Batteria: Come si misura quanti Coulomb / Ampere-ora possiede ancora?

Salve,

propongo questa domanda come "estensione" di una molto simile già fatta qui: http://it.answers.yahoo.com/question/index;_ylt=Al...

Mi interesserebbe sapere: 1. come si fa a livello pratico (con un tester ad esempio) a sapere quanti Coulomb o Ampere-ora (Ah) possiede ancora una batteria? Ad esempio, la carico al massimo, la uso per 15 minuti, ovviamente il "flusso" è irregolare, prendo un tester e voglio misurare quanti Coulomb / Ah sono rimasti, come devo procedere?

2. I volt sono sempre uguali dall'inizio alla fine? Cioè da quando la carico al massimo, fino a quando si esaurisce del tutto, il voltaggio è sempre costante?

Grazie anticipatamente. :)

Aggiornamento:

@Simplicius: 1. Quindi mi pare di capire che se prendo una batteria e un tester, non posso calcolarmi l'Ah, quindi neanche i Coulomb. Altra cosa che mi pare di capire (rispondendo alla mia seconda domanda) è che man mano che si scarica la batteria, cala il voltaggio, quindi in un certo senso si potrebbe usare questo come "metro" di misura. Giusto?

2. Ora per capire meglio, vorrei sapere: come fanno i cellulari, i portatili, ecc a sapere i Wh (Wh = V * Ah) in quel momento della batteria?

3. Sempre per curiosità, come si fa in fase di produzione a dire che una batteria è di X Ah?

Aggiornamento 2:

@Charles II: Beh non voglio scendere nei meandri della materia, almeno per il momento. Le mie sono semplici curiosità, perchè mi attrae l'idea dell'autosufficienza energetica data dai pannelli fotovoltaici, quindi almeno per il momento mi sto mantenendo su quella linea d'informazione.

C'è una cosa che non mi è chiara della curva di scarica. Questa non tende poi a cambiare con il tempo? Ad esempio con le batterie dei portatili, ma anche dei cellulari, più le si utilizza, più durano meno.

Comunque da come mi pare di capire, un metodo semplice (quale l'utilizzo di un tester) per misurare i C o Ah rimasti ad una batteria, non c'è.

Aggiornamento 3:

@Simplicius: Mi hai chiarito una cosa molto importante, che in effetti mi era sfuggita: la corrente CIRCOLA... Però questo inevitabilmente mi porta a fare 2 domande scontate: 1. perchè a un certo punto la batteria o il pannello fotovoltaico non sono più utilizzabili? Se non sbaglio i pannelli dopo circa (in media) 20-25 anni li devi buttare, ma se gli elettroni ritornano, perchè dopo questo periodo (come anche per le batterie) non ce la fa più, anche con tutta la luce dell'universo? 2. perchè in una batteria quando esce da un polo, compie il lavoro, ritorna nell'altro polo e poi non si può più compiere un processo inverso, che porta da quel polo all'altro, in modo da riutilizzare gli elettroni e quindi la carica?

Ora C, Ah, A mi sono più chiari, credo. Solo 1 cosa, l'A è sempre espresso in 1 secondo giusto? Cioè se dico 10 A il tempo è sempre 1 secondo o sbaglio? Se si questo dovrebbe portare a dire che in 1 secondo, C = A giusto?

Aggiornamento 4:

@Charles II: Quindi il problema sta nella formazione di cristalli all'interno delle batterie...

Quindi nessuno sa quanti Ah rimangono ad una batteria con un semplice tester, al massimo, conoscendo o creandosi una curva di scarica si può sapere approssimativamente.

Come Simplicius diceva, ci sono le pipette densimetriche, come funzionano? E' sempre un dato approssimativo?

2 risposte

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  • Migliore risposta

    Suppongo che quando parli di batterie ti riferisci agli accumulatori (al piombo, al Ni-Cd o simili).

    La misura della tensione ai morsetti può dare una stima dello stato di carica di un accumulatore, ma non serve per misurare la quantità di Ah rimasti.

