservizio verificatesi negli ultimi sei anni sulle celle VRLA sono dovute a:

- ESSICCAZIONE (perdita di combustibile).

- SOLFATAZIONE (perdita combustibile).

-CORROSIONE DEL MORSETTO NEGATIVO (aumento della resistenza metallica).

I sopra citati guasti non si verificano in tutte le celle e non avvengono con la stessa frequenza. C'è comunque sempre una grande variazione della resistenza interna. Le batterie invasate, se ben manutenute, normalmente si guastano per la corrosione del morsetto positivo e per l'espulsione di materiale attivo. Questo è un graduale decadimento che si manifesta uniformemente su un gruppo di celle.

Molte altre prove di campo hanno confermato che le celle con resistenza interna di un 25% superiore a quella regolare di riferimento, per quel tipo di cella, non supereranno le prove di capacità. Una cella la cui resistenza raggiunge il 100% del valore regolare, si guasterà nel giro di alcuni minuti. Quindi, la risposta alla domanda: "Quale relazione esiste fra la resistenza e la capacità?" è:

All'aumentare della resistenza di cella diminuisce la capacità. La relazione non è lineare e dipende dal fatto che il problema resistivo sia dovuto alla parte elettrochimica oppure alla parte metallica. I problemi di resistenza metallica dipendono anche da quanto è veloce la scarica. Per esempio, l'aumento di 1 milliohm non influisce sulla capacità se la corrente di scarica è di 10 A, mentre diventa importante se questa è di 100 A.

5. QUALI PROBLEMI INTERNI POSSONO ESSERE RILEVATI ?

Tutti i problemi di resistenza metallica possono essere rilevati, specialmente quelli che si discostano in modo rilevante dai valori di normalità, come illustrato in Fig.9.

Fig. 9. Variazioni rilevanti della resistenza interna di cella.

Questo problema può dipendere sia da difetti di produzione che dalla corrosione e crescita della piastra, la quale causa lo spostamento della massa attiva dalla struttura in piombo della griglia, creando problemi di elevate resistenze di contatto fra la massa attiva e la griglia. Alle correnti più elevate i problemi di resistenza metallica diventano molto significativi, potendo portare all'esplosione della batteria. I problemi di resistenza elettrochimica possono essere rilevati solamente se abbastanza severi. Comunque, quando si verifica questo problema la cella è già arrivata all'80% della sua capacità. La novità interessante è sapere che la batteria non si guasterà istantaneamente e neppure ci saranno problemi di esplosione. L'unica cosa è che non sarà capace di supportare il sistema DC per il periodo previsto.

6. CONCLUSIONI

La cosa più importante è la resistenza di una cella, non l'impedenza. Per avere una risoluzione di misura decente, è necessaria un'elevata corrente di prova. Solamente l'approccio con carico DC può essere usato ON LINE, anche in ambienti molto disturbati. Esiste una relazione ben definita tra la resistenza di una cella e la sua capacità, anche se non è lineare e quindi non può essere usata per stabilire con precisione la vita residua di una batteria. I più pericolosi problemi di resistenza metallica sono quelli più facili da identificare. Lo stato di carica e la temperatura hanno effetti trascurabili sulle variazioni della resistenza di cella Per effettuare qualsiasi analisi apprezzabile sulle letture delle misure di cella è necessario conoscere il valore di normalità delle celle riconosciute come buone. Questi dati vengono forniti dalle prove di capacità. Le misure della resistenza interna delle celle sono molto preziose nel determinare se una stringa di batterie stia assolvendo alla missione per la quale è stata impiegata. Comunque, queste misure dovrebbero essere usate come un supplemento alle prove di capacità. Il nuovo standard IEEE 1188 "Pratiche di manutenzione per batterie VRLA" concorda con questa affermazione e raccomanda misure trimestrali. Nel caso in cui queste misure indicassero un problema, allora la prova di capacità diventerebbe necessaria. La prova di scarica di una batteria simula completamente l'ambiente operativo e rimane la prova definitiva per stabilire se una batteria saprà lavorare correttamente durante un'emergenza. Le misure di resistenza, probabilmente, rileveranno l'80% o più dei problemi di una cella. I risultati di questa prova Vi aiuteranno nel programmare le priorità relative alle prove di capacità, e, portando l'utilizzatore a familiarizzare meglio con le proprie batterie, a programmare l'estensione degli intervalli delle prove di capacità. Gli strumenti odierni, quali il CELLCORDER della ALBER CORP, dotati di memoria ed elaborazione dati hanno enormemente ridotto i tempi di manutenzione e sono in grado di fornire rapporti completi con l'analisi dei dati

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