Ricarica rapida e manutenzione di celle sinterizzate al NiCd per motori elettrici

1. a tenuta
di gas 2. indipendenti
dall’orientamento 3. a ricarica
rapida 4. a bassa resistenza
interna 5. leggeri (modelli di aeromodelli)
6. economici
7. il più possibile resistenti e facili da maneggiare

Le celle con queste caratteristiche sono attualmente offerte da alcune aziende (VARTA, General Electric, SAFT, Sanyo, Daimon e altre) con diverse denominazioni commerciali nelle capacità di 0,5 Ah, 0,75 Ah, 1,2 Ah e 1,8 Ah. Attualmente la cella più utilizzata è quella da 1,2 Ah. Tutte le considerazioni che seguono si riferiscono quindi a questa cella. Con i relativi fattori di conversione, quanto detto vale però anche per le altre celle.

Per una migliore comprensione di quanto segue, riportiamo qui di seguito i termini e le abbreviazioni più comuni utilizzati nel campo delle batterie NiCd:

1. Tensione U, misurata in volt (V) o in millivolt (mV)
2. Corrente I, misurata in ampere (A) o in milliampere (mA)
3. Resistenza R, misurata in ohm (Ω) o in milliohm (mΩ)
4. Potenza P, misurata in watt (W) o in milliwatt (mW)
5. Capacità della cella, misurata in ampere-ora (Ah) o in milliampere-ora (mAh)

Queste grandezze sono collegate tra loro dalle seguenti relazioni:

1. La legge di Ohm U = I · R
2. La legge della potenza P = U · I
3. La capacità nominale di una cella caricata al 100% è la quantità di corrente che può essere prelevata nel corso di un determinato tempo di scarica. A livello internazionale, il tempo di scarica per le celle ricaricabili rapidamente è stato fissato a un’ora. In Europa, per le celle ricaricabili rapidamente si utilizza un tempo di scarica di cinque ore, mentre per quelle non ricaricabili rapidamente è di dieci ore.
4. Il tasso di carica e scarica è la corrente che scorre durante un determinato periodo di tempo in fase di carica o scarica. A causa delle diverse definizioni di capacità nominale, si distingue tra il tasso C (internazionale) e i tassi I5 e I10. Il tasso C è il valore della corrente in ampere durante un’ora di carica o scarica ed è, in termini numerici, pari alla capacità nominale della cella in Ah, cioè il C-Rate di una cella con capacità nominale di 1,2 Ah è pari a 1,2 A. Questa corrente può essere prelevata da una cella da 1,2 Ah completamente carica per un'ora.

Il tasso I5 di una cella con capacità nominale di 1,2 Ah corrisponde a una corrente di 0,24 A = 240 mA (= 1,2 A : 5). Questa corrente può essere prelevata da una cella caricata al 100% per cinque ore.

La corrente _I10 di una cella da 1,2 Ah corrisponde a una corrente di 0,12 A = 120 mA (1,2 A : 10). Da questa cella è possibile prelevare tale corrente per dieci ore. I diversi tassi di carica o scarica sono correlati tramite i seguenti rapporti:

Tasso 1 C = 5,0 tasso I5 = 10 · tasso
I10 oppure anche
_I10 = 0,1 C = 0,2 · I₅ e I5 = 0,2 C = 2 · _I10

A causa del rendimento, tutti i tempi di ricarica sono superiori del 40% rispetto ai tempi di scarica. Si distinguono tre tipi di ricarica:

Ricarica con corrente di carica pari a 0,2–0,3 C ovvero 2 · _I10 – 3 · _I10. La cella è in genere in grado di sopportare queste correnti di carica in modo continuo, per cui non è necessario limitare con precisione il tempo di carica; ad esempio, la carica di una RSH 1,2 a 0,2 C per sette o più ore è una carica normale.

In caso di correnti di carica superiori a 0,3 C, il tempo di carica deve essere limitato in base alla corrente di carica. È necessario monitorare le ricariche accelerate tramite un timer. Una carica a 0,5 C corrisponde a una corrente di carica di 0,6 A. Il tempo di carica in ore è quindi pari a (1,4 : tasso di carica in C), ovvero, nel caso in esame, 1,4 : 0,5 = 2,8 ore.