    In effetti, la tensione diminuisce leggermente via via che l'accumulatore si scarica, ma non secondo una legge precisa, e per questo ho parlato solo di "stima" e non di "misura".

    Per avere un valore attendibile della carica residua, si misura la densità dell'elettrolita, che diminuisce al diminuire della carica. Si usa in pratica una pipetta densimetrica, ossia un galleggiante graduato, che è in sostanza lo stesso dispositivo con cui si misura la gradazione alcolica del vino.

    Se invece ti riferisci alle cosiddette "pile a secco", cioè quelle che usiamo tutti i giorni, vale solo la prima parte della risposta: puoi fare una stima della stato di carica misurando la tensione ai morsetti (verso 1,3 V puoi considerare la pila praticamente scarica), però non esiste una formula che ti permetta di calcolare gli Ah residui con sufficiente precisione.

    @

    1. Giusto

    2. Non lo sanno esattamente, ma solo approssimativamente

    3. Dalle caratteristiche costruttive: composizone chimica e dimensioni delle placche, tipo e densità dell'elettrolita, con in più ovviamente misure in fase di produzione.

    @

    Ho letto adesso i tuoi dettagli aggiuntivi alla domanda precedente, e cerco di risponderti qui.

    1) Effettivamente non puoi misurare direttamente i Colulomb e nemmeno gli Ah (che sono la stessa cosa, a parte un fattore di conversione).

    Puoi misurare la tensione col tester, e questo ti dà una misura indiretta della carica residua perché la tensione diminuisce con la scarica della batteria. Per quanto detto, questa misura è incerta ed ha un valore soprattutto qualitativo.

    2) Qui mi sembra che ci sia ancora un po' di confusione tra Ampère e Ah. Una batteria da 5 Ah non è una batteria da 5 Ampère. Gli Ah sono, per quanto detto, la carica massima che può "tenere" la batteria. Sono Coulomb a tutti gli effetti. Infatti 1 Ah è 1 Ampère x 1 ora = 1 Columb /secondo x 3600 secondi = 3600 Columb (questo non vuol dire assolutamente che dentro la batteria c'è una carica di 3600 Columb, che sarebbe una cosa spaventosa, ma solo che la batteria è in grado di far circolare questa carica in circuito chiuso; questo è il senso del verbo "tenere" che ho usato più sopra). Se questa carica circola rapidamente, la corrente sarà elevata ma durerà poco; se circola lentamente, la corrente sarà ridotta ma durerà molto. La velocità di questa circolazione, cioè la corrente (gli Ampère) non la decide la batteria, ma il carico su cui è connessa. Se chiudi una batteria da 12 V e 5 Ah su una resistenza di 12 Ohm, darà una corrente di 1Ampère e si scaricherà in 5 ore; se la chiudi su una resistenza da 1,2 Ohm, darà una corrente di 10 Ampère e si scaricherà in 30 minuti.

    Questo si ricollega in un certo modo all'altra tua domanda

    http://it.answers.yahoo.com/question/index;_ylt=Ag...

    alla quale non posso più rispondere direttamente perché è andata in votazione.

    Nei pannelli fotovoltaici, come in qualunque altro generatore, gli elettroni non "se ne vanno" dal pannello, ma "circolano" attraverso il pannello. Anche i pannelli, come le pile, le batterie e le prese di corrente in casa, hanno DUE contatti: uno da cui escono gli elettroni, e uno da cui rientrano. Un generatore di corrente è sempre elettricamente neutro, ossia ha sempre carica netta nulla, prché la carica che esce da una parte rientra dall'altra. Per questo la corrente nov "va" da un posto all'altro, ma "circola". Per questo, tutti i collegamenti che devono portare corrente elettrica hanno sempre due fili, e se ne tagli uno la corrente smette di circolare. Non c'è pertanto nessun limite di prelievo, perché la cassa non si svuota mai. L'unica cosa che può succedere è che il cassiere (la batteria) dopo un certo numero di ore non ce la faccia più (muovere gli elettroni richiede energia, e questa sì che si esaurisce), e questo vuol dire che Ah sono finiti.

