8 maggio 2020
Non puoi giudicare una batteria da un singolo numero. L'errore più comune è credere che alta tensione significhi una batteria sana: una batteria rimasta sullo scaffale per sei mesi con un'autoscarica intensa può ancora mostrare una tensione a circuito aperto quasi completa mentre la sua capacità utilizzabile è ridotta della metà. Al contrario, una vecchia batteria con migliaia di cicli può mostrare una tensione accettabile ma abbassarsi al di sotto del limite sotto carico. Questi due esempi dimostrano che il giudizio su un singolo parametro porta inevitabilmente a una diagnosi errata: capacità, tensione e resistenza interna devono essere valutate insieme.
La capacità indica la quantità di energia che la batteria può ancora immagazzinare, generalmente espressa in ampere-ora (Ah), ovvero la carica totale erogabile in condizioni di scarica standard. La diminuzione della capacità è l'indicatore più diretto dell'invecchiamento della batteria. Una batteria da 100Ah che riesce a erogare solo 70Ah dopo tre anni ha uno stato di salute (SOH) del 70%. Il test di capacità richiede la scarica completa della tensione di interruzione, il che richiede molto tempo: in genere non è adatto per rapidi controlli giornalieri, ma essenziale per test di accettazione, indagini di manutenzione annuali e determinazione della fine del ciclo di vita.
La resistenza interna riflette l'impedenza all'interno della batteria, misurata in milliohm (mΩ). Ha tre componenti: resistenza di polarizzazione (dalla cinetica di reazione elettrochimica), resistenza ohmica (dalla resistività del materiale dell'elettrodo e dalle interfacce di contatto) e resistenza dell'elettrolita. Le nuove batterie in genere mostrano una resistenza interna di decine di milliohm o inferiore. Man mano che il conteggio dei cicli aumenta e l'elettrolita si esaurisce, la resistenza interna aumenta lentamente. L’intuizione fondamentale è che la resistenza interna e l’affievolimento della capacità non sono lineari: la resistenza cambia molto poco nella prima metà della vita, quindi accelera nella seconda metà. Nel momento in cui la capacità è visibilmente diminuita, la resistenza potrebbe essere già raddoppiata o più. Ciò rende la resistenza interna ideale per un allarme precoce piuttosto che per un giudizio finale.
La tensione è il parametro più intuitivo ma anche quello più facilmente frainteso. La tensione a circuito aperto (OCV) riflette solo lo stato di carica (SOC) – quanta energia rimane – non quanta la batteria può effettivamente fornire. Una batteria al piombo da 12 V a 12,6 V è completamente carica; a 12,0 V è circa il 75% SOC; a 11,4 V circa il 25% SOC; a 10,5 V è quasi esaurito. Ma SOC e SOH non sono la stessa cosa: una batteria con un SOC elevato e un'elevata resistenza interna scenderà al di sotto della tensione operativa nel momento in cui viene applicato il carico e l'apparecchiatura si spegnerà comunque. La tensione deve essere sempre interpretata insieme al carico, tramite test di carico o test di capacità, mai solo tramite la tensione a circuito aperto.
Applicazioni diverse richiedono approcci di test diversi e la scelta del metodo sbagliato fa perdere tempo e può trascurare problemi reali. Il test della capacità (scarica completa) è il gold standard per determinare lo stato della batteria, ma ha due prerequisiti: richiede lo scaricamento completo della batteria, il che significa mettere offline un sistema online; e impiega molto tempo: una batteria da 100 Ah scaricata a 5 A richiede 20 ore. Il test della capacità è appropriato per: accettazione di nuove batterie, indagini di manutenzione annuale, determinazione del fine vita prima della sostituzione della batteria e valutazione approfondita durante l'analisi dei guasti.
I test di resistenza interna sono rapidi, non distruttivi e possono essere eseguiti online. La misurazione richiede solo pochi secondi, non richiede la rimozione della batteria dal servizio e non necessita di carico di scarica. Ciò lo rende ideale per le ispezioni di routine: controlli mensili delle batterie nelle stazioni base delle telecomunicazioni, indagini trimestrali sulla resistenza interna dei banchi di batterie degli UPS e screening periodico delle batterie di backup dei data center. Confrontando la resistenza interna tra le singole celle di una stringa di batterie, è possibile identificare le celle deboli: se una cella mostra una resistenza superiore di oltre il 30% rispetto alla media del gruppo, merita attenzione anche se il suo valore assoluto rientra ancora nelle specifiche.
Un approccio intermedio è il test della tensione di carico: applicare un carico di breve durata e di corrente moderata (tipicamente decine di A per pochi secondi o decine di secondi) e misurare l'abbassamento di tensione. Questo è più informativo della tensione a circuito aperto ma molto più veloce del test della piena capacità, rendendolo adatto per la valutazione sul campo della capacità di una batteria di sopravvivere al momentaneo aumento di corrente all'avvio dell'apparecchiatura. Il tester per batterie di accumulo PK59A supporta questa modalità di test di carico: non è necessaria la rimozione della batteria né una scarica prolungata.
I test tradizionali sulle batterie utilizzavano tre dispositivi separati: un voltmetro per la tensione, uno strumento di scarica per la capacità e un misuratore di resistenza interno per la resistenza. I problemi sono evidenti: dispositivi multipli, cablaggi complessi, dati non correlati e risultati difficili da sintetizzare. Gli ingegneri sul campo hanno dovuto annotare tre letture separate, quindi inserirle in un sistema in ufficio. Qualsiasi errore in quella catena – trascrizione, immissione di dati o interpretazione – significava che i dati non erano allineati.