In generale, si parla di ricarica rapida quando i tempi di ricarica sono inferiori a un’ora. La ricarica più comune è quella di mezza ora. In questo caso, la cella (batteria) viene scaricata fino a 0,9–1,0 V/cella. Segue quindi la ricarica rapida tramite un cavo resistivo adeguato per mezz'ora a 2 C. Nel caso di una cella da 1,2 Ah, ciò significa una corrente di carica di 2,4 A, ricavata da una fonte di corrente adeguata, solitamente una batteria per auto. La ricarica deve essere interrotta esattamente dopo mezz'ora, poiché altrimenti si rischiano danni permanenti alle celle. Ormai esistono caricabatterie automatici che sollevano l'hobbista dalla fatica della scarica preliminare e del controllo del tempo.

Dopo 5-10 ricariche rapide di una batteria, è consigliabile effettuare una ricarica normale a 0,2-0,3 C, della durata di circa cinque-sette ore. Prima di utilizzare la batteria, ricaricarla quindi a 2 C per due-cinque minuti.

Se tra la ricarica rapida e l'utilizzo trascorre più di mezz'ora, ricaricare nuovamente per due-quattro minuti a 2 C; lo stesso vale per le batterie ricaricate automaticamente in modalità rapida.

Le batterie completamente scariche devono essere ricaricate immediatamente! Se non vengono riutilizzate subito, è sufficiente una ricarica di pochi minuti per riportare le celle alla tensione normale.

Non ricaricare immediatamente le batterie calde, ma lasciarle raffreddare fino a raggiungere la temperatura corporea!

Per garantire una ricarica senza problemi, è fondamentale che tutte le celle della batteria siano dello stesso tipo. Non collegare tra loro celle di produttori diversi! Non ricaricare rapidamente insieme celle cariche e scariche.

Anomalia
1. Una singola cella si surriscalda:
2. La batteria non accetta corrente:
3. La batteria si ricarica, ma non mantiene la tensione sotto carico:

Causa e soluzione
: cella difettosa! Sostituirla.
Interruzione nel cablaggio, collegamento a innesto difettoso o simili. Controllare le singole celle! Controllare il cablaggio!

Collegare le celle scariche o la batteria scarica a un dispositivo di ricarica rapida e misurare immediatamente la tensione su ogni singola cella. Le celle in buono stato presentano una tensione di circa 1,2-1,4 V all’inizio della ricarica rapida. Se viene visualizzato un valore pari o superiore a 1,6 V, la cella non è più idonea al funzionamento ad alta corrente! È opportuno ripetere questo controllo di tanto in tanto.

In quasi tutti i casi, la capacità della batteria integrata è sufficiente per ricaricare senza difficoltà la batteria di bordo del modello da cinque a dieci volte, a condizione che la batteria dell’auto sia in buone condizioni. Si consiglia di effettuare una manutenzione regolare della batteria dell’auto per evitare spiacevoli sorprese.

La batteria dell’auto dovrebbe avere una tensione compresa tra circa 12,5 e 13 V a vuoto; sotto carico, ad esempio con un caricabatterie rapido, la tensione non deve scendere al di sotto dei 12 V, altrimenti l’avviamento del veicolo sarebbe compromesso. Il vostro elettrauto regolerà il regolatore della vostra auto sul valore ottimale; ci vorranno solo pochi minuti e vi risparmierà ore di seccature in caso di batteria scarica.

Esaminiamo innanzitutto le possibilità di carico di una cella sinterizzata al NiCd RSH 1,2. Dal foglio delle curve 1 risulta che queste celle possono essere caricate come segue:

