Caricabatterie

Un caricabatterie è un dispositivo elettrico o elettronico, con la funzione di ricaricare le batterie ricaricabili, scariche; a questo scopo, deve fornire una energia adeguata alla cella secondaria, basata sulla tensione di lavoro della batteria e sulla sua capacità di carica. La corrente elettrica necessaria per la ricarica delle batterie, è solitamente di tipo continuo (DC) e di valori elettrici anche molto differenti: ad esempio, una tipica batteria per automobili da 12 V e 120 Ah, offre una capacità di 1440 Wh, e quindi risulterà essere molto diversa da una per telefono cellulare con valori elettrici (ad esempio) di 5 V e 3 Ah, che offre una capacità di soli 15 Wh. Per questo motivo, i vari caricabatteria sono tendenzialmente specifici per un solo tipo di cella, benché esistano anche vari modelli "universali", più o meno adatti anche per due o tre tipi simili.

Tipi di caricabatterie

Tra i caricabatterie, oltre ai valori elettrici della fornitura di energia necessaria (volt e ampere), le varie specifiche possono comprendere anche il tipo di ricarica: lenta o veloce, con funzioni o meno di tempistica programmabile, con forma d'onda o ad impulsi, con controllo di temperatura e/o di massima erogazione, con funzioni di stop o pausa e ripresa, con funzioni di mantenimento, ecc. In base alle funzioni specifiche i caricabatterie possono prendere dei nominativi che li caratterizzano.

Trickle (a goccia)

Il caricabatterie trickle (dall'inglese "gocciolare") ricarica la batteria molto lentamente, quasi alla velocità di auto-scarica. È il più lento tra i vari tipi di caricabatterie, ed una batteria può essere in genere lasciata in carica a tempo indeterminato: lasciandola collegata, questa riceverà la ricarica gradualmente senza mai andare in sovraccarico. Generalmente hanno circuiti elettronici in grado di dosare la carica corretta ed adeguata.

Elettrico (semplice)

Questi caricabatterie forniscono una tensione e una corrente costante alla batteria. Un caricabatterie elettrico, è sostanzialmente un alimentatore semplice di bassa potenza, costituito da un semplice trasformatore di rete, con valori di uscita poco superiori la tensione della batteria (es: da 240V a 10V), "stabilizzato" in modo molto elementare (in genere con 1 solo diodo), che lavora erogando una determinata intensità massima di corrente continua alla batteria in carica, determinata da una semplice resistenza. Il massimo della semplicità, senza funzioni elettroniche.

Un semplice caricabatterie equivalente ad un adattatore AC/DC da parete, applica costantemente (ad esempio) 300 mA alle batterie; ma se lasciate connesse troppo a lungo, si possono danneggiare. La semplicità di questa procedura implica un basso costo di produzione, ma anche compromessi in termini di qualità. Tipicamente, la batteria richiede più tempo di ricarica, a causa della bassa intensità di corrente erogata, per evitare effetti di sovraccarico; tuttavia, la batteria lasciata ricaricare per troppo tempo, alla fine potrebbe risultare indebolita o addirittura distrutta, a causa della carica continua, che col tempo risulta eccessiva. Usando questi caricatori è necessario rispettare i tempi previsti di ricarica, evitando ricariche troppo prolungate (es: tutta la notte), e dovrebbero essere monitorati quasi continuamente.

Con timer

L'output di un caricabatterie a timer è costante, ma termina dopo un tempo predeterminato. I caricabatterie a timer, alla fine degli anni novanta, erano il tipo più comune per le batterie NiCd ad alta capacità (mentre le batterie NiCd a bassa capacità di consumo venivano tipicamente caricate con un caricabatterie semplice).

I caricabatterie a timer possono spesso essere acquistati con una serie di batterie in un unico pacchetto. Con l'evoluzione della tecnologia, tendente ad aumentare la capacità di anno in anno, un vecchio caricabatterie a timer può essere in grado di caricare solo in parte le nuove batterie.

I caricabatterie a timer presentavano anche l'inconveniente che caricando batterie non completamente scariche queste risultavano poi sovraccaricate, in quanto non vi è modo di rilevare lo stato di carica: anche se la batteria era carica, continuava a ricevere erogazione di corrente, perché il tempo cronometrato dall'apparecchio non era ancora scaduto.

Intelligente

La corrente di uscita dipende dallo stato della batteria. Un caricabatterie intelligente, con l'ausilio di un battery management system (BMS), può monitorare la tensione della batteria, la temperatura e/o il tempo sotto carica per determinare la corrente di carica ottimale in quel momento. La carica termina quando la combinazione di tensione, temperatura e/o tempo rilevata lascia presumere che la batteria sia completamente carica.