    @Nuovo aggiornamento:

    1) Per capire perché la batteria si esaurisce bisogna prima spiegare perché la batteria funziona.

    Farlo qui sarebbe decisamente lungo, e ti rimando perciò ai relativi articoli su Wikipedia:

    http://it.wikipedia.org/wiki/Pila_%28chimica%29

    http://it.wikipedia.org/wiki/Batteria_ricaricabile...

    In pratica, la batteria si carica provocando, per mezzo della corrente elettrica, una reazione chimica al suo interno (e non, come forse hai pensato in un primo momento, “riempiendola” di elettroni). Quando la batteria fornisce corrente, avviene la reazione chimica inversa.

    Quando la batteria è tornata chimicamente allo stato iniziale, allora è esaurita e va ricaricata.

    Per i pannelli fotovoltaici il discorso è diverso, perché in questo caso l’energia per far circolare la corrente non viene da una reazione chimica ma da un fenomento quantistico (l’effetto fotoelettrico) prodotto dalla luce solare. Vedi qui una spiegazione (piuttosto tecnica) di come funziona:

    http://it.wikipedia.org/wiki/Effetto_fotovoltaico

    Dato che la sorgente di energia è esterna, il pannello non si “scarica” mai e, almeno in teoria, dovrebbe avere una vita illimitata. In pratica non è così, perché il materiale si deteriora col tempo, e quindi dopo un certo numero di anni va comunque sostituito.

    2) Il processo inverso (far circolare gli elettroni al contrario) in effetti si compie: è precisamente quello che si fa quando si ricarica la batteria. Solo che per far questo devi forzare una reazione chimica che non è spontanea (è spontanea quella di scarica!), e quindi devi compiere un lavoro, consumando energia elettrica per ricaricarla.

    Riguardo all’ultimo punto, non so se ho capito bene la domanda. Comunque, quando dici 1 A puoi voler dire che passa 1 Coulomb in un secondo, ma puoi anche voler dire che passano 10 Coulomb in 1/10 di secondo o 0,1 Columb in 10 secondi. Un professore di Fisica arriccerebbe il naso davanti a una formula come C = A, perché i Coulonb sono una cosa e gli Ampère sono un’altra cosa: il numero di Coulomb è uguale al numero di Ampère solo se la corrente circola esattamente per un secondo. Per tempi diversi la formula si scrive C = A x S, dove S è il numero di secondi durante i quali ha circolato la corrente.

    PS Le misure densimetriche sono molto svariate. Un metodo semplice è inserire nel liquido un galleggiante zavorrato con un’asticella graduata su cui si legge direttamente la densità (vedi http://it.wikipedia.org/wiki/Densimetro).

    Comunque si faccia, la misura è sempre approssimativa, in parte per l’imprecisione intrinseca della misura, ma soprattutto perché la relazione tra densità dell’elettrolita e carica della batteria non è conosciuta esattamente.

  • 10 anni fa

    Devo dire che è originale questo tuo metodo di farti un corso accelerato di elettronica utilizzando Answer. Il lato negativo è che la materia è talmente vasta e complessa che è difficile fornire risposte esaurienti in poche righe, specialmente a chi ne è totalmente digiuno.

    Provo a darti delle risposte semplici e concise.

    Per misurare la carica residua di una batteria occorre prima di tutto conoscere la curva di scarica caratteristica della batteria in esame. Di solito la fornisce il produttore della batteria ed è dipendente dalla corrente di scarica e dalla temperatura. In modo empirico è possibile farsela da soli per un dato assorbimento di corrente. Prendi una batteria completamente carica e le colleghi un carico a corrente costante, mettiamo che ti interessi la durata della batteria con un assorbimento costante di 1A. Ogni 10 minuti leggi il valore di tensione ai capi della batteria assicurandoti sempre che l’assorbimento di corrente rimanga costante. Questo è importante perché con un semplice carico resistivo al calare della tensione diminuisce anche la corrente assorbita e quindi per mantenerla costante devi progressivamente ridurre la resistenza (I=V/R se I deve rimanere costante al diminuire di V deve diminuire anche R). Continui con le letture sino a che la batteria raggiunge la tensione di scarica (questo è un valore tipico a seconda del tipo di batteria) o quando non è più in grado di erogare la corrente desiderata.