Da questi valori scelti a caso si evince chiaramente che la capacità diminuisce all'aumentare della corrente, ovvero maggiore è il carico di corrente, minore è il tempo di funzionamento relativo.
Se si osserva inoltre la tensione della cella alle correnti sopra indicate (grafico 2), si nota che anche la tensione utile diminuisce all’aumentare del carico.
Dal grafico 3 si ricava infine l’andamento della tensione della cella in funzione della temperatura. All’aumentare della temperatura, la tensione diminuisce, in media di -4 mV/°C .
Questi sono i parametri caratteristici più importanti di una cella. Da essi è ora possibile ricavare i possibili dati di funzionamento.
La corrente che una cella può erogare è teoricamente limitata solo dalla sua resistenza interna. Ciò significa che un cortocircuito di una cella carica o di una batteria ricaricabile può avere conseguenze significative. In pratica, tuttavia, è opportuno evitare il più possibile correnti così elevate, poiché la cella si riscalda molto rapidamente, il che comporta un deterioramento della tensione e della resa in termini di capacità e, a temperature superiori a 60 °C, può addirittura causarne la distruzione.
Come si evince dal foglio delle curve n. 1, è possibile prelevare correnti fino a 12 A in modo continuo fino alla scarica completa della cella. Per correnti più elevate, a causa del surriscaldamento, è possibile solo un funzionamento a intervalli.
Sappiamo ormai che è possibile aumentare l’assorbimento di corrente da una cella solo a scapito della capacità utilizzabile. Chi non vuole accettare questo compromesso deve aumentare la tensione per incrementare la potenza, ovvero utilizzare un numero maggiore di celle per ogni batteria.

Supponiamo che un motore elettrico debba funzionare per nove minuti e che sia disponibile una potenza elettrica (potenza della batteria) di 120 W.

Dal grafico 1 si evince che la corrente media può quindi essere pari a 6 A. La capacità utilizzabile (prelevabile) è di 0,9 Ah. Per una corrente di 6 A e una potenza disponibile di 120 W, occorre una tensione pari a 120 : 6 = 20 V . Dal grafico 2 si ricava che la tensione di una cella a 6 A è pari a 1,17 volt.

Ne risulta un numero di celle pari a 20 : 1,17 = 17 celle.

È disponibile un motore che richiede una potenza in ingresso di 150 W con una tensione del motore di 10 V. Quante celle sono necessarie e per quanto tempo funziona il motore con queste celle? Dalla potenza e dalla tensione del motore si calcola la corrente necessaria: 150 W : 10 V = 15 A. Nella tabella 1 si rileva un tempo di funzionamento di circa 3,2 minuti. Poiché questo tempo esula già dal campo di funzionamento continuo, non è consentito un funzionamento ininterrotto.

Dal grafico 2 si ricava, per una corrente di carico di 15 A, una tensione per cella di 1,05 volt. Per raggiungere la tensione del motore di 10 V, sono quindi necessarie 10 : 1,05 = 10 celle.

Infine, va sottolineato che per lavorare con i motori elettrici sono necessari alcuni requisiti. Proprio come il motore a combustione interna richiede una batteria di avviamento e un sistema di rifornimento, per i motori elettrici è necessario un voltmetro. Questo dovrebbe avere un intervallo di misura compreso tra 3 e 5 V, oltre ad altri intervalli fino a circa 30 V. Inoltre, dovrebbe disporre di un intervallo di resistenza per i test di continuità e della possibilità di misurare i regimi. Per completare l’attrezzatura è necessario anche un cronometro.
Le misurazioni di corrente si effettuano preferibilmente in modo indiretto utilizzando il cronometro e il foglio di registrazione 1.
Attenzione: prestare attenzione alle misurazioni a motore fermo! I motori ben regolati non tollerano il funzionamento a motore fermo, poiché l’assorbimento di corrente è molto più elevato rispetto al funzionamento normale.
A chi non conosce le regole più elementari dell’elettrotecnica o non è disposto ad apprenderle, è meglio sconsigliare di occuparsi di motori elettrici. Tutti gli altri modellisti trarranno sicuramente grande soddisfazione dal loro motore elettrico di nuova generazione e scopriranno presto che, nonostante gli svantaggi rispetto al motore a combustione, il motore elettrico presenta alcuni vantaggi fondamentali, come ad esempio l’assenza di problemi di accensione e di modelli sporchi; il motore elettrico può essere spento e riacceso in qualsiasi momento, non produce vibrazioni né odori ed emette solo un rumore minimo. Sarebbe tuttavia errato credere che il motore elettrico possa soppiantare il motore a combustione interna nel prossimo futuro. La trazione elettrica si è comunque conquistata un posto nel modellismo e lo manterrà.

Le nuove tecnologie attualmente in fase di sviluppo ridurranno il rapporto peso/potenza delle celle ricaricabili. Al momento non è ancora possibile stabilire se e quando ciò avrà un impatto per noi. L’industria automobilistica sta attualmente compiendo enormi sforzi in direzione delle auto elettriche. Se questi sforzi porteranno al risultato sperato, anche il modellismo ne trarrà vantaggio.