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Le misure della resistenza interna di una batteria eseguite con il CELLCORDER


INTRODUZIONE
Con il graduale passaggio dalle celle invasate a quelle ermetiche di tipo regolato a valvola (VRLA) e la proliferazione dei Gruppi Statici di Continuità (UPS), c'è stata un'elevata richiesta di soluzioni economiche ed affidabili in grado di stabilire lo stato di salute di una batteria stazionaria, relativamente alla sua capacità ed alla conduzione della via interna. Questa nota applicativa, realizzata dalla ALBERCORP, ha come scopo principale quello di determinare lo stato di salute di una batteria stazionaria tramite la contemporanea misura della tensione di mantenimento di cella, della resistenza interna di cella e della resistenza di interconnessione fra celle contigue, in una stringa di elementi in serie. Tutti e tre questi parametri vengono velocemente misurati ed opportunamente memorizzati tramite l'impiego del CELLCORDER, un multimetro portatile a memoria prodotto dalla ALBERCORP. 
LA RICERCA
La ricerca, verso nuove soluzioni per le prove di capacità e le misure di conduzione della via interna di una batteria, è in continua evoluzione. Tradizionalmente, la capacità di una batteria di immagazzinare energia è stata specificata dai costruttori come la sua abilità di fornire un quantitativo costante di corrente o potenza al carico per un periodo specificato di tempo, prima di arrivare ad una tensione finale. La prova della reale capacità di una batteria, detta prova di scarica, per essere correttamente eseguita, richiede ore di manodopera, carichi resistivi a corrente costante e sistemi di acquisizione dei dati. Sfortunatamente, nessun altro metodo è stato ancora accettato dal consesso degli esperti di batterie, diverso da quello delle prove di carico controllate per la verifica della reale capacità di una batteria. Questo fatto è ampiamente specificato nelle norme internazionali, l'ultima delle quali è stata presentata nel 1995 (ANSI/IEEE 450-1995, Raccomandazioni pratiche per la manutenzione, il controllo e la sostituzione delle batterie stazionarie al piombo invasate) (ANSI/IEEE Par. # 1188, Raccomandazioni pratiche per la manutenzione, il controllo e la sostituzione delle batterie stazionarie al piombo ermetiche con valvola di regolazione VRLA). Comunque, dopo molti anni di esperienze, studi ed esperimenti sono stati prodotti un'enorme quantità di documenti sul comportamento delle batterie e sono stati presentate delle nuove apparecchiature di test capaci di aiutare i manutentori nella verifica delle condizioni di esercizio di una batteria. Ancora, come pubblicato nel 1959, il tipico circuito equivalente di una cella è quello di fig. 1. Questi modelli di circuito della cella di una batteria sono difficili da mettere in relazione con i parametri interni della stessa, capacità e conduzione della via interna. 

Fig. 1. Tipico circuito equivalente dell'interno di una cella di una batteria stazionaria.

CONCETTI FONDAMENTALI: RESISTENZA, INDUTTANZA E CAPACITA'

Come si può notare dalla figura 1, il tipico circuito equivalente di una cella di batteria stazionaria è rappresentato da resistenze, induttanze e capacità. I ricercatori hanno analizzato le risposte delle celle alle varie frequenze, dalla DC a diverse migliaia di Hz, con misure appropriate dei parametri di batteria. Conseguentemente hanno cercato di mettere in relazione queste misure con la capacità della batteria, spesso con risultati in conflitto fra loro. Nella maggior parte delle applicazioni tipiche di batterie, l'induttanza non ha alcun impatto pratico sulle prestazioni della batteria, a causa della sua piccola grandezza (da 0,05 a 0,2 microHenry). Invece, la capacità delle celle è sorprendentemente enorme. Quella tipica è di 1,7 Farad per 100Aora di batteria. Questa caratteristica di elevata capacità viene ben utilizzata dai costruttori dei carica batterie. Infatti, il filtraggio dell'uscita del carica batterie dipende praticamente da questa capacità. Comunque, c'è stata una piccola evoluzione nelle ricerche circa la possibilità di legare questa capacità alla capacità effettiva di una cella. E' importante notare come un ricercatore abbia intuito che la reattanza capacitiva "oscuri" il predominante indicatore della capacità di una cella: la resistenza elettrochimica. Questo fenomeno aumenta con l'aumentare della frequenza di prova. Le misure di Impedenza e di Ammettenza comprendono sia quelle di capacità che di induttanza. 

