Quando si studiano le caratteristiche relative allo stato di salute (SOH - state-of-Health) e lo stato di carica (SoC- State of Charge) delle batterie , possono essere osservati alcuni effetti interessanti e inquietanti - le caratteristiche sono complesse e non lineari. Peggio ancora, i parametri sono unici per ogni tipo di batteria. Questa complessità intrinseca rende difficile creare una formula per il test rapido che funziona per tutte le batterie.
Nonostante queste difficoltà apparentemente insormontabili, il test rapido per le batterie è possibile. Questo documento analizza il metodo con sei punti di test sviluppato da Cadex e attualmente utilizzati, che includono il test di carico e test di conduttanza AC.
Prova della batteria sotto carico
Il test a carico fornisce informazioni importanti della batteria: tensione della batteria a vuoto, tensione sotto carico e resistenza interna mediante la legge di Ohm (Vvuoto - Vcarico )/Icarico.
Le batterie a base di nichel dovrebbero sempre indicare una tensione aperta terminale di circa 1.1V/cell, anche se scarica. La reazione elettro-chimica dei diversi metalli nella cella genera questo potenziale di tensione. Una tensione inferiore può indicare un'alta autoscarica o un corto circuito parziale.
Le batteria a base di piombo deve sempre avere una carica di tensione da vuoto di 2.0 V/cella o superiore. Se scende sotto i 2 volt, è indice di uno strato di solfatazione che rende difficile la ricarica, se non impossibile. Una tensione di 2.10V/cella indica che la batteria è carica circa al 50%.
La tensione di una batteria al litio è in grado di fornire le condizioni di carica (SOC). Una cella completamente carica misura una tensione di 4.0V/cella mentre se la cella è parzialmente carica misura tra il 3,0 e quasi 4.0V/cella. Il test a carico si effettua prelevando corrente e misurando la tensione. La resistenza interna si calcola mediante la legge di Ohm (Vvuoto - Vcarico )/Icarico. Risultati più accurati sono ottenuti mediante due carichi diversi.
La Figura 1 illustra l’andamento della tensione nel tempo in funzione di due diverse correnti I1 e I2 relative a due carichi diversi.
Figura 1: test di carico DC.
Un abbassamento rilevante da vuoto a carico è sintomo di una alta resistenza interna.
Il test di conduttanza AC per le batterie
Un metodo alternativo per misurare la resistenza interna della batteria è il test di conduttanza elettrica. Una corrente alternata da 50 a 1000 Hertz è applicata ai morsetti della batteria.
La reattanza della batteria provoca uno spostamento di fase tra tensione e corrente, che rivela lo stato della batteria. La misura di conduttanza AC funziona meglio su singole celle.
La figura 2 mostra la relazione tra tensione e corrente su una batteria.
Figura 2: test a carico AC. Il metodo AC misura lo sfasamento tra tensione e corrente.
La reattanza della batteria e / o deviazioni di tensione sono utilizzati per calcolare l'impedenza.
Per alcune misure di resistenza AC si può valutare solo il fattore di carico e ignorare le informazioni sullo sfasamento.
Questa tecnica sovrappone alla tensione continua della batteria una tensione alternata che funge da carica e scarica breve in funzione dei semiperiodi positivi o negativi.
L'ampiezza del ripple è utilizzata per calcolare la resistenza interna della batteria.
Ci sono alcune discrepanze nelle letture di resistenza tra il “test a carico” e "prova di conduttanza AC". Le differenze sono più evidenti per batterie scadenti rispetto a batterie buone. In molti aspetti, la misura della conduttanza AC è superiore al test di carico, tuttavia, una singola frequenza non può fornire dati sufficienti per valutare adeguatamente la batteria.
Dispositivi di misura multi-frequenza sono in fase di sviluppo, ma la loro complessità aumenta in modo esponenziale con il numero di frequenze utilizzate.
