XD

Rigenerazione automatizzata per carica e scarica di batterie di trazione: meccanismo, parametri e verifica.

Sintesi. Il recupero delle batterie ha un problema di immagine. Il mercato è saturo di desolfatatori a impulsi e di additivi venduti con la promessa che una scatola nera collegata a un morsetto riporterà in vita una batteria esaurita. Molto pochi sono sostenuti da prove controllate.

Il recupero reale della capacità, invece, è elettrochimica ordinaria, e lo scaricatore XD e il caricabatterie XMV lo applicano in un modo completamente documentato e, ciò che più conta, completamente misurabile. I manuali non descrivono una forma d’onda proprietaria. Descrivono qualcosa di molto più utile: una macchina a stati programmabile che alterna carica controllata e scarica controllata per un numero definito di cicli e registra gli amperora recuperati a ogni passo.

Questa distinzione è l’intero argomento dell’articolo. Un processo di recupero che non si può quantificare è un’affermazione. Un processo di recupero delimitato da prove di capacità calibrate è un risultato ingegneristico.

1. Perché le batterie perdono capacità

Prima di decidere se una batteria si può recuperare, occorre sapere che cosa le succede realmente. In un elemento al piombo-acido la perdita di capacità si divide in due categorie, e solo una delle due è reversibile.

Meccanismi reversibili

Solfatazione. Durante una scarica normale il piombo e il biossido di piombo reagiscono con l’acido solforico e depositano solfato di piombo (PbSO₄) su entrambe le piastre. Non è un difetto: è il modo in cui la batteria funziona. Il difetto compare quando la batteria resta parzialmente scarica, viene caricata in modo cronicamente insufficiente o viene immagazzinata senza manutenzione. Il PbSO₄ fine e amorfo che si forma nel ciclaggio ordinario ricristallizza poco a poco in una struttura grossolana, densa ed elettricamente isolante. Una volta cristallizzato non si dissolve più alle normali tensioni di carica. La superficie di piastra è ancora fisicamente presente, ma resta mascherata. La capacità cala, la resistenza interna sale e l’accettazione di carica crolla. Il meccanismo è esaminato più in dettaglio nel nostro articolo su il problema della solfatazione.

Stratificazione dell’elettrolita. Negli elementi a elettrolita libero l’acido più denso prodotto durante la carica scende verso il basso. La zona inferiore della piastra finisce in elettrolita concentrato e quella superiore in qualcosa di più simile all’acqua. La parte bassa si corrode più rapidamente; quella alta lavora meno. La batteria si comporta come se avesse perso capacità, ma non c’è alcun danno permanente.

Squilibrio tra gli elementi. In una serie gli elementi si disallineano. L’elemento più debole raggiunge per primo la propria tensione di taglio e chiude la scarica di tutta la serie mentre gli altri conservano ancora carica. La capacità della serie è fissata dall’elemento peggiore, non dalla media.

Meccanismi irreversibili

• Distacco della materia attiva. La pasta della piastra positiva si stacca e si accumula sul fondo del contenitore. La materia che ha abbandonato la piastra non può esservi riportata per via elettrica.
• Corrosione della griglia. La griglia di piombo si ossida nel corso della vita della batteria. Quando perde integrità meccanica o elettrica, l’elemento è finito.
• Perdita d’acqua ed essiccamento. L’elettrolita perso per sovraccarica o per temperatura elevata non può essere reintegrato in una batteria sigillata.
• Cortocircuiti interni. Il cedimento del separatore o il ponte formato dalle dendriti cortocircuita un elemento. Nessun profilo di carica corregge questo difetto, e trattare un elemento cortocircuitato comporta un rischio termico.

2. Architettura del sistema

La configurazione rigenerativa consiste in due armadi indipendenti che condividono una batteria e una relazione di controllo. Il manuale dell’XD la definisce esplicitamente sistema rigenerativo (caricabatterie + scaricatore) e le riserva due parametri dedicati.

3. L’XD: stabilire il riferimento reale

L’XD esegue una scarica controllata in cui la corrente è mantenuta costante da un convertitore CC/CC ad alta frequenza, con MOSFET nelle unità minori e IGBT in quelle maggiori. Questa architettura conta più di quanto sembri.

Un banco di carichi resistivi assorbe una corrente proporzionale alla tensione. Man mano che la batteria si scarica e la tensione ai morsetti cala, la corrente cala con essa: la prova «a corrente costante» deriva e gli amperora calcolati dipendono dal comportamento della batteria e non da una condizione di prova fissa. I risultati non sono confrontabili tra batterie diverse, né fra due prove sulla stessa batteria. Il carico elettronico attivo dell’XD mantiene la corrente programmata dal primo all’ultimo secondo, indipendentemente dalla tensione ai morsetti.

