Analisi e controllo di una batteria automotive

Un semplice oggetto quale una batteria automotive richiede buone conoscenze per essere utilizzata e analizzata al meglio. Oggigiorno vi sono strumenti e multimetri dedicati ma il saper riconoscere i sintomi di un accumulatore con strumenti tradizionali quali tester ed oscilloscopio permettono di esaminare più nel dettaglio il dispositivo.

Pertanto, prima di procedere nella lettura di questo articolo, consigliamo la visione dei seguenti tutorial:

• Analisi forme d’onda canoniche
• Impariamo ad utilizzare un multimetro digitale

Gli accumulatori automotive, come tutte le tipologie e tecnologie di batterie, si distinguono a seconda dei propri parametri elettrici. Nello specifico su tutte le etichette troveremo sempre un minimo di 5 informazioni (dati di targa):

Tensione nominale
Tensione per la quale l’accumulatore è stato progettato (ad esempio 12V oppure 24V). La tensione di funzionamento potrà essere maggiore, nel caso di batteria carica, o inferiore, nel caso di batteria scarica.

Capacità
La capacità, espressa in [Ah] (ampere-ora), indica la carica necessaria per produrre una determinata corrente in un intervallo di tempo. Un accumulatore da 60Ah, ad esempio, può erogare idealmente una corrente di 6 Ampere per 10 ore, 12Ampere per 5 ore e così via. Nella realtà questo dato è da analizzare con più cura, poiché erogazioni di correnti elevate possono portare l’accumulatore a scaricarsi in intervalli di tempo brevi.

Massima corrente di spunto
Tale corrente erogata è la massima raggiungibile dall’accumulatore per tempi estremamente brevi (qualche secondo). Servono infatti per definire uno spunto di corrente necessario alle macchine elettriche all’avvio (momento di massimo consumo). Un motorino di avviamento, ad esempio, richiede in questa fase qualche centinaia di ampere. Se la batteria è sottodimensionata il motorino si ritroverà ad essere sottoalimentato e di conseguenza diminuirà la coppia meccanica presente sull’albero.

Ad esempio, nell’accumulatore riportato possiamo notare che possiede una tensione nominale di 12V, una capacità di 60Ah e una massima corrente di spunto di 540A.

Associata a tali parametri troviamo sempre la normativa di riferimento con la quale si sono svolti i test sull’accumulatore. Gli acronimi delle normative più diffuse sono:

• SAE: Standard Americano (Society of Automotive Engineers)
• DIN: Standard industriale tedesco (Deutsche Industrie-Norm)
• IEC: Commissione elettrotecnica internazionale (International ElectroTechnical Commission)
• EN: Normativa Europea (European Norm)

Esse differiscono per metodo ma l’obiettivo comune è verificare che l’accumulatore sopravviva a prove di stress molto intense legate alla corrente di spunto a basse temperature (-18°C).

Gli ultimi due parametri da prendere in considerazione sono lo stato di salute e lo stato di carica. Lo stato di salute SOH (State of Healt) rappresenta una percentuale riguardo le condizioni ideali dove il 100% identifica le specifiche della batteria e con il passare del tempo può solo che diminuire. Al contrario, lo stato di carica SOC (State of Charghe) indica la percentuale di carica, quindi il suo valore varia sempre tra 0% e 100%.

Un esempio che ci permette di capire il concetto di questi due parametri è la gestione batteria del nostro telefono cellulare: l’indicatore di batteria (che misura il parametro SOC) va sempre da 0% a 100%, però con l’avanzare del tempo il nostro accumulatore perde in capacità (SOH) infatti la batteria durerà sempre meno, questo perché con il passare del tempo il parametro SOH inizia via via a diminuire. Sui cellulari iPhone di Apple è possibile vedere tale parametro andando in Impostazioni > Batteria > Stato della batteria.

Come sapere se la batteria è carica (SOC%)
Tale prova è estremamente semplice da effettuare e necessita di un solo multimetro digitale che dovrà essere impostato come VOLTMETRO in regime CONTINUO (V⎓). Provare la batteria su di un banco, senza nessun carico collegato significa analizzare la sua tensione a vuoto, trascurando così gli effetti della resistenza interna. E’ importante effettuare questa prova con la batteria connessa al circuito di alimentazione, ad autoveicolo spento ma a quadro acceso (modalità KeyON). In questo modo si ha un minimo prelievo di corrente dalla batteria e la lettura della tensione sarà veritiera.

