TEMPO DI CARICA E SCARICA DI UNA BATTERIA

        

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PREMESSA

In linea generale le batterie si possono dividere in due categorie: Primarie e Secondarie.

  • Le primarie sono quelle che non possono essere ricaricate dopo il loro utilizzo e di solito vengono chiamate “pile” che trasformano in energia elettrica, e nel caso di quelle chimiche, la variazione di energia libera che accompagna una reazione spontanea di ossidoriduzione.

  • Le batterie secondarie, o accumulatori, trasformano l’energia chimica in elettrica durante il processo di scarica e funzionano come le pile, e l’energia elettrica in energia chimica durante il processo di carica. Per cui la carica può essere completamente ristabilita attraverso l’applicazione di un’adeguata energia elettrica.

BATTERIE O ACCUMULATORI

Una batteria, potrebbe essere un qualunque dispositivo che immagazzina energia per utilizzarla successivamente. La parola batteria identifica un apparato elettrochimico che converte l’energia chimica in energia elettrica, mediante l’uso di una cella galvanica.

Una cella galvanica è un sistema costituito da due elettrodi (un anodo e un catodo) e una soluzione di elettrolita. La tensione di una cella galvanica di una batteria al piombo è tipicamente di 2 Volt ed è costituita da una o più celle galvaniche.

Lo scopo delle batterie non è quello di produrre elettricità ma di accumulare o immagazzinare l’elettricità. Le reazioni chimiche all’interno delle batterie variano a seconda che l’energia elettrica venga immagazzinata o rilasciata. Nelle batterie ricaricabili come a esempio quelle al piombo, il processo può essere ripetuto più e più volte. Tipicamente le batterie non offrono un’efficienza del 100% ma si attesta su valori inferiori. Questo significa che un po’ di energia viene persa sotto forma di calore durante le reazioni chimiche di carica e scarica.

TEMPO DI CARICA DI UNA BATTERIA

Per calcolare il tempo di carica di una batteria si deve tenere conto dell’efficienza, che in una normale batteria a liquido è di circa dell’80%. Per cui se scarichiamo 100 Ah ne dovremo caricare 120 per poter estrarre nuovamente 100 Ah. Le batterie a Gel o AGM hanno un’efficienza più alta dall’85% al 90%, quindi ci sono meno perdite e il tempo di carica è inferiore. Nelle batterie agli Ioni di Litio l’efficienza è del 95%.

Un altro fattore da tenere presente che quando si calcola il tempo di carica l’ultimo 20% del processo (dall’80% al 100%) richiede circa 4 ore per le batterie a liquido, Gel, e AGM (non vale per le batterie al Litio).

Nella seconda fase, chiamata Absorption, è il tipo di batteria che determina la quantità di corrente assorbita indipendentemente dal caricabatteria (anche questo non vale per le batterie al Litio).

TENSIONE DI CARICA

A scopo puramente informativo vi riporto i valori limiti della tensione di carica che viene applicata alle batterie più usate alla temperatura di 25 °C. Alle altre temperature deve essere prevista una compensazione. A esempio per le batterie al piombo se a 25°C la tensione massima è di circa 2,40V/elemento, a 15°C diventa 2,445 V/elemento, e a 35°C è di 2,335 V/elemento (di norma una batteria al piombo da 12 Volt ha 6 elementi, quella a 24 Volt 12 elementi)

Per le batterie al Gel (2, 12 Volt) o AGM (6, 12 Volt) si deve utilizzare per la carica una tensione di 14,25 Volt per impianti a 12 Volt e 28,5 Volt per impianti a 24 Volt. La fase di Absorption è seguita dalla fase di Float che riduce la tensione a 13,8 Volt per il 12 Volt e 27,6 Volt per impianti a 24 Volt.

Per batterie a piombo liquido, la tensione di Absorption è 14,25 Volt per il 12 Volt e 28,5 Volt per impianti a 24 Volt. La tensione di Float per questo tipo di batterie è 13,25 Volt per sistemi a 12 Volt e 26,6 Volt per impianti a 24 Volt.

Le batterie agli Ioni di Litio sono caricate con una tensione di Absorption pari a 14,25 Volt per il 12 Volt e 28,5 Volt per impianti a 24 Volt. La tensione di Float è rispettivamente 13,5 Volt e 27 Volt per impianti a 12 Volt e 24 Volt.

Riassumendo, la batteria si può considerare carica quando la tensione ai suoi morsetti è di 14,4 Volt per la batteria a 12Volt, e 28,8 Volt per la batteria a 24 Volt.

CORRENTE DI CARICA

Come regola generale per la carica delle batterie al Gel o AGM la corrente minima deve essere tra il 15 e il 25 % della capacità della batteria. Se durante la carica continuiamo ad alimentare le utenze collegate il consumo deve essere aggiunto. Il che significa che se avessimo un banco di batterie da 400 Ah e sono collegate utenze che assorbono 10 ampere, il caricabatteria deve erogare tra i 70 e i 90 A per poter caricare le batterie in un tempo ragionevole.

La massima corrente di carica è il 50 % per batterie al Gel e il 30 % per batterei AGM. Le batterie agli Ioni di Lito possono sopportare correnti molto più alte, ma si raccomanda una corrente di carica massima pari al 30 % della capacità.

Per esempio: una batteria agli Ioni di Litio da 180 Ah,  la massima corrente di carica consigliata è di 54 Ampere (30% di 180 Ah= 54A).

FORMULA PER IL CALCOLO DEL TEMPO DI CARICA DI UNA BATTERIA

PER BATTERIE GEL O AGM

LT=(Co*Eff./AI-Ab)+4h

PER BATTERIE AL LITIO

LT=(Co*Eff./AI-Ab)

LT= Tempo di carica

Co= Capacità prelevata dalla batteria

Eff.= Efficienza: 1,1 per batterie al Gel; 1,15 per AGM; 1,2 per batterie al liquido (es. Litio).