Il funzionamento è completamente automatico. L’operatore collega la batteria e fissa tre limiti — corrente di scarica, tensione finale e tempo massimo — più un obiettivo opzionale di amperora. La prova termina appena viene raggiunto il primo di essi.

Le condizioni di prova raccomandate sono la prova di trazione normalizzata

Conviene renderlo esplicito, perché non si deduce a prima vista dalle tabelle stesse. Tutte le correnti della tabella delle correnti raccomandate del manuale dell’XD sono esattamente C₅/5, il regime di cinque ore. Tutte le tensioni di arresto della tabella corrispondente sono esattamente 1,70 V per elemento. Insieme, queste due convenzioni costituiscono la classica prova di capacità delle batterie di trazione al piombo-acido. Utilizzare l’XD con le impostazioni raccomandate produce quindi un valore direttamente confrontabile con la capacità nominale C₅ di targa del costruttore, e non un numero interno arbitrario.

Tabella 1. Corrente di scarica raccomandata (manuale dell’XD). Tutti i valori sono C₅/5.

Tabella 2. Tensione di arresto raccomandata (manuale dell’XD), con il valore per elemento dedotto. La convenzione di 1,70 V/elemento si mantiene su tutto il campo.

Che cosa registra l’XD

Durante la prova, premendo SET il display scorre la corrente (A), la capacità scaricata (Ah), il tempo trascorso (ore e decine di minuto) e la tensione della batteria (V). Altre pagine mostrano lo stato della scarica, la temperatura della batteria se è installata la sonda opzionale e lo storico.

La memoria interna conserva gli ultimi 150 cicli, accessibili in qualsiasi momento, anche con una scarica in corso. Ogni registrazione occupa tre pagine:

Tabella 3. Struttura della registrazione dello storico dell’XD.

Una memoria di 150 cicli non è un dettaglio casuale. Un’intera campagna di rigenerazione di 20 cicli su sette batterie vi entra senza sovrascrivere nulla, così che in seguito è possibile ricostruire un intero lotto di officina a partire dallo strumento stesso.

Programmazione oraria e protezioni

• Finestra dell’ora di inizio (00:00–23:59, per difetto la giornata intera). Se una batteria viene collegata fuori dalla finestra, l’XD attende in stand-by fino all’ora di inizio programmata. Una volta iniziato il ciclo, la finestra non viene più considerata. Serve a spostare le scariche di maggiore assorbimento nelle ore di minor carico o nella notte.
• Temperatura massima (45–70 °C, per difetto 60 °C, oppure disattivata). Richiede la sonda opzionale: un termistore NTC da 100 kΩ a 25 °C in una guaina di acciaio inossidabile 316, con campo da −50 a +90 °C.
• La protezione contro l’inversione di polarità è attiva: una batteria collegata al contrario lascia l’unità in stand-by sicuro invece di danneggiarla.
• La protezione antiarco è disponibile come opzione e richiede un connettore di batteria con pin ausiliari e un anello di filo.
• La mancanza di rete CA spegne l’unità; al ripristino attende che l’operatore lanci un nuovo ciclo invece di riprendere automaticamente.

4. L’XMV: il trattamento programmabile

L’XMV è un caricabatterie controllato da microprocessore costruito sulla scheda di controllo GE00. La sua uscita in CC segue curve di carica programmate; il prodotto base realizza le caratteristiche convenzionali IUIa e IUoU secondo DIN 41774, e l’unità è certificata secondo UL 1564 (4ª ed., 2015) e CSA C22.2 No. 107.2-01-R2011.

Ciò che lo rende uno strumento di recupero, e non semplicemente un caricabatterie di grande potenza, è l’editor dei profili.

Otto profili, sei passi ciascuno

L’XMV conserva otto profili programmabili, designati dalla A alla H. Ogni profilo comprende sei passi configurabili in modo indipendente e, per ogni passo, l’operatore fissa quattro cose:

1. Tipo di passo: corrente costante (I=K), tensione costante (V=K) oppure pausa (P)
2. Tempo massimo del passo
3. Corrente di uscita in CC: la corrente costante in un passo I=K, oppure la soglia di corrente minima in un passo V=K
4. Limite di tensione: il tetto in un passo I=K, oppure il valore regolato in un passo V=K

Questo è il dato rivelatore del manuale. Su questa piattaforma la desolfatazione non è una forma d’onda proprietaria opaca: è una sequenza di sei stati che l’operatore costruisce, documenta e ripete. La fisica che sfrutta è ben consolidata: mantenere la batteria a tensione elevata controllata e a corrente bassa per un periodo prolungato, così che il PbSO₄ cristallizzato si riconverta poco a poco mentre una gassificazione controllata agita l’elettrolita e annulla la stratificazione. I vincoli ingegneristici sono la temperatura e la velocità di gassificazione. Il valore di una macchina programmabile a sei passi sta nel mantenere il trattamento dentro la finestra in cui la conversione avviene e il danno no, e nel fatto che il profilo che ha funzionato può essere applicato identico alle cento batterie successive.