Misurazione della resistenza, nel suo complesso, fornisce indicazioni solo parziali delle prestazioni della batteria perché condizioni della batteria diverse influenzano le letture.
Ad esempio, una batteria che è appena stata utilizzata mostra una maggiore resistenza misurata rispetto ad una batteria che ha riposato per qualche ora.
Anche una batteria scarica o quasi mostra elevata resistenza interna.
Per ottenere letture affidabili, una batteria deve essere carica almeno al 50%.
La temperatura influisce ulteriormente nella misura di resistenza interna.
Una batteria calda a temperatura ambiente offre una resistenza inferiore rispetto ad una che si trova al freddo.
Inoltre, la chimica, il numero di celle collegate in serie di una batteria influenzano i risultati.
Molte batterie contengono anche un circuito di protezione che falsa ulteriormente le letture.
Il Cadex QuickTest ™
Cadex Electronics ha sviluppato un metodo per misurare lo stato di salute (SOH) di una batteria in 3 minuti. QuickTest ™ utilizza un brevetto basato su un algoritmo che analizza i dati provenienti da 6 variabili, che sono: capacità (Ah), resistenza interna, autoscarica, accettazione della carica, le capacità di scarica e la mobilità degli elettroliti.
I dati sono combinati con un trend di algoritmi di apprendimento per fornire una lettura accurata.
La Figura 3 illustra la struttura generale di una tale rete.
Figura 3: Struttura generale del QuickTest Cadex ™
Più variabili sono a disposizione dal microcontrollore, 'fuzzified' (FUZZY) ed elaborate attraverso una logica parallela.
Le informazioni sono una media ponderata in base all'applicazione della batteria.
QuickTest ™ è integrato nell’analizzatore di batterie della serie Cadex C7000 per l’analisi di batterie al nichel, al litio e al piombo utilizzate per ricetrasmittenti, telefoni cellulari, computer portatili, scanner e dispositivi medici.
Gli analizzatori sono programmabili dall'utente e sono in grado anche di eseguire, ricondizionamento, ricarica rapida, test sulla durata e aumentare le funzioni.
QuickTest ™ utilizza specifiche matrici con dati pre-impostati oppure di auto apprendimento archiviate durante precedenti test..
La capacità di imparare permette di adattarsi alle nuove batterie esistenti in commercio.
Ogni tipologia di batterie ha i suoi adattatori che includono matrice standard.
Se manca, la matrice può essere aggiunta mediante la scansione di due o più batterie in un programma di auto apprendimento dell'analizzatore.
Il livello di carica necessaria per eseguire QuickTest ™ è del 20-90%, se fuori di questo intervallo, l'analizzatore applica automaticamente un breve carica o scarica.
Qual è la definizione di stato di salute (SoH) e quando la batteria deve essere sostituita?
SoH rivela le condizioni generale della batteria in base alle variabili di cui sopra, che sono la capacità, la resistenza interna, corrente di autoscarica, accettazione della carica, le capacità di scarica e la mobilità di elettroliti. Se una qualsiasi di queste variabili forniscono letture marginale, il risultato finale sarà influenzato. Una batteria può avere una buona capacità, ma la resistenza interna è elevata.
In questo caso, la lettura di fine rapporto di integrità sarà abbassato di conseguenza.
Sarà abbassato pure se la batteria ha un alta autoscaricamento o presenta carenze chimiche.
La batteria deve essere sostituita, se il rapporto di integrità scende sotto il 80%.
DOMANI la seconda parte
Alcuni anni fa in un progetto di una sirena antifurto da esterno avevo necessita di controllare periodicamente lo stato di efficienza della batteria al piombo. Per chi non lo sapesse la batteria al piombo è fondamentale nelle sirene da esterno, perche, in caso di allarme viene esclusa l’alimentazione (come se venissero tagliati i fili e quindi garantendo sicurezza anche in questo caso) e quindi tutta la potenza viene fornita dalla batteria. Si usava una batteria al piombo da 12V 7Ah.