Per batterie NiCd e NiMH, la tensione aumenta lentamente mentre la batteria è in carica, fino a quando è stata quasi completamente ricaricata. A quel punto la tensione diminuisce fino a che la batteria è stata ricaricata completamente. Tali caricabatterie sono spesso indicati come ∆V, o caricabatterie “delta-V” perché monitorano il cambiamento della tensione.

Il problema è che la magnitudine dei caricabatterie “delta-V” può ridursi molto, o addirittura azzerarsi, se vengono ricaricate batterie ricaricabili a capacità molto alta. Questo può far sì che anche un caricabatterie intelligente non avverta che le batterie sono già del tutto cariche e continui a caricare.

Questo potrebbe tradursi in un caricamento eccessivo delle batterie. Tuttavia, molti caricabatterie cosiddetti intelligenti usano una combinazione di sistemi, che nella maggior parte dei casi dovrebbero prevenire un caricamento eccessivo.

Un tipico caricabatterie intelligente ricarica una batteria fino all'85% circa della sua capacità massima in tempi brevi, solitamente anche meno di un'ora, e poi passa a un caricamento di compensazione, impiegando anche diverse ore per caricare la batteria fino alla capacità massima.

Veloce

I caricabatterie veloci utilizzano i circuiti di controllo delle batterie per ricaricarle rapidamente senza danneggiarne gli elementi. Alcuni hanno una ventola di raffreddamento che aiuta a tenere la temperatura delle batterie sotto controllo. Possono anche comportarsi come caricabatterie standard, se usati con normali batterie NiMH che non hanno circuiti speciali di controllo. Alcuni caricabatterie veloci, come quelli prodotti da Duracell, possono ricaricare velocemente qualsiasi batteria NiMH, anche se non hanno circuiti di controllo.

Ad impulsi

Alcuni caricabatterie utilizzano la tecnologia a impulsi, nella quale alla batteria viene dato un impulso a corrente pseudo continua che ha un tempo di salita, una ampiezza (tensione), un tasso di ripetizione (frequenza), tutti strettamente controllati. Questa tecnologia funziona con qualsiasi dimensione, tensione, capacità o chimica della batteria, incluse le batterie per automobili e quelle regolate con valvole.

Con il caricamento ad impulsi, si possono applicare anche alte tensioni istantanee senza surriscaldare la batteria.

Sono stati brevettati diversi tipi di caricabatterie ad impulsi, mentre altri sono “open source”.

Alcuni caricabatterie utilizzano impulsi per verificare lo stato iniziale della batteria non appena viene collegato il caricabatterie, poi utilizzano la corrente continua durante il caricamento veloce e utilizzano gli impulsi per terminare il caricamento e/o mantenere la carica.

Alcuni caricabatterie utilizzano “impulsi a carica negativa”, anche chiamato "caricamento reflex" o "carica d'inversione". Tali caricabatterie utilizzano sia impulsi di corrente positiva che brevi impulsi negativi.

A interruzione (switch)

I caricabatteria più moderni per le batterie a piombo/acido utilizzano la tecnologia switch (), ovvero modificano la frequenza della corrente alternata di ingresso, tramite l'azione di un microprocessore, per ottenere una corrente in uscita continua con bassissima ondulazione. Questo permette di caricare in modo molto efficiente anche le batterie al piombo tecnologicamente più evolute, come le AGM (Absorbed Glass Matt) o quelle al GEL e con celle a spirale; queste batterie infatti necessitano di ricariche molto accurate per evitare la perdita della frazione liquida in caso di eccessivo riscaldamento, in quanto i rabbocchi non sono tecnicamente possibili.

La presenza di microprocessori più o meno evoluti consente l'adozione di profili di ricarica a corrente costante a più stadi (generalmente da quattro a otto), e di fasi particolari quali la desolfatazione, il test di caduta di tensione, il mantenimento di un lungo periodo in corrente pulsata e altro, a seconda del costruttore e delle specifiche esigenze. La fase di mantenimento pulsato permette in particolare di lasciare attaccata la batteria per un periodo lunghissimo, senza soffrire delle problematiche del metodo "trickle" o "tampone", che nelle batterie al piombo di ultima generazione, può rapidamente portare all'evaporazione del liquido e al conseguente danneggiamento delle piastre.