Limiti globali e accesso

Tabella 4. Parametri programmabili dell’XMV (livello utente e amministratore).

Esistono due livelli di accesso, ai quali si arriva tenendo premuto STOP/RE-START per cinque secondi e introducendo poi una sequenza di tasti: quattro pressioni di EQ per la programmazione utente e quattro pressioni di SPECIAL FUNCTION per la programmazione di fabbrica o di assistenza. I valori si modificano tenendo premuto SPECIAL FUNCTION per tre secondi, fino a quando il cursore lampeggia.

La scheda di controllo viene fornita in quattro configurazioni di comunicazione, dalle quali dipende se una campagna di rigenerazione possa essere registrata in modo centralizzato o soltanto letta sul pannello:

Tabella 5. Configurazioni della scheda di controllo GE00.

Le opzioni di display sono indicate come suffisso: 2L per un display remoto e 4D per uno integrato; per esempio GE00/P/4D.

5. Modo di rigenerazione: i due parametri che contano

Il manuale dell’XD raccoglie due parametri sotto un titolo esplicito: parametri speciali per sistema rigenerativo (caricabatterie + scaricatore). Sono il meccanismo per cui il recupero diventa un processo automatizzato invece di una successione di interventi manuali.

Tabella 6. Parametri di rigenerazione dell’XD.

Il manuale fornisce direttamente la regola di dimensionamento del secondo parametro, e conviene seguirla alla lettera: prendere il tempo massimo di carica e aggiungere due ore, perché la batteria si sia raffreddata prima che inizi la scarica successiva.

Perché ciclare e perché la tendenza è la prova

Un solo trattamento estrae raramente tutto il miglioramento disponibile. Ogni ciclo converte una frazione ulteriore del solfato cristallizzato e ristabilisce progressivamente lo sfruttamento della materia attiva. Ma il prodotto più importante del ciclaggio è la tendenza.

6. Un protocollo di lavoro

La sequenza che segue presuppone familiarità con le due operazioni di base; per ripassare i fondamenti esistono guide separate su come scaricare una batteria e su come testare la batteria.

Tabella 7. Protocollo fase per fase.

7. Lettura della diagnostica

Entrambe le unità mostrano condizioni direttamente utili per il triage. L’allarme non è un semplice codice di guasto: su questa piattaforma è spesso la prima indicazione di quale modo di guasto è presente.

Tabella 8. Messaggi di allarme e loro significato diagnostico.

8. Sicurezza e installazione

Non interrompere mai una connessione attiva

Entrambi i manuali sono categorici. Non si deve scollegare la batteria mentre è in corso una carica o una scarica: si possono produrre un arco elettrico, la bruciatura dei contatti del connettore o l’esplosione della batteria. Sull’XD, tenere premuto UP per cinque secondi per arrestare il processo; il display mostra MANUAL STOP. Sull’XMV, premere STOP/RE-START e attendere che i LED rosso, verde e blu smettano di lampeggiare: un colore fisso indica che si può scollegare. Prima di collegare o scollegare, accertarsi che il display digitale dello scaricatore sia completamente spento.

Involucro ambientale: l’XD è il vincolo determinante

Tabella 9. Condizioni di funzionamento a confronto. In un’installazione combinata prevale il valore più restrittivo.

Entrambe le unità sono destinate esclusivamente all’interno. Nessuna delle due può essere esposta a pioggia, umidità, polvere o sostanze corrosive, e nessuna deve essere installata vicino a materiali infiammabili o in presenza di gas infiammabile.

Distanze libere

Tabella 10. Distanze libere di installazione secondo i rispettivi manuali.

Installare su pavimentazione non combustibile. Quando ciò non è possibile, il manuale dell’XD richiede una piastra di acciaio di almeno 1,6 mm che sporga di almeno 150 mm dall’armadio su tutti i lati. Non collocare mai nessuna delle due unità direttamente sopra o sotto la batteria su cui si lavora: i gas e i fluidi della batteria corrodono l’apparecchiatura. Conviene allontanarle dalla batteria quanto lo consentono i cavi CC, senza prolungare tali cavi.