Il PK59A integra la misurazione di capacità, tensione e resistenza interna in un unico dispositivo portatile. Il suo approccio di misurazione principale utilizza una connessione a quattro fili (Kelvin) per la misurazione della resistenza interna, eliminando l'influenza della resistenza dei puntali. Un circuito di scarica standard integrato consente la verifica della capacità di scarica di breve durata quando necessario. La tensione viene campionata tramite un ADC ad alta precisione. Tutti e tre i parametri vengono visualizzati sulla stessa schermata, i risultati vengono correlati automaticamente e non è necessaria la trascrizione manuale.
In pratica, il PK59A aggiunge valore attraverso dettagli più fini. Supporta diverse tipologie chimiche di batterie (piombo-acido, ioni di litio, nichel-metallo idruro) tutte misurabili con un unico strumento, eliminando la necessità di strumenti specifici per la chimica. Memorizza i risultati dei test per il confronto con i dati storici. Il suo display fornisce un verdetto diretto – PASSATO/AVVERTIMENTO/FALLITO – anziché semplici letture grezze, consentendo al personale sul campo di valutare a colpo d'occhio lo stato della batteria. Dispone inoltre di compensazione automatica della temperatura, correggendo le letture in ambienti ad alta o bassa temperatura in modo che le condizioni ambientali non distorcano i risultati.
Nella pratica di test delle batterie sul campo, diversi errori ricorrenti causano perdite inutili. Comprenderli previene problemi reali. Il primo errore è misurare la tensione senza resistenza interna. Come discusso, la tensione riflette solo il SOC, non lo stato effettivo della batteria. Il personale addetto alla manutenzione, abituato a fidarsi della tensione (pensando che una tensione normale significhi una buona batteria), continua a operare con batterie la cui resistenza interna è già molto elevata, finché l'apparecchiatura non si guasta in un momento critico.
Il secondo errore è ignorare la coerenza delle stringhe della batteria. Una stringa di batteria è valida quanto la sua cella più debole. Se la resistenza interna varia in modo significativo tra le celle, la stringa scenderà al di sotto della tensione di interruzione durante la scarica ad alta corrente a causa dell'effetto barile, anche se ogni singola cella rientra nelle specifiche sulla resistenza assoluta. Quando si testa una corda, misurare sempre sia l'aggregato che ogni singola cella, prestando molta attenzione alle celle la cui resistenza si discosta di oltre il 30% dalla media del gruppo.
Il terzo errore è non riuscire a registrare e analizzare i dati. Molti membri del personale sul campo completano un test, leggono i numeri e se ne vanno: i dati non entrano mai nel sistema di manutenzione. Entro il successivo ciclo di test, non c'è modo di sapere cosa è cambiato nel frattempo. L'approccio corretto consiste nel registrare la resistenza interna e la tensione dopo ciascun test, costruendo un registro dello stato di salute in serie temporale per ciascuna cella. Una volta che una cella mostra un aumento accelerato della resistenza, è necessario programmarne la sostituzione prima che si guasti.
Il quarto errore è trascurare gli effetti della temperatura ambiente. La resistenza interna e la capacità della batteria dipendono fortemente dalla temperatura. Per le batterie al piombo, ogni aumento di 10°C riduce la resistenza interna di circa il 30% e aumenta la capacità di circa il 10%; a bassa temperatura avviene il contrario. Senza compensazione della temperatura, le letture della resistenza effettuate in stagioni diverse non sono comparabili. La funzione di compensazione della temperatura PK59A esiste appositamente per risolvere questo problema.
La manutenzione completa della batteria va oltre la semplice misurazione della tensione. Un flusso di lavoro di test completo dovrebbe includere: test di accettazione delle nuove batterie (confermando SOH iniziale al 100%), ispezioni periodiche della resistenza interna durante il servizio (trimestrale per uso generale, mensile per stazioni base per telecomunicazioni), controlli a campione annuali della capacità (scarica completa del 20% delle celle) e ispezioni rafforzate in aree con frequenti interruzioni di corrente.
Quando si selezionano le apparecchiature di prova, il prezzo da solo non dovrebbe essere il fattore decisivo. Un singolo dispositivo integrato che misura capacità, tensione e resistenza interna è più economico, più affidabile e richiede molto meno tempo rispetto a tre dispositivi a funzione singola. Il valore fondamentale di un dispositivo come il PK59A non è solo la precisione della misurazione: è la capacità di completare una valutazione completa della batteria in cinque minuti invece di due ore di cablaggio, scaricamento e trascrizione dei dati.
Gli acquirenti dovrebbero inoltre prestare attenzione ai dettagli facilmente trascurati nei materiali di marketing: se il dispositivo supporta l'esportazione dei dati per l'integrazione con il sistema di gestione della manutenzione; se i morsetti della batteria si adattano ai diversi tipi di terminali presenti sul campo; se è supportato il test online (senza rimozione); e se i servizi di garanzia e calibrazione sono adeguati: gli stessi strumenti di prova richiedono una calibrazione periodica. Questi dettagli determinano se il dispositivo verrà effettivamente utilizzato o finirà dimenticato in un cassetto. View the Battery Test Instruments Collection
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