LA NATURA DELLA RESISTENZA INTERNA

La ALBERCORP ha concentrato i suoi sforzi nelle misure di resistenza interna. Conseguentemente è stato sviluppato un nuovo modello di circuito equivalente di cella, capace di suddividere la resistenza interna di una cella, come evidenziato in Fig. 2, nelle sue componenti di resistenza metallica ed elettrochimica.


 Fig. 2. Nuovo modello di resistenza interna di cella.
Queste resistenze non variano al variare della frequenza di prova. In verità, i ricercatori hanno concluso che a frequenza zero (DC) o a frequenze molto basse, si ottengono i migliori risultati quando si studiano le relazioni dei vari parametri nei confronti della capacità di una batteria. Un altro gruppo di ricercatori che ha concentrato i propri sforzi sulla resistenza interna sono quelli giapponesi della Nippon Telephone & Telegraph. Le loro ricerche, confermate da misure in campo, hanno evidenziato che il maggiore risultato del meccanismo di deterioramento di una batteria al piombo è un aumento della resistenza interna. Una tecnica di misura con impulso di 500 microsecondi di durata, viene usata per la misura della resistenza interna. I risultati delle prove effettuate con questo metodo di misura hanno portato quelli della NTT a concludere che il deterioramento di una batteria (diminuzione di capacità in Ah) può essere individuato con un'approssimazione del +/- 10% tramite una misura di resistenza interna. Da notare come la capacità, rispetto alla curva di resistenza interna normalizzata di fig.3, assomigli ad una curva. Alcuni intendono la relazione esistente fra la i più comuni parametri interni di cella e la capacità, non come una semplice linea retta, come descritto di recente, ma molto più simile ad una funzione curvilinea complessa. Parte di questo credo è ruotata attorno al fatto che una linea retta non può descrivere le relazioni di capacità a causa delle differenze manifestate dalle celle con problemi di resistenza metallica rispetto a quelle con problemi di resistenza elettrochimica, durante la scarica di una batteria. 


Fig. 3. Relazione fra Capacità e resistenza interna, stimate con scariche a impulso.
La tipica curva di scarica di una cella con capacità del 100% è quella illustrata in Fig.4. La capacità di una batteria viene negativamente colpita da un aumento della resistenza interna. Naturalmente, la potenza viene dissipata al suo interno (I x I x Rinternal) e non è disponibile quando realmente serve, sul carico. Pertanto, la capacità reale viene diminuita. Comunque, durante la scarica questa diminuzione di capacità si manifesta in modo diverso a seconda se l'aumento di resistenza dipende prevalentemente dalla parte metallica o da quella elettrochimica. 


Fig. 4. Tipica curva di scarica di una cella con il 100% di capacità.

RESISTENZA METALLICA

Questa porzione di conduzione della via interna crea molti problemi agli esperti di batterie. E' qui, infatti, che il deterioramento di una cella può avvenire molto più rapidamente, quindi molto spesso non viene rilevato durante le prove annuali di integrità o ancor meno durante le prove triennali di capacità. Il sezionamento di batterie guaste e con valori anomali di resistenza interna ha dimostrato che tutte le parti metalliche interne (poli, griglia, vie interne) sono molto spesso vittime della corrosione, di saldature fatte male o di bruciature. Si sono anche trovate superfici di contatto dove un rame inserito può corrodere o far perdere contatto intorno al suo polo. Il CELLCORDER può facilmente individuare questo tipo di problemi. La figura 5. Illustra chiaramente la perdita di capacità dovuta ad una troppo elevata resistenza metallica interna di cella. La tensione disponibile ai terminali della batteria si riduce a partire dall'inizio della scarica e continua fino alla fine. 


Fig. 5. Tipica curva di scarica di una cella con problemi di elevata resistenza metallica interna.