La solfatazione, processo che si attiva nelle batterie tradizionali quando per un tempo prolungato restano al di sotto di una determinata soglia di tensione di carica, comporta la riduzione accelerata del parametro SOH% e di conseguenza il nostro accumulatore avrà una vita lavorativa più breve.

Identificare problemi legati all’accumulatore, sul circuito di avviamento e sull’alternatore tramite l’utilizzo dell’oscilloscopio

L’oscilloscopio oggigiorno costituisce il dispositivo primario per le analisi di guasti elettrici in campo automotive. Il funzionamento e la presentazione dello strumento oscilloscopio è già stata trattata nell’articolo Utilizzo dell’oscilloscopio e nell’articolo Analisi forme d’onda canoniche. Esso ci permette graficamente di osservare l’andamento nel tempo di tensioni e correnti identificando facilmente possibili problematiche.

Si può procedere con un’analisi semplificata osservando solo l’andamento delle tensioni, ma se si ha la possibilità è consigliata una misura a due canali con l’ausilio di una pinza amperometrica 600A in modo da confrontare in contemporanea tensioni e correnti.

Per l’analisi di tensione basterà collegare una sonda dell’oscilloscopio sui terminali della batteria, mentre per la pinza amperometrica basterà “pinzare” il cavo negativo di ritorno alla batteria.

A livello di impostazioni dell’oscilloscopio è d’obbligo una costante di tempo relativamente grande (1 o 2 secondi), per le tensioni invece è necessario visualizzare bene l’intervallo da 0V a 20V e, per quanto riguarda invece la corrente, è necessario osservare un intervallo da -20A a 600A.

La fase da osservare è quella dell’accensione e avviamento del veicolo. Se la macchina è sana otterremo un grafico simile ai seguenti.

Analisi tensione batteria fase di avviamento ed accensioneOsservando il grafico è facile identificare le seguenti cinque sezioni di lavoro dell’accumulatore nella fase di accensione e avviamento:

Nell’immagine sopra riportata possiamo osservare l’andamento della tensione nella fase dell’accensione e avviamento di un autoveicolo sano. All’altezza della seconda divisione possiamo notare un leggero calo di tensione poiché in quell’istante la chiave è stata portata nella posizione di Key-ON e quindi il quadro e l’illuminazione dell’autoveicolo si è attivata. In seguito si nota un crollo a picco della tensione poiché in quell’istante la chiave è stata portata nella posizione Key-RUN. La tensione, superata la fase di spunto riprenderà a stabilizzarsi verso i 10V per poi ritornare a 12V solamente quando il motorino di avviamento viene completamente disalimentato. Dopo circa 1 secondo viene attivato l’alternatore e quindi la tensione generale dell’autoveicolo viene portata a 14V fino allo spegnimento del veicolo.

Se volessi osservare in contemporanea anche la corrente tramite una pinza amperometrica posso procedere come nel seguente grafico (in rosso la tensione ai capi della batteria, in blu la corrente sul polo positivo).

Analisi tensione e corrente batteria fase di avviamento ed accensione

Anche in questo caso possiamo identificare tre zone di lavoro:

A = Stato di Key OFF oppure Key ON
B = Stato di Key RUN
C = Stato di mantenimento (alternatore attivo, batteria in ricarica)

Possiamo notare come nella fase di avviamento vi sia un crollo della tensione (fino a circa 8V) e un picco di corrente (circa 600A). Con l’avanzare del tempo notiamo che la tensione cresce tornando piano piano stabile e la corrente richiesta dal motorino di avviamento diminuisce sempre più. Appena si attiva l’alternatore notiamo una corrente negativa poiché la batteria si trova sotto carica e quindi la corrente è entrante (e non più uscente).

Se la batteria risulta sottodimensionata o particolarmente usurata il crollo di tensione all’avviamento scende al di sotto dei 7V, invece se abbiamo un problema sull’alternatore noteremo 12V anche dopo l’avviamento come nella seguente figura.

Analisi tensione  fase di avviamento ed accensione con ALTERNATORE GUASTO