AI= Corrente del caricabatterie

Ab= Consumo degli apparati durante la carica

Es. Una batteria con una capacità di 800 Ah. Se fosse di tipo AGM avrebbe una efficienza di 1,15 e una corrente massima del carica batteria 240 A (30% della capacità=240 A), il tempo di carica, senza nessun apparato collegato, sarebbe:

LT=(Co*Eff./AI)+4h= (800*1,15 / 240)+4= 7,8

Dato il tempo in ore e decimi di ora, si separa la parte intera dalla parte decimale: 7 ore + 0,8 ore

e si moltiplica per 60, ottenendo i minuti: 0,8 *60= 48

Perciò il tempo di carica sarà di 7 ore e 48 minuti

Un calcolo approssimativo ed empirico del tempo di carica di una batteria con una capacità di 800 Ah, potrebbe essere a esempio dividere la capacità della batteria per la corrente di carica che per non danneggiarla dovrà essere, come visto in precedenza, circa il 30% della capacità: per cui 240 A, e il tempo di carica sarà: 800/240=3 ore circa, e se aggiungiamo le 4 ore diventeranno 7 ore, che si avvicinano al risultato della formula.

TEMPO DI SCARICA DI UNA BATTERIA

In quanto tempo si scarica la batteria quando i pannelli solari non forniscono energia? Potrebbe sembrare semplice usando questo metodo: dividere la capacità della batteria per la corrente di scarica (t= Ah/Is).

Esempio:

Avendo a disposizione una batteria con una capacità di  100 Ah e la dividiamo per la corrente di scarica, che stimiamo in 10 Ampere, si avrà che:

t= Ah/I= 100 Ah/10A= 10 ore circa. 

Nella pratica questi calcoli, anche se vicini alla realtà, sono quasi sempre errati.

 I produttori specificano sempre la capacità di una batteria in Ah e la velocità di scarica.

Esempio una batteria con una capacità di 100 Ah e un indice C20, la batteria erogherà 5 A per 20 ore (I=Ah/t= 100/20=5 A). Se aumenta la velocità di scarica la capacità diminuisce.

Per il calcolo del tempo di scarica si può usare la legge di Peukert che indica una relazione di potenza tra la corrente di scarica e la capacità erogata in un determinato lasso di tempo, mentre la costante k dipende dal tipo di batteria (batteria al gel=1,2k; al piombo= 1,05k; AGM= 1,1k).

La Legge di Peukert non si applica alle batterie agli Ioni di Litio, perché il carico collegato non ha effetto sulla capacità disponibile.

Dove: t= tempo effettivo di scarica in ore; H= tempo stimato in ore; I = corrente effettiva di scarica in Ampere; k= costante di Peukert.

Esempio: se avessimo una batteria dalla capacità di 100 Ah, e una corrente di scarica pari a 10 A, e la costante k di 1,2; e un indice C20 avremo un tempo di scarica di:

Il numero decimale 7 non sono minuti ma decimi di ora, per cui dovremo separare la parte intera dalla parte decimale: 8 ore + 0,7 ore; e moltiplicare la parte decimale per 60 e avremo i minuti: 0,7 * 60= 42 minuti.

Perciò il tempo di scarica sarà di 8 ore e 42 minuti. 

 

Per cui fornirebbe 84,2 Ah anziché 100 Ah (C=I*t= 10*8,42=84,2 Ah).

Potrebbe sembrare che secondo la legge di Peukert una parte di energia venga persa a esempio per il calore, ma non è così, infatti se togliamo il carico la tensione della batteria si ripristina e sarà possibile di nuovo prelevare energia. Questo perché la legge si applica nello specifico alle batterie che vengono scaricate con una corrente costante fino alla tensione di interruzione. Per cui la batteria non sarà più in grado di erogare quella corrente senza scendere sotto la tensione di taglio. Ed è per questo motivo che viene considerata scarica anche se rimane energia disponibile.

Esempio:

Una batteria con una capacità di 200 Ah e un indice C20 sarà completamente scarica dopo 20 ore erogando una corrente di 10 Ampere (I=Ah/t=200/20=10 A).

Se questa erogasse 20 A si sarebbe scaricata in 10 ore (t=Ah/I=200/20=10 ore), pertanto ha sfruttato solo 100 Ah (Ah=I*t= 10*10=100). Questo significa che sarà caricata quasi completamente se gli forniamo 100 Ah, mentre la stessa batteria se viene scaricata con una corrente di 10 A sempre con indice C20 e durava 20 ore sarà completamente carica se gli forniamo 200 Ah.

Se una batteria viene scaricata più velocemente si ripristina nel tempo e la capacità residua può essere recuperata dopo che la batteria sia stata lasciata a riposo per diverse ore.

La capacità residua può essere utilizzata riducendo la corrente. A esempio: quando la batteria raggiunge la tensione di stacco a 200 Ah, basta ridurre la corrente per mantenere la tensione al valore di stacco, questo consentirà di prelevare dalla batteria quasi tutta la capacità mancante.

Questi effetti si spiegano perché la tensione di una batteria scarica aumenta di nuovo quando viene tolto il carico, e perché è possibile scaricare ulteriormente la batteria dopo un certo periodo di tempo senza caricarla (esempio: riaccendere una torcia dopo che la batteria si sia scaricata).

La tensione finale di scarica, viene stabilita ad un valore inferiore di circa 0,2 – 0,3 Volt rispetto al valore di tensione nominale, il valore consigliato è: 11,8 per la batteria a 12 Volt, e 23,6 per la batteria a 24 Volt.

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