A induzione (wireless)

I caricabatterie a induzione utilizzano l'induzione elettromagnetica per caricare le batterie. Una stazione di caricamento manda energia elettromagnetica attraverso un accoppiamento induttivo a un dispositivo elettrico che va a conservare l'energia nelle batterie. Questo accade senza bisogno di contatto metallico tra il caricabatterie e la batteria. Si usa comunemente con gli spazzolini elettrici ed altri dispositivi usati in bagno. Poiché non ci sono contatti elettrici aperti il rischio di folgorazione connesso al suo utilizzo è quasi del tutto assente.

Questo sistema nel terzo millennio ha cominciato a prendere piede anche nei prodotti informatici, di cui tra i primi fu il Palm Pre^[1].

Lo svantaggio di un sistema wireless è dato dalla ridotta efficienza e l'ecosostenibilità, dato che è stato studiato e analizzato in diversi modi, anche contraddittori^[2].

Caricabatterie USB

Da quando il collegamento Universal Serial Bus sopportare una tensione elettrica di cinque volt, è possibile utilizzare un caricatore e relativo cavo USB come fonte di energia per ricaricare le batterie. Sebbene le specifiche USB indichino una corrente erogabile massima di 500 mA, i moderni caricabatterie possono erogare fino a 3 A e possedere tecnologie che elevano la tensione su richiesta del dispositivo come Quick Charge e simili. I prodotti basati su questa idea, includono caricabatterie per cellulari e lettori audio portatili.

Caricabatterie portatile autoalimentato

I caricabatterie portatili autoalimentati, conosciuti come power bank, funzionano grazie a una batteria interna. La loro produzione ha visto un incremento con la progressiva diffusione di smartphone, in particolar modo con i modelli più sottili e prestanti che sacrificano l'autonomia per favorire il profilo sempre più sottile del telefono. Tali dispositivi possono essere o meno muniti di cavetto di ricarica integrato e possono gestire in modo più o meno differente la carica e tensione di carica.

Presentano al loro interno una o più batterie agli ioni di litio, solitamente in formato 18650, o batterie litio-polimero le quali consentono un profilo più sottile del dispositivo. La parte circuitale è composta da un circuito di ricarica e da un circuito step-up per elevare la tensione della batteria, solitamente dai 3.7 ai 4.2 V ai 5V richiesti per la porta USB. Il powerbank solitamente presenta un pulsante per l'accensione o è dotato di un rilevamento automatico del dispositivo collegato.^[3]

I modelli più evoluti presentano connettori USB-C sia per la ricarica della batteria interna che per la ricarica dei dispositivi, oltre a tecnologie di ricarica rapida come Quick Charge e similari.

Indice di carica

È spesso indicato con C ed è uguale ad una carica o scarica pari alla capacità di una batteria diviso per 1 ora. Ad esempio, una batteria con C 1600 mAh, corrisponde a 1600 mA (o 1,6 Ampere) erogati per un'ora.

Applicazioni

Dato che un caricabatterie è destinato ad essere collegato ad una batteria, è possibile che non si abbiano regolazione di tensione o filtraggio della tensione DC di uscita. Caricabatterie dotati di entrambe le regolazioni di tensione e di un sistema di filtraggio possono essere identificati come alimentatori stabilizzati.

Caricabatterie per telefoni cellulari

La maggior parte dei caricabatterie per telefoni cellulari non sono realmente caricabatterie, ma solo adattatori che forniscono una fonte di alimentazione per il circuito di carica, che è quasi sempre contenuto all'interno del telefono cellulare. I telefoni cellulari di solito possono accettare una vasta gamma di tensioni, a patto che siano sufficientemente al di sopra della tensione della batteria del telefono. Tuttavia, se tale valore è troppo alto, può danneggiare il telefono.

I caricabatterie per telefoni cellulari e altri dispositivi sono noti in quanto sono disponibili in una vasta gamma di tensioni e tipi di connettori a corrente continua, la maggior parte dei quali non compatibili con quelli di altri produttori di telefoni o anche con altri modelli di telefoni cellulari provenienti da uno stesso produttore.

Gli utenti delle stazioni di ricarica, accessibili al pubblico, devono essere in grado di incrociare riferimenti con dispositivi di marche/modelli e singoli parametri di carica e quindi garantire la consegna della corretta carica per il loro dispositivo mobile. Un sistema su database è una delle soluzioni, ed è integrato in alcuni dei più recenti modelli di stazioni di ricarica.

Ci sono anche caricabatterie motorizzati a mano venduti sul mercato, che tipicamente consistono in una dinamo alimentata da una manovella e prolunghe. Esistono anche caricabatterie solari. La Cina e altri paesi stanno sviluppando una normativa standard nazionale sui caricabatteria per cellulari utilizzando lo standard micro-USB.