    Metti i valori ottenuti in un grafico tensione/tempo ed hai la curva di scarica della batteria a fronte di un assorbimento di corrente di 1A ad una data temperatura. A questo punto a seconda della tensione letta ai capi della batteria e con l’assorbimento di 1A potrai stimare con una certa approssimazione la durata residua della batteria e di conseguenza anche la carica residua. Ovviamente con assorbimenti diversi e con temperature diverse la stima diventa inaccurata.

    Gli indicatori di carica dei dispositivi elettronici, ad esempio i notebook, conoscendo le curve di scarica della batteria, l’assorbimento di corrente, la tensione ai capi della batteria e la sua temperatura sono in grado di fornire una stima sufficientemente accurata.

    La capacità di una batteria dipende dai materiali usati per l’anodo, il catodo, dalla densità di energia degli stessi e dal tipo di reazione elettrochimica con l’elettrolita utilizzato. Le batterie al litio sono quelle che hanno una maggiore densità di energia, per intenderci il litio ha un equivalente elettrochimico di 3,86Ah/g mentre il Cadmio ne ha solo 0,48. Ma qui si apre tutto un altro capitolo che sconfina nella chimica.

    AGGIUNTA:

    Diciamo che dipende molto dal tipo di batteria, le batterie al litio non hanno effetto memoria come quelle al NiCd o NiMH e se perdono efficienza è più per le alte temperature ed il prolungato inutilizzo e comunque per motivi diversi dalle altre tipologie di batterie.

    Parlando delle batterie al litio, per vari fattori (temperatura, inutilizzo prolungato) si possono formare dei cristalli al suo interno che aumentano la resistenza al passaggio della corrente causando una maggiore caduta di tensione con assorbimenti di corrente elevati. Per tale motivo le batterie al litio che hanno perso efficienza crollano in caso di alti assorbimenti corrente.

    Con una certa approssimazione possiamo dire che la curva di scarica delle batterie al litio non varia significativamente col passare del tempo a parità di assorbimento di corrente e di temperatura di esercizio.

    Diciamo che, una volta che conosci le curve di scarica della batteria, con una certa approssimazione potresti determinare la carica residua della stessa con un semplice tester misurando la tensione ai suoi capi a carico collegato.

    Per esempio se il carico assorbe 1A, misuri la tensione ai capi della batteria, prendi la curva di scarica per un assorbimento di corrente di 1A da dove ottieni il tempo corrispondente al valore di tensione letto, lo sottrai al tempo totale di scarica ed ottieni il tempo residuo di funzionamento con il quale ti calcoli gli Ah residui.

    Per farti un esempio pratico supponi che la batteria sia completamente carica a 4,2V e scarica quando raggiunge i 3V e che con un carico che assorbe un 1A ci impieghi 110 minuti a scaricarsi. A parità di carico rilevi una tensione di 3,7V e sulla relativa curva di scarica leggi un tempo pari a 50 minuti, sottrai 50 a 110 e ottieni un tempo residuo di 60 minuti che significa un carica residua di 1Ah (la batteria è in grado di reggere un assorbimento di corrente di 1A ancora per un'ora).

    Quindi si, in modo molto empirico potresti usare un semplice tester, a patto di conoscere molto bene le caratteristiche della batteria e del carico.

    Ricorda che la tensione della batteria deve essere misurata a carico collegato.

    AGGIUNTA2

    Per maggiori info sugli accumulatori al piombo ti consiglio i seguenti link:

    - Uso densimetro: http://www.cantierino.it/Aarticoli/C-Batterie/aBat...

    - Accumulatori al piombo per fotovoltaico: http://www.green-building.it/Fotovoltaico/Appunti%...

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