RESISTENZA ELETTROCHIMICA

L'impasto della cella, l'elettrolito ed i separatori costituiscono la parte elettrochimica della resistenza interna di una cella. Gli aumenti a lungo termine di resistenza elettrochimica possono essere causati da perdite di materiale attivo o dall'invecchiamento dell'impasto. Si possono anche avere aumenti a breve termine durante i normali processi di carica e scarica, sia quando i valori di densità vengono alterati, sia quando il contenuto dei separatori varia e/o cambia la composizione chimica della superficie. Compressione dei separatori, nodosità o cortocircuiti, e condizioni quali la solfatazione sono le cause più frequenti di anormali aumenti della resistenza elettrochimica. Comunque, un'accelerata essiccazione dell'elettrolito sembra essere il nemico numero 1, quando si verifica un guasto su celle VRLA. La Fig. 6 evidenzia come si comporta una batteria con un problema di resistenza elettrochimica interna. La sua ridotta capacità non diventa apparente se non dopo una scarica lunga, come fuoriuscita di combustibile. In altre parole, un problema di resistenza metallica può essere visto come detonazione della linea combustibile! In ogni caso, più peggiora la resistenza è più sarà grande la differenza fra la capacità di targa e quella reale di una cella.


Fig. 6. Tipica curva di scarica di una cella con un problema di resistenza elettrochimica

INVECCHIAMENTO DI UNA BATTERIA E RESISTENZA INTERNA

La resistenza interna fornisce una reale indicazione dell'invecchiamento di una batteria. Il processo d'invecchiamento della cella di una batteria si basa sulla velocità con la quale i materiali e la costruzione vengono deteriorati nel tempo rispetto alle condizioni originali. Per esempio, la vita di quasi tutte le celle stazionarie viene specificata a 25°C, sotto particolari condizioni di carica di mantenimento e scariche di specificata durata e frequenza. Una corrosione molto bassa della via interna, una perdita di materiale attivo dalle piastre, una deformazione della griglia e, nel caso di celle VRLA, un'essicazione di elettrolito, sono tutti processi naturali che spingono una cella verso la fine della propria vita. Questo processo di invecchiamento viene evidenziato dall'aumento della resistenza interna e dalla diminuzuione della capacità. Tutti concordano che al di sotto dell'80% di capacità reale di una cella, il processo di deterioramento aumenterà rapidamente con conseguente raccomandazione di sostituzione della cella. La resistenza interna di una cella aumenta lentamente nel tempo, mentre aumenta velocemente verso la fine della vita. Il suo valore di fine vita è normalmente di circa il 25% superiore a quello iniziale, ma può anche arrivare ad essere del 50%. 

TEMPERATURA E RESISTENZA INTERNA

E' importante essere consci dell'effetto della temperatura sulla resistenza interna. La Figura 7, per una tipica cella AGM VRLA, illustra chiaramente i rapidi aumenti di resistenza interna ed impedenza al di sotto dei 7°C di temperatura. A seconda delle stagioni e conseguentemente delle diverse temperature ambiente, le celle VRLA che si trovano in ambienti senza CLIMATIZZAZIONE possono evidenziare delle considerevoli variazioni durante le misure trimestrali di resistenza interna. La registrazione della temperatura ambiente del momento di misura Vi consentirà di risparmiare ulteriori misure e falsi allarmi. Allo stesso modo, le celle colpite dal flusso di aria proveniente dal climatizzatore evidenzieranno valori di resistenza superiori rispetto a quelle inserite all'interno dell'armadio batteria. Bisogna, in questo caso, orientare meglio il flusso dell'aria condizionata. 