Caricabatterie per i veicoli

Ce ne sono di due tipi:

Per ricaricare la batteria di avviamento di un veicolo a propulsione endotermica, generalmente al piombo/acido
Per ricaricare la batteria di un veicolo elettrico (VE).

Batterie per veicoli elettrici

Tali veicoli includono una batteria ricaricabile, e generalmente utilizzano una serie di caricabatterie. Una batteria da 10 Ampere-ora potrebbe richiedere 15 ore per giungere ad uno stato di completa carica da uno stato di completa scarica con un caricabatterie a 1 Ampere in quanto richiederebbe circa 1,5 volte la capacità della batteria. Le stazioni VE di carica pubblica forniscono 6 kW (potenza da 208 a 240 VCA fuori di un circuito di 40 Ampere). Con 6 kW si ricarica un VE circa 6 volte più velocemente che con 1 kW di ricarica durante la notte.

La ricarica rapida può avvenire anche più velocemente: è limitata solo dal numero degli alimentatori AC e dal tipo di sistema di ricarica.

A bordo, il caricabatterie dei VE (cambio di alimentazione AC a DC per ricaricare la batteria del VE) può essere:

Isolato: non fanno alcun collegamento fisico tra la A/C elettrica di alimentazione e le batterie in carica. Questi di solito impiegano una qualche forma di carica ad induzione. Alcuni caricabatterie possono essere utilizzati in parallelo. Ciò consente una maggiore crescita della carica attuale e riduce il numero di volte di ricarica.
Non isolato: il caricabatterie ha un collegamento elettrico diretto di sbocco del cablaggio A/C.

I caricabatterie non isolati non possono esser utilizzati in parallelo. I caricabatterie con Correttore del Fattore di Potenza (CFP) si avvicinano di più alla massima corrente che può essere erogata e abbreviano i tempi di ricarica.

Stazioni di ricarica

Vi è un elenco pubblico di stazioni di ricarica di Veicoli Elettrici negli Stati Uniti. Il progetto "Un luogo migliore" è l'implementazione di una rete di stazioni di ricarica. Sovvenziona anche l'acquisto delle batterie dei veicoli attraverso leasing e crediti.

Ricarica wireless

Bosch nel giugno 2013 presentò un dispositivo di ricarica senza fili compatibile per le auto Nissan Leaf e Chevrolet Volt^[4].

Prolungare la vita della batteria

Un corto circuito (che collega insieme i terminali di uscita) di solito non danneggia un caricabatterie. Per questo motivo, costituisce un'adeguata fonte di tensione a corrente continua per la sperimentazione. Può, tuttavia, richiedere di collegare un condensatore esterno attraverso i suoi terminali di uscita al fine di “regolare” sufficientemente la tensione, che può essere pensato come una tensione a corrente continua con una tensione più lento aggiunto ad esso. Per vedere la differenza tra connettere e non connettere un condensatore, si può collegare anche un oscilloscopio tra i due terminali. Si può collegare una resistenza interna per limitare la corrente di corto circuito, e il valore di tale resistenza deve essere presa in considerazione negli esperimenti.

D'altro canto, circolano molte voci sulle migliori pratiche per prolungare la durata della batteria. Quali siano le migliori dipende dal tipo di batteria. Si dice che le batterie a base di nichel, come ad esempio NiMH e NiCd, devono essere scaricate completamente prima di ogni ricarica, altrimenti la batteria perde capacità nel corso del tempo in un fenomeno noto come “effetto memoria”. Tuttavia, questo è solo parzialmente corretto: le cellule in lega di nichel possono essere caricate in qualsiasi momento del loro ciclo di scarica - non devono essere completamente scariche. L'effetto memoria dovrebbe invece essere evitato scaricando completamente la batteria una volta al mese (una volta ogni 30 ricariche). Questo estende la durata della batteria in quanto l'effetto memoria è impedito evitando cicli di carica completa, che sono noti per essere dannosi su tutti i tipi di batterie a secco, possono determinare una diminuzione permanente della capacità della batteria. La maggior parte dei moderni telefoni cellulari, computer portatili, e la maggior parte dei veicoli elettrici utilizzano le batterie allo ione di litio. Contrariamente ad alcune raccomandazioni, queste batterie effettivamente durano più lungo se la batteria non è completamente carica; il loro caricamento o scaricamento completo degradano la loro capacità in tempi relativamente brevi. La degradazione avviene più rapidamente a temperature più alte. Le batterie al litio, degradano di più durante la completa ricarica se sono solo al 40% della carica. Le condizioni di alta temperatura combinate con la piena carica sono esattamente lo scenario che si verifica quando un computer portatile funziona con il cavo di alimentazione a corrente alternata. La degradazione delle batterie al litio-ione è causata da un aumento della resistenza interna della batteria a causa dell'ossidazione della stessa che riduce l'efficienza della batteria.