Messa a terra

L’armadio deve essere correttamente messo a terra, con un conduttore di protezione di portata almeno pari a quella dei conduttori di ingresso CA. Quando è disponibile solo l’alimentazione trifase, l’apparecchiatura monofase si collega unicamente a due conduttori della linea trifase: il conduttore di terra dell’apparecchiatura non deve mai essere collegato al terzo conduttore attivo, perché ciò metterebbe in tensione la carcassa e può provocare una scossa mortale. L’installazione e l’assistenza sono riservate a personale qualificato.

9. Limiti, detti con chiarezza

Qualsiasi fornitore che assicuri che tutte le batterie si possono recuperare sta vendendo qualcosa. La posizione onesta:

• La solfatazione risponde; il danno meccanico no. La materia attiva distaccata, le griglie corrose, gli elementi sigillati essiccati e i cortocircuiti interni sono irreversibili.
• Il recupero è parziale. I risultati realistici sui buoni candidati arrivano a circa il 70–90 % della capacità nominale, non al 100 %. La letteratura pubblicata sul recupero chimico e a carica inversa di batterie fortemente solfatate riporta valori vicini all'80 % della capacità di un’unità nuova.
• Il tempo conta. Una batteria solfatata da anni è molto meno recuperabile di una solfatata da mesi; la crescita dei cristalli è progressiva e, in larga misura, a senso unico.
• Recuperare non è rinnovare. Una batteria recuperata ha già consumato la maggior parte della sua vita di progetto. Si può attendere un servizio aggiuntivo utile, non una seconda vita completa, e il servizio che si ottiene dipende dalla manutenzione delle batterie industriali successiva.
• Il campo di applicazione per chimica va confermato caso per caso. Il manuale di servizio dell’XMV circoscrive il caricabatterie alle batterie di trazione al piombo-acido a elettrolita libero, e i suoi profili convenzionali seguono la DIN 41774. L’editor a otto profili e sei passi e il tetto di tensione per elemento fino a 3,54 V/elemento vanno chiaramente oltre quell’involucro, ma qualsiasi applicazione fuori dal piombo-acido a elettrolita libero deve essere confermata per iscritto con il costruttore prima di impegnarsi, tanto per motivi di garanzia quanto tecnici.
• La misura è il prodotto. Senza una prova di capacità calibrata prima e dopo, il «recupero» è un’opinione. Per questo l’XD non è un accessorio dell’XMV: è la metà del sistema che rende credibile l’altra metà.

10. Specifiche riassuntive

Scaricatore / analizzatore / ciclatore XD

Armadio TD: 335 mm di larghezza × 690 mm di profondità × 530 mm di altezza (756 mm con la tastiera rialzata). Conversione di potenza mediante convertitore CC/CC ad alta frequenza, con MOSFET nelle unità minori e IGBT in quelle maggiori. Storico di 150 cicli. Protezione contro l’inversione di polarità di serie; protezione antiarco opzionale.

Caricabatterie e condizionatore multitensione XMV: gamma trifase

Armadio TL: 483 × 530 × 929 mm (19,0 × 20,9 × 36,6 in). Armadio TP: 560 × 712 × 1210 mm (22,0 × 28,0 × 47,6 in).

Ingresso CA e protezioni per l’Europa

Tabella 11. Rete 400/415 V CA ±10 %, trifase. Interruttore automatico di curva D, fusibile di tipo gG.

La tensione nominale di ingresso CA si imposta mediante morsettiere interne — a vite in alcuni modelli e a barra, con configurazione triangolo-stella, in altri — e nelle unità a 60 Hz occorre spostare il primario del trasformatore ausiliario per adattarlo alla rete entrante (208, 240, 480 o 600 V). L’operazione si esegue con il caricabatterie scollegato sia dalla CA sia dalla batteria, a cura di un elettricista qualificato. Certificazione: UL 1564 4ª ed. 2015, CSA C22.2 No. 107.2-01-R2011; conforme a CEC LBSC.

Conclusione

La rigenerazione delle batterie su questa piattaforma non è una scatola nera. È un processo documentato e parametrizzato: un profilo di carica a sei passi che mantiene la batteria dentro la finestra in cui il solfato cristallizzato si riconverte senza generare calore né gassificazione distruttivi, alternato automaticamente con una scarica a corrente costante al regime normalizzato C₅/5 fino a un taglio di 1,70 V/elemento, ripetuto fino a venti volte e registrato ciclo per ciclo.

