La batteria elettrica di bordo

Generalità

La batteria è un dispositivo elettrico capace di immagazzinare energia elettrica sotto forma di energia chimica. La batteria ha un rendimento del 75% circa.
La batteria al piombo è formata da una serie di elementi da 2 volt ciascuno.
Quindi 6 elementi per le batterie da 12 Volt e 12 elementi per le batterie da 24Volt.
Ogni elemento è formato da una "vaschetta" contenente una piastra al piombo attivo per il polo positivo; una piastra al biossido di piombo per il polo negativo; una soluzione elettrolitica (formata da acido solforico e acqua distillata).

Durante il normale funzionamento, per le reazioni chimiche tra l'acido solforico e gli elementi in piombo, si forma
una piccola quantità di idrogeno e ossigeno. Questi due gas, che si formano nei due poli, vengono però "riassorbiti" dalle reazioni chimiche nel polo opposto.
Se la batteria è maltrattata questa quantità può aumentare notevolmente a causa della impossibilità di mantenere un equilibrio tra le reazioni chimiche.
Quando succede questo si dice che la batteria "bolle": si formano delle bollicine che vengono a galla nella soluzione di acido (come se fosse acqua minerale gassata). Questi gas sono idrogeno ed ossigeno, che formano la cosiddetta "miscela tonante" (esplosiva), e si forma a spese della acqua contenuta nella soluzione, seguito da un calo del livello dell'elettrolito. Leghe di piombo/Antimonio o Piombo/Calcio migliorano le caratteristiche meccaniche e di durata.
Le batterie si differenziano a seconda dell'utilizzo e a seconda della costruzione.
Tipologie per utilizzo

• Batterie per uso automobilistico:Sono batterie costruite per avere cicli di scarica medi del 5% rispetto alla carica completa. Soffrono se scaricate molto e per molto tempo, però sono in grado di fornire elevate correnti di spunto per l'avviamento e sono abbastanza leggere. Di solito sopportano alcune decine (tipicamente 50) cicli di carica/scarica all' 80%
• Marine: sono di solito una via di mezzo tra le batterie cicliche e quelle automobilistiche: sono progettate per cicli di scarica al 50% ed elevate correnti.
• Trazione: Sono costruite per cicli medi dell'80% ma con elevate correnti di scarica e alcune centinaia di cicli carica/scarica. (es. quelle dei muletti)
• Cicliche: sono costruite per fornire energia per lungo tempo e poi ricaricate. Il ciclo di scarica media è dell'80%, e reggono da alcune centinaia fino a 1000 cicli di carica/scarica.

Tipologie per costruzione:

• Batteria al piombo normale :quelle coi tappini che si svitano per mettere acqua distillata, il tappino è forato per far uscire i gas.
• Batteria senza manutenzione o a bassa manutenzione: sono le batterie standard di oggi. Non esiste più il tappo col forellino, anche se è possibile, trafficando un pò, aprire l'elemento, aggiungere acqua distillata e misurane la densità. Grazie al sistema di chiusura degli elementi, se anche rovesciate per pochi istanti non causano fuoriuscita pericolosa di liquidi.
• Batterie speciali stagne: la soluzione elettrolitica è incorporata in un gel ed il contenitore è completamente stagno (c'é una specie di valvola di sicurezza in caso di forte formazione di gas). Queste batterie non sopportano i sovraccarichi, in quanto le bolle di gas che si formano restano sostanzialmente "imprigionate" nel gel causando una riduzione della superficie di contatto dell'elettrolita con riduzione della capacità della batteria. Per questo motivo spesso vengono aggiunte apposite sostanze chimiche per assorbire o riconvertire in acqua i gas in modo da renderle un po' più tolleranti ai sovraccarichi.
  Sono molto costose ma se trattate bene hanno una durata superiore a quelle normali. Se trattate male invece durano meno.

i "numeri"riportati sulle batterie

• Tensione Nominale: è il "voltaggio" che possiamo misurare ai capi di una batteria carica a vuoto, cioé senza carichi che assorbano corrente. Di solito è 6, 12, 24V
• Capacità Nominale: e la "quantità di energia" che la batteria è in grado di accumulare. Viene misurata in AmpereOra (abbreviato Ah) su una scarica di 10 ore. Ad esempio: una batteria da 120 Ah può erogare 12 ampere per 10 ore.
  Se viene utilizzata con una corrente maggiore la capacità si riduce a causa delle perdite interne. Se dalla batteria di prima preleviamo 120 A si scaricherà in 15-20 minuti anziché una ora. Per correnti vicine a quella nominale o inferiori si può fare il calcolo direttamente. Ad esempio: ho un frigorifero che assorbe 4 A , la batteria è da 120 A , in teoria, se la batteria è completamente carica, posso lasciare il frigo collegato 30 ore (30 x 4 = 120)
  Ovviamente dopo 30 ore avrò la batteria completamente scarica!!!!
• Corrente di spunto: è la massima corrente che la batteria può erogare quando è fredda (mi pare che venga misurata a -30 gradi, che è la condizione peggiore) In pratica è la corrente erogata in corto-circuito. Non serve a fare calcoli, almeno al nostro livello, ma indica la "predisposizione all'avviamento" della batteria. Più questo valore è alto e più la batteria sarà in grado di alimentare il motorino di avviamento in condizioni critiche. Se la batteria è sovradimensionata, come è spesso sulle imbarcazioni, questo parametro (secondo me) diventa meno importante che su una automobile.
• Effetto della temperatura: la batteria fredda ha una capacità minore (ad esempio a -30 C ha il 50%) , per contro al caldo ha una durata minore (ogni 10 C oltre i 25, la batteria ha una durata del 50% in meno).
• Cicli di carica e scarica: si intende il numero di volte che la batteria è stata scaricata dal 100% al 20% e ricaricata. Se una batteria viene scaricata al 50% ogni giorno durerà il doppio rispetto ad una scaricata l'80%.
• Falsa capacità: Le misure di tensione o di densità che sono possibili su una batteria, possono indicare solo lo stato relativo alla reale capacità della batteria (che nel tempo tende a diminuire) e non a quella nominale.

Perché una batteria si guasta o si "esaurisce"

• Solfatazione: a batteria scarica, o se tenuta per molto tempo ad un basso livello di carica, può avvenire una reazione chimica sulle piastre che porta alla formazione di ossidi di piombo cristallino, isolante e stabile. Questa sostanza ricopre progressivamente la superficie delle piastre impedendo la normale evoluzione delle reazioni chimiche che danno l'accumulo di energia.
• Autoscarica: a causa della solubilità del piombo nell'acqua ed altri fattori (impurità nella soluzione ecc.) la batteria, molto lentamente, perde l'energia che ha accumulato fino a scaricarsi completamente. La perdita può andare dall'1% al 10% al mese. è più alta per le batterie da avviamento. Per questo si consiglia di ricaricare la batteria una volta al mese (se non usata), in modo da mantenerla ad un livello di carica maggiore del 80% e ridurre la solfatazione. Pannelli solari e/ o generatore eolico sono molto adatti a compensare l'autoscarica.
• Fanghi: La piastra è formata da un supporto di piombo con una serie di "cavità" rettangolari, dentro le quali vengono pressati gli ossidi di piombo già formati. Questo aumenta la capacità a parità di peso e dimensioni in quanto questi ossidi pressati si "impregnano" della soluzione di acido solforico aumentando la superficie di contatto con l'elettrolito.
• Il rovescio della medaglia è che queste particelle tendono a staccarsi e precipitare sul fondo, riducendo quindi nel tempo la capacità della batteria. Se però maltrattiamo la batteria, la produzione intensa di gas e calore può favorire il rigonfiamento e il distacco di questi ossidi che si accumulano in quantità sul fondo fino a mettere in CORTO-CIRCUITO l'elemento. Inoltre le piastre, col calore, potrebbero deformarsi provocando ulteriori distacchi o interruzioni, se si interrompe il contatto tra una serie di elementi.

Sistema di diagnosi:
Il corto circuito di un elemento è diagnosticabile facilmente: la batteria avrà 2V di meno del normale: cioé sarà diventata da 10 V anzichè 12. Questo valore si può misurare col voltmetro in condizioni di riposo cioé senza nessun utilizzatore collegato. In tale situazione la batteria è da buttare.
L'interruzione invece si vede facilmente: la batteria a riposo dà 0 V. Anche in questo caso é da buttare.
Esistono però situazioni intermedie: può capitare ad che si abbia una forte solfatazione di una sola cella o più (spesso nelle celle vicine ai morsetti, che sono soggette a maggiore riscaldamento): sono batterie che a vuoto danno 12 V, ma applicando un minimo carico passano a 10 V, oppure quasi a zero.In questi casi si può tentare una carica molto spinta (il "ribollire" potrebbe rimuovere strati di solfato di piombo),ma in ogni caso la batteria durerà poco.
Carica
Anche in fase di carica la batteria è sollecitata.
Si considera che una carica normale sia effettuata con una corrente pari a 1/10 della capacità della batteria per 12 ore. Esempio: alla nostra batteria da 120 Ah possiamo applicare con sicurezza una corrente di 12A per dodici ore. 12x 12 = 144: è vero , la batteria non ha un rendimento del 100 %, per ottenere 120 dobbiamo fornire 144.
Questo però va bene nel capannone di un elettrauto o nel nostro garage, che è un ambiente grande e un minimo ventilato. Infatti quelle sono le condizioni di corrente massima per non danneggiare la batteria,ovvero il miglior compromesso tra rapidità di carica e durata della batteria, ma si ha un lieve riscaldamento e produzione di gas specie a fine carica.
In realtà, se non abbiamo fretta, possiamo ridurre la corrente ed aumentare il tempo della ricarica. Io userei per esempio una corrente di 5-6 Ampere per 24 ore. Posso assicurare che una batteria perfettamente carica bolle già benino anche con 5A.
Se vogliamo controllare manualmente il ciclo di ricarica: serve un caricabatterie almeno a due posizioni: es. corrente alta (4-5 A) e bassa (diciamo sui 2A) ed un voltmetro preciso, se possibile un amperometro per verificare la corrente di carica.
All'inizio della carica la tensione sarà poco superiore ai 12 v, diciamo 12,6-13 V, poi questa tensione continuerà a salire molto lentamente. Quando la tensione arriva a 13,5-13,6 V significa che la batteria è quasi completamente carica ( se possiamo osservare gli elementi vedremo il formarsi di qualche bollicina,che però rimane "attaccata" agli elementi)
Potremo quindi commutare il caricatore alla bassa corrente e lasciarlo ancora un po' di tempo per portare la carica dolcemente al 100%. (a ricarica completa, con correnti così basse, di solito si osserva qualche bollicina che si stacca dalle piastre)
Una corrente di 2 A in una batteria da 120 Ah può essere anche mantenuta indefinitamente senza danni per la batteria, in quanto provoca solo un piccolissimo ribollimento. Però significa calo del livello del liquido, quindi non conviene esagerare. (se ci capita questo in banchina per pochi giorni all'anno non ci sono problemi). Se la tensione sale oltre i 14 V anche nella posizione di bassa corrente, allora significa che la batteria comincia ad essere vecchiotta, e presto ci lascerà a piedi. Direi che se la corrente è più bassa di 1/50 della capacità nominale e la tensione tende a superare i 14 V allora occorre pianificare una sostituzione della batteria,magari non immediata ma in occasione dei più imminenti lavori di manutenzione.
Sto parlando di tensione misurata DIRETTAMENTE SUI POLI della batteria. Misurazioni diverse,magari fatte sul caricabatterie o in punti diversi, non possono essere attendibili.
Chi dispone di un caricabatterie con la funzione Stand-By (cioé che mantiene una carica continua della batteria, deta anche carica di mantenimento o TAMPONE) deve controllare che la tensione in standby sia compresa tra 2,20 e 2,25V per elemento, quindi tra 13,2V e 13,5 V; (in teoria dovrebbe cambiare leggermente con la temperatura delle batterie, ma non stiamo troppo a sottilizzare!!!).
Anche gli alternatori dei motori, che sono notoriamente "abbondanti" dovrebbero essere tarati al massimo a 14 V, ma si trovano spesso alternatori che caricano anche a 14,5 o 15 V con conseguente ribollimento della batteria quando essa è carica. L'alternatore ha però la scusante che a motore fermo interrompe la carica, quindi non resta indefinitamente connesso alla batteria... ma causa poi la riduzione della durata ad 1 anno anziché i 4 canonici di una batteria trattata bene.
Tipi di caricabatterie:

• Quelli normali economici: sono molto semplici ed economici, ma vanno bene solo per ricariche occasionali o sorvegliate. Se volete acquistare uno di questi assicuratevi della presenza di almeno un amperometro e due posizioni di ricarica: a bassa corrente e alta. L'amperometro, contrariamente al voltmetro, non ha bisogno di elevate precisioni per questo utilizzo.
• Caricabatterie automatici: tipo semplice che si scollega a fine carica. Caricano con correnti abbastanza elevate e si staccano a fine carica. Di solito come fine carica sentono una tensione intorno ai 14V.
• Caricabatterie automatici con mantenimento: sono, secondo me, il miglior compromesso tra costo e funzionalità. Tendono a mantenere la tensione a quella di tampone, quindi 13,6 V circa, ed erogano tanta corrente quanta ne richiede la batteria, fino ad un valore massimo. In pratica significa che all'inizio il caricatore fornisce la massima corrente, che comincerà a decrescere con l'aumento di tensione della batteria, fino a portarsi gradatamente al valore di mantenimento. Il vantaggio è che il caricatore può essere connesso permanentemente alla batteria e la manterrà sempre carica completamente senza danni. Il piccolo difetto (sopportabile nella maggior parte dei casi) è che la carica procede abbastanza rapidamente fino al 70% circa, poi comincia ad avvenire sempre più lentamente fino al 100%.
• Caricabatterie automatici MultiSteps: Di solito dotati di un piccolo microprocessore, caricano la batteria con un ciclo che permette di eliminare il difetto del caricatore a tensione costante: Inizialmente utilizzano una corrente alta che mantengono fino a carica quasi completata, poi passano ad una corrente più bassa fino al 100% della carica cioé superando anche i 13,6 V (diciamo fin verso i 14V), poi passano alla corrente di mantenimento con una corrente bassa e la tensione a 13,6 V circa.
  Questi ovviamente sono i migliori perché portano la batteria al 100% nel minor tempo possibile, ma sono anche i più costosi

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Sapere lo stato di carica di una batteria
Si puo ricavare dalla densità dell'elettrolita (cioé della soluzione di acido solforico e acqua) secondo la tabella seguente:

Gradi Baumé o bé	Densità	Stato di carica
33	1,300	massima
31	1,275	alta
28	1,245	3/4 di carica
25	1,215	1/2 di carica
22	1,180	1/4 di carica
15	1,120	scarica completa

La densità si misura con un apposito strumento che contiene un "galleggiante"graduato. Più l'elettrolito è denso, più il "galleggiante", per il principio di archimede, emerge.Esistono densimetri commerciali molto economici adatti allo scopo. è utile, se si fa la misura, controllare tutti gli elementi per verificare che siano tutti allo stesso livello di carica.
Esiste anche la seguente tabella che mostra la percentuale di carica e la tensione ai morsetti.Per usarla serve obbligatoriamente un preciso voltmetro elettronico.

% CARICA	TENSIONE
99	12.91
90	12.80
80	12.66
70	12.52
60	12.38
50	12.22
40	12.06
30	11.90
20	11.70
10	11.42

Se invece notate che la tensione scende al di sotto degli 1,9 V per elemento quindi 11,4V per una batteria da 12, (escluso il momento dell'avviamento, dove può scendere per qualche istante anche a 6V) occorre RICARICARE al piu presto. la batteria è scarica e siamo in zona solfatazione.
Se invece siamo sicuri che la batteria è sufficientemente carica oppure è stata ricaricata da poco, allora significa che un elemento ci sta dicendo ...ciao ciao... in tal caso sostituirei la batteria appena possibile.... :-[
Usare bene una batteria:

• Non farla mai scaricare troppo, infatti si formerebbero reazioni chimiche irreversibili,solfatazione delle piastre) che riducono la capacità della batteria fino ad annullarla nei casi più gravi
• Non caricarla mai troppo o troppo rapidamente se non in caso di necessità (come già detto,si produrrebbero "ebollizioni" (pericolo) e calerebbe il livello dell'elettrolita, con aumento della concentrazione di acido solforico e danneggiamento degli ossidi di piombo (é comunque sufficiente ripristinare il livello aggiungendo acqua distillata)
• Non farle erogare mai troppa corrente (salvo l'avviamento che è inevitabile)
• Non lasciarla più di un mese senza carica (da questo punto di vista il generatore a vento o il pannello fotovoltaico sono molto utili, permettono di compensare ampiamente il fenomeno dalla autoscarica)
• Non lasciare il livello dell'elettrolita troppo basso: verificare di tanto in tanto che il livello del liquido sia normale ed in ogni caso che copra gli elementi al piombo: la porzione scoperta si solfata rapidamente.

Uso del densimetro:

• Si apre il tappo dell'elemento, si schiaccia la pompetta,si immerge il tubino nell'elettrolita,si aspira una quantità di elettrolita sufficiente a far galleggiare l'indicatore, si lascia assestare e si legge il valore.
• Le zone colorate evidenziano lo stato di carica dell'elemento.
• Si fa fuoriuscire il liquido dalla pompetta ripristinando il livello dell'elettrolita nell'elemento.
• Al termine delle misurazioni si risciaqua il densimetro, possibilmente con acqua distillata.
• Attenzione! Le gocce di elettrolita provocano ustioni sulle pelle e bucano i vestiti!
• Occorre misurare tutti gli elementi. Se si notano differenze significative di carica tra un elemento e l'altro ed il livello è corretto, allora conviene equilibrarne la carica lasciando collegato il caricabatterie un po' più del necessario così che anche gli elementi meno carichi abbiano la possibilità di portarsi al 100%.