Nei veicoli a motore, come ad esempio barche, camper, moto, auto e camion, vengono universalmente impiegati, grazie al loro basso costo, principalmente gli accumulatori al piombo-acido (PbO al polo +, Pb al polo - ed acido solforico diluito H2SO4 come elettrolita).

Questi utilizzano come elettrolita l'acido solforico diluito (H2SO4 ad 1,28 kg/dm³ quando completamente carica, a 15 °C) e generalmente possono essere caricate e scaricate senza manifestare l'effetto memoria, sebbene abbiano altre limitazioni legate al peso, ingombro (o bassa energia specifica), a limiti nell'uso alle basse temperature (minori a circa −15 °C) ed alla problematica della solfatazione, intendendo con tale termine la naturale reazione chimica conseguente al processo di scarica per cui sulle piastre si deposita all'inizio una finissima polvere bianca di PbSO4 (con diluizione dell'elettrolita) ma che può accrescersi considerevolmente se l'accumulatore viene scaricato a fondo o lo si lasci in tale stato per lungo tempo.

In tali circostanze di scarica profonda o mantenimento del tasso di capacità residua inferiore all'80% circa rispetto alla nominale per tempi prolungati, si dà tempo ai cristalli di accrescersi considerevolmente: questo spesso comporta un danneggiamento per deformazione meccanica degli isolatori e delle piastre sottili realizzate in piombo spugnoso ed alla difficoltà di riportare in soluzione i cristalli di PbSO4 così accresciuti, poco conduttori e solubili in acqua, per riottenere l'acido solforico iniziale a batteria completamente carica, causando una perdita permanente della capacità dell'accumulatore (attenzione: la perdita di capacità permanente ad ogni ciclo di carica/scarica è un effetto fisico sempre presente, poiché tali processi non sono mai completamente reversibili al 100%; nei casi di solfatazione il tasso di danneggiamento e/o perdita della capacità è di diversi ordini di grandezza più elevato rispetto ai casi di corretto utilizzo dell'accumulatore, ovverosia l'accumulatore viene impiegato in condizioni anomale d'esercizio in cui non dovrebbe mai operare!).

Pertanto questa famiglia di accumulatori richiede:

uno scrupoloso controllo del livello e densità dell'elettrolita quando la batteria è perfettamente carica, operazioni fondamentali per prevenire l'aumento di concentrazione per evaporazione o l'esposizione delle piastre all'aria;
un mantenimento dello stato di carica dell'accumulatore il più possibile vicino al 90-100% (densità dell'elettrolita intorno ad 1,27~1,28 kg/dm³), quando non utilizzato per tempi prolungati (1-3 mesi, se l'acido è a contatto con le piastre, ovvero se la batteria è stata attivata) e stoccaggio a temperature tra i 10~15 °C;
un tasso d'utilizzo dell'accumulatore che, preferibilmente, non scenda sotto l'80% circa della sua capacità nominale (nuovo, a 15~20 °C), ovvero limitare il più possibile scariche profonde e per tempi prolungati: qualora ciò non sia evitabile, al fine di ridurre il più possibile il danneggiamento delle piastre (sempre presente, anche se d'entità variabile!) è consigliabile effettuare la successiva ricarica il prima possibile, con basse correnti di ricarica per tempi prolungati ed a temperature intorno i 20 °C;
un'accurata pulizia esterna dei tappi/tenute, dei due poli e con isolamento/preservazione dei contatti (poli + e -) con grassi neutri di vaselina.

Per tutti quegli accumulatori che hanno riportato un danneggiamento permantente interno delle piastre (specialmente delle positive, più delicate perché in PbO) con perforazione delle membrane d'isolamento tra le piastre e/o perdita del materiale attivo delle stesse, oppure per consistente 'solfatazione', non rimane che la sostituzione con analogo di pari caratteristiche.

L'operazione di recupero di un accumulatore dalla solfatazione (o desolfatazione), al di là di possibili e fattibili metodiche attuabili, nella realtà è sempre un processo lungo, paziente e che non ridarà mai la capacità perduta a seguito di esso: consentirà, nei casi più fortuiti, di allungare un po’ la vita dell'accumulatore ma che non potrà essere più considerato affidabile nel lungo