Fig. 7. Resistenza interna normalizzata rispetto alla temperatura

IL CELLCORDER

Il CELLCORDER è imbattibile nel determinare la resistenza interna di una cella e nell'aiutarVi ad identificare le condizioni anormali rispetto al normale invecchiamento. Mentre una batteria è in esercizio, il CELLCORDER misura la resistenza interna in modo preciso e ripetitivo, utilizzando le tecniche DC. Il filtraggio delle correnti AC, i campi vaganti a 50Hz, i rumori e le normali correnti di mantenimento, non hanno praticamente effetto sulle misure. Gli autori non possono aiutare ma meravigliarsi di cosa precedenti ricercatori avrebbero potuto compiere se solo avessero avuto a disposizione la tecnologia allo stato solido e a microprocessore. Il microprocessore del Cellcorder consente non solo il controllo delle misure, ma anche la temporizzazione delle stesse e l'effettuazione di calcoli precisi. Può inoltre dire se una misura è valida e quindi registrare il risultato. I costruttori di batterie hanno sempre determinato la resistenza interna di una cella utilizzando la legge di Ohm. Normalmente, essi misurano le differenze di tensione e di corrente durante la scarica di una batteria. Il Cellcorder fa la stessa cosa, ma in modo molto veloce e preciso. La Figura 8, nella pagina seguente, evidenzia cosa succede quando ad una batteria viene applicato un carico. L'istantaneo abbassamento di tensione, appena il carico viene applicato, o l'istantaneo ritorno di tensione alla rimozione dello stesso, sono dovuti alla resistenza interna. Il Cellcorder legge la corrente e la tensione di cella appena prima di rimuovere il carico, quindi misura la tensione subito dopo aver rimosso il carico. La resistenza risultante è data semplicemente dalla seguente formula: Ri = ^V/I. 


Fig. 8. Misura della resistenza interna

LA PROVA DI SCARICA MOMENTANEA

Questa è la caratteristica essenziale del Cellcorder. Dovrete, pertanto, prestare molta attenzione a quanto Vi stiamo dicendo in quanto, si tratta delle cose che differenziano il Cellcorder rispetto ad altri strumenti oggi presenti sul mercato e Vi faranno essere confidenti con le misure di resistenza. Per le celle con capacità di targa inferiore ai 1000Ah, la scarica è più breve (solo 3 o 4 secondi) e dell'ordine dei 25 - 75 Amperes. Per capacità di targa superiori, la scarica arriverà a circa 10 secondi. Per dimostrare un punto circa la sicurezza e gli effetti delle elevate correnti di breve durata, abbiamo effettuato il seguente esperimento. Abbiamo immaginato un conduttore interno corroso sotto la misura del suo punto bianco 3. Abbiamo trovato che facendo passare la corrente di test del Cellcorder attraverso un cavo fasciato (27 inches of #20 gauge wire) non è stato provocato alcun danno e neppure alcun riscldamento del cavo. La potenza in gioco arriva ad un massimo di 5 Watt per 1000 microohms e dura solo pochi secondi. In un test reale, entro alcuni millisecondi dalla partenza, il Celcorder identifica il livello di corrente. Se trova un'elevata resistenza interna, la corrente sarà bassa è la prova verrà interrotta. Quindi, una cella con un conduttore intrno eccezionalmente corroso non verrà ulteriormente danneggiato. Dopo decine di migliaia di prove su celle non ci sono pervenute indicazioni che questa prova di scarica momentanea ha causato l'apertura del circuito di cella. Anzi, molti specialisti di batterie si sono stupiti che le loro ultra corrose celle non si siano aperte durante questa prova. Probabilmente essi preferiscono che questo avvenga durante le prove controllate che non sotto le normali condizioni di esercizio, quando nessuno è presente durante un'emergenza! 

LA RICERCA DI ALBERCORP

Alcuni esperimenti attentamente condotti dalla Albercorp hanno rilevato altre importanti proprietà circa la resistenza interna di una cella. Una è la relazione che esiste fra la resistenza metallica e la resistenza elettrochimica. Molti potrebbero pensare che appena l'energia immagazzinata in una cella completamente carica inizia a diminuire, la resistenza interna della cella inizia subito ad aumentare in modo proporzionale e significativo. Questa credenza è largamente supportata da come l'elettrochimica della cella al piombo viene visionata. Sono state misurate le resistenze interne della cella subito dopo aver rimosso una certa quantità di capacità. E' stato trovato che la resistenza interna non è variata più del 3% dopo aver rimosso il 32% di capacità. Da questo punto in poi si è verificato un aumento consistente della resistenza interna con l'aumentare della capacità rimossa, anche se in modo non lineare. Poiché è estremamente spiacevole che la resistenza metallica di cella sia variata durante la scarica della cella, è possibile affermare che: 

  1. Le variazioni notate della resistenza interna totale di cella erano dovute esclusivamente alle variazioni di resistenza elettrochimica.
  2. Le variazioni di resistenza elettrochimica sono una piccola parte della resistenza interna totale quando l'energia immagazzinata cade dal 100% verso valori sostanzialmente inferiori di carica.
In parole povere, queste sono delle novità interessanti. Sembra che una batteria possa essere affidabilmente provata dal Cellcorder sia sotto carica di mantenimento, sia a circuito aperto che anche parzialmente scarica. 

LA LINEA DI RIFERIMENTO E COME MEGLIO REALIZZARLA

La fantasia di un teorico delle batterie può arrivare a pensare che dati relativi alla capacità ed alla resistenza interna di ogni cella possano essere disponibili a partire dal primo giorno di installazione e messa in servizio di una batteria. Egli cerca di determinare la resistenza interna tipica di ogni cella con capacità del 100% e dell'80%, come pure l'andamento di questa resistenza durante il passaggio dal 100% all'80%. La fantasia inizia con l'installazione della batteria. Una prova di accettazione viene eseguita e la resistenza interna di cella viene misurata. I risultati dovrebbero essere abbastanza uniformi ed i dati raccolti sarebbero conservati per futuri confronti. Il teorico delle batterie conosce a questo punto la linea di riferimento ideale, come da norme IEEE/ANSI P-1188, per futuri confronti. Sarà quindi capace di prendere delle decisioni immediate circa la manutenzione e la sostituzione futura di queste celle. Sfortunatamente, questa è solo fantasia per molti ambienti industriali, perché presi dalla foga e dall'urgenza di mettere in esercizio una batteria l'ultima preoccupazione è proprio quella di effettuare delle misure di resistenza interna da usare quale riferimento per il futuro. Il risultato finale è che ci siamo dimenticati di prendere questi dati nel migliore modo possibile. Il secondo periodo buono per ottenere dei dati di riferimento è brevemente dopo la misura della capacità sullo stesso tipo di celle con la stessa età di esercizio. Nel tempo, i dati di fine vita o per livelli di capacità dell'80% saranno accumulati. 

ATTENZIONE

I dati relativi alle misure di resistenza interna presi senza l'ausilio della correlazione di capacità note vengono spesso riferiti a valori " così come trovati". Questi dati "così come trovati" possono essere usati per definire una linea di riferimento, bisogna però essere molto cauti. Non è insolito trovare un'intera stringa di celle con uniforme resistenza interna ed apparentemente normale tensione di mantenimento che non passerebbero le prove di capacità. In questa situazione noi raccomandiamo di eseguire almeno una prova sul carico in esercizio, per dare credito alle misure di resistenza interna. 

IL CORSO DELLE AZIONI

Se non avete una linea di riferimento a fine vita o all'80%, realizzata con campioni significativi di celle dello stesso tipo e della stessa età di esercizio, dovreste usare le seguenti indicazioni basate sull'impiego in campo del Cellcorder. Se la resistenza interna che avete misurato è superiore del 20 - 50% rispetto al 100% della linea di riferimento, dovrete sottoporre la cella ad una prova di carico. Prima la effettuerete e meglio sarà. Se invece avete misurato una resistenza interna superiore al 50%, potete tranquillamente sostituire la cella senza ulteriori prove. 
Sorprendentemente, le norme IEEE/ANSI VRLA-P-1188 sono molto più blande in questa materia. Esse raccomandano che dal 25% al 43% bisogna contattare il costruttore delle batterie. Sopra il 43% deve essere effettuata una prova di carico prima possibile. Attualmente tali norme indicano il valore della conduttanza, che è il reciproco della resistenza. 

ANOMALIE DEI DATI

Un'altra parte della fantasia dei teorici delle batterie che deve essere demolita è quella che tutti i dati raccolti per la creazione della linea di riferimento, devono cadere all'interno di una ragionevolmente stretta tendenza. Questo vale sia per le celle di elevata capacità che hanno una resistenza interna uniforme che per quelle a bassa capacità che hanno una proporzionalmente alta resistenza interna. Anche le celle senza condizionamento di una linea di produzione altamente controllata devono essere completamente conformi a questo previsto comportamento. Nel corso delle Vostre prove sicuramente Vi capiterà di testare delle celle con capacità elevata e con un insolitamente elevata resistenza interna. Similarmente, ci saranno celle con caratteristiche di bassa resistenza interna di un cella buona che potrebbero non superare una prova di capacità. Sfortunatamente, l'attuale tecnologia disponibile per le misure di impedenza, conduttanza, ammettenza o resistenza non permette di identificare definitivamente delle celle anomale, senza l'ausilio delle prove di scarica. Se siete fortunati di avere una gran mole di dati circa la capacità e la relativa resistenza interna, lo sviluppo di una linea di riferimento non sarà un problema. Quando un programma sta per partire, o quando ci sono solo poche celle di un particolare modello, è possibile ricevere un aiuto nel trovare questi dati. Se vi servono delle linee di riferimento su alcune celle, cercate di metterVi in contatto con la banca dati di Albercorp o con i costruttori di batterie. 

FREQUENZA DI TEST DELLA RESISTENZA INTERNA

Lo scopo principale della verifica della resistenza interna di una cella è quello di determinare se tale cella si è deteriorata e, nel caso si, quanto e con che velocità. Logicamente, i controlli devono essere effettuati periodicamente. Almeno con cadenza trimestrale, verificare le celle che hanno dato segni di anomalia sia in seguito ad un'ispezione visiva che ad una precedente prova di capacità, di integrità o di resistenza. Siccome nessuna misura di densità o ispezione visiva può essere effettuata sulle celle ermetiche, dovrete fare molti più controlli su queste celle che su quelle invasate. Per questa ragione non bisogna sorprendersi che la norma 
P-1188 VRLA raccomanda l'effettuazione trimestrale delle misure di resistenza interna. D'altra parte, la norma 450 per le celle invasate non specifica questo tipo di prova, anche se prevede una prova annuale sulle interconnessioni. E' pertanto consigliabile effettuare le misure di resistenza interna durante queste prove. 
Il Cellcorder consente entrambe queste misure, permettendoVi di risparmiare un sacco di tempo. Per ulteriori informazioni circa questa applicazione del Cellcorder, richiedete la seconda nota applicativa per le misure della resistenza di interconnessione con il Cellcorder. 

GESTIONE DEI FILE DATI DEL CELLCORDER

Con il progredire dei programmi di test, il numero dei file dati memorizzati nel PC aumenta rapidamente; seguendo le norme P-1188 ci sono 4 test all'anno. Per facilmente identificare questi files e gestirli con una minima possibilità di errore, sia in DOS che in WINDOWS, è molto importante il metodo impiegato per l'inserimento dei nomi dei files. Cercate di inserire tutti gli 8 caratteri possibili per l'identificazione del file e tutte le descrizioni richieste nel modo più dettagliato possibile. Per esempio il file 941WPB1A.dat dovrebbe descrivere: 94 (l'anno) 1 (il numero della prova) WPB (il codice del luogo) 1A (batteria 1 stringa A). Sia che usiate numeri o lettere , una cosa molto importante è quella di creare un file nel modo più riconoscibile possibile, per evitare duplicazioni, sovrascritture o cancellazioni di file già esistenti, specialmente se utilizzate sistemi operativi DOS precedenti alla versione 6 

SALVAGUARDIA DEL CELLCORDER

Il problema più comune di guasto del Cellcorder è quello di collegarlo a tensioni troppo elevate, specialmente quando si fanno misure sulle batterie degli UPS. Per evitare questo tipo di problemi bisogna, prima di ogni test, verificare che la tensione che si va a misurare non sia superiore ai 16V. Bisogna anche accendere il Cellcorder prima di collegarlo alla batteria, in modo da attivare le sue protezioni interne.


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