L’XMV fornisce il trattamento. L’XD fornisce la prova. Nessuno dei due costituisce da solo un programma di recupero: il caricabatterie può indicare che una batteria è guasta, ma non se il guasto è reversibile, e questa sola distinzione determina se un’ora di officina è un investimento o una perdita.

Insieme trasformano un’affermazione in un numero.

Domande frequenti

Come si capisce se conviene recuperare una batteria?

Con una prova di capacità di riferimento prima di qualsiasi trattamento. Si scarica a C₅/5 fino a 1,70 V per elemento con l’XD e si confrontano gli amperora erogati con la capacità nominale C₅ di targa. Una batteria che eroga ancora una frazione utilizzabile della propria capacità nominale e il cui profilo di guasto punta alla solfatazione è una candidata; quella che ha perso materia dalle piastre, che ha le griglie corrose o che presenta un elemento cortocircuitato non lo è, e nessun profilo di carica cambierà questo fatto.

Quanto dura una campagna di rigenerazione?

Giorni, non ore. Ogni ciclo è una carica completa più una pausa di raffreddamento più una scarica completa. Su una batteria da 80 V e 600 Ah, un profilo di carica di 14 ore più 2 ore di raffreddamento più circa 5 ore di scarica a 120 A dà un ciclo di circa 21 ore, così che una campagna di cinque cicli si prolunga per circa 4,4 giorni senza presidio.

Quanta capacità si può recuperare in modo realistico?

Sui buoni candidati, circa il 70–90 % della capacità nominale. La letteratura pubblicata sulle batterie fortemente solfatate riporta valori vicini all'80 % della capacità di un’unità nuova. Qualsiasi fornitore che prometta il 100 % su tutte le batterie sta descrivendo un argomento di vendita, non una misura.

Perché serve uno scaricatore se il caricabatterie ha già profili di desolfatazione?

Perché il caricabatterie può rilevare che qualcosa non va nella batteria, ma non può dire se il guasto è reversibile. Le tabelle di ricerca guasti dell’XMV elencano batteria solfatata ed elementi cortocircuitati come cause distinte del medesimo allarme e prescrivono per entrambe la stessa azione. Solo la tendenza di capacità nei cicli successivi le separa, e solo una prova calibrata di prima e dopo trasforma un’affermazione di recupero in un valore documentato.

Che cosa indica realmente la tendenza di recupero?

Una serie che sale e poi si appiattisce ha trovato il tetto realmente recuperabile della batteria: qui si deve fermare. Una serie che resta piatta dal primo ciclo indica che il guasto non è mai stato la solfatazione: anche qui si deve fermare, e la batteria va al riciclo invece di rientrare in servizio. Entrambe le risposte fanno risparmiare ore di officina; solo una delle due si conclude con una vendita.

Qual è la considerazione di sicurezza più importante?

La ventilazione. Le batterie in carica liberano idrogeno, infiammabile in aria dal 4,1 % al 72 % in volume, e una campagna di rigenerazione produce molto più gas di una carica ordinaria, per giorni invece che per ore. Occorre dimensionare la ventilazione della sala di carica per il numero di batterie in trattamento e non interrompere mai una connessione CC attiva mentre è in corso una carica o una scarica.

Apparecchiature e consulenza

Lo scaricatore, analizzatore e ciclatore XD fornisce la misura e il caricabatterie e condizionatore multitensione XMV fornisce il trattamento; insieme, nella configurazione XD-Combo, formano il ciclatore automatico descritto in questo articolo. È possibile consultare anche il resto dei nostri scaricatori di batterie e caricabatterie e raddrizzatori, oppure leggere l’articolo collegato sul trattamento delle batterie solfatate con caricabatterie-scaricatore-analizzatore.

Ha una flotta di batterie di trazione che perde capacità e ha bisogno di sapere quali conviene recuperare? Contatti i nostri ingegneri e la aiuteremo a specificare l’apparecchiatura e a progettare il protocollo di prova.

Fonti

I dati tecnici di questo articolo provengono dal manuale d’uso dell’XD e dal manuale di servizio e programmazione del caricabatterie XMV (Amperis Products S.L.). Le figure 1 e 3–6 sono schemi esplicativi elaborati per questo articolo e non riproducono illustrazioni dei manuali; i valori di capacità della figura 5 sono indicativi. Installazione, configurazione e assistenza devono essere eseguite da personale qualificato in conformità ai manuali e a tutta la normativa nazionale e locale applicabile. Specifiche soggette a modifiche.