Fortunatamente avevo a disposizione un microcontrollore (una delle prime sirene a microcontrollore 🙂 e quindi mi mancava solo un carico….
La soluzione fu:
– monitorare la tensione sulla batteria (escludendo l’alimentazione) tramite ad converter
– monitorare la corrente sotto carico sempre tramite ad converter
– sfruttare il lampeggiatore della sirena come carico
– analizzare la caduta di tensione relativamente alla corrente assorbita
– analizzare la curva di risalita della tensione una volta eliminato il carico
La soluzione fu quindi di far lampeggiare la sirena, ma un lampeggio breve, circa 1 secondo (calcolato al limite del tempo sufficiente per far surriscaldare il filamento della lampadina del lampeggiatore, anche a basse temperature esterne) ogni 5 minuti, quindi una “esistenza in vita”. Prima del lampeggio veniva tolta alimentazione e quindi effettuate le suddette misurazioni, poi analizzate dal microcontrollore.
Geniale…!! Complimenti per l’idea Emanuele! Non si finisce mai di imparare dall’esperienza altrui! 😉
Stabilivi un tempo massimo di ritorno alla tensione nominale per capire lo stato della batteria o analizzavi l’intera curva di risalita?
Analizzavo il tempo di risalita alla tensione nominale, più era lungo meno la batteria era efficiente, mi sembra di ricordare che una batteria in piena efficienza ha un tempo di risalita molto veloce (relativamente al carico applicato).
Anche la discesa (della tensione) veniva acquisita ma il fattore chiave mi ricordo era la risalita.
Analizzavo il tempo di risalita, vedi commento precedente.
Le azioni intraprese, una volta accertata la batteria non_efficiente era di fare un doppio lampeggio, quindi l’esistenza in vita raddoppiava (o triplicava) il tempo (preservando quindi la batteria) ed invece del lampeggio di 1 sec (tutto ok) faceva un doppio lampeggio piu breve (sostituire batteria).
Quella di Emanuele è una bella idea simile a quella che negli anni ’70 mi era venuta quando ero stato sollecitato dal problema ma allora giocavo sì con il micro 8080, che programmavo in ottale, ma di certo era impensabile utilizzarlo per tale scopo.
Poi però l’idea è rimasta solo nella mente e non ho più sperimentato nulla. Era comunque mia intenzione di allora usare un transistore (oggi sicuramente meglio un MOSFET) collegato a collettore comune con R di shunt e pilotato con brevissimi impulsi dell’ordine di 100 uS e valutare poi sia la caduta di tensione sullo schunt per risalire alla corrente impulsiva sia la tensione di batteria e misurarne il delta V (Vvuoto-Vcarico) per poi risalire alla R interna.
Solo nel 2000 ho trovato un’Application Note di MAXIM che metteva in pratica, anche se in modo un po’ diverso, qualcosa di simile. L’altro giorno dopo questo articolo sulle batterie seguito dalla seconda parte (che uscita domani), ho pensato di ricercare sul sito MAXIM quel articolo ma non ho più trovato traccia.
Avevo stampato comunque lo schema di principio che fra le varie carte ho ritrovato e mi ha permesso di stendere un terzo articolo che sarà in linea il giorno 20 DIC. che illustra tale principio per la misura dell’impedenza interna di una batteria.
Ciao volevo fare una domanda….
Oggi sabato 11 ho notato che la batteria(12V 120Ah 300A) d’avviamento del motore diesel mi dava 10V…..
Cos’è successo????
Visto che giovedì 09 ho messo in moto il diesel ed è partito tranquillamente…
Ditemi che posso fare..
Ho provato a mettere la batteria sotto carica con 12V e con assorbimento di 10A (letto sull’amperometro dello strumento) e subito la batteria si è messa a bollire
(con una tensione di 13.56V) tranne un cella
Hai una cella delle 6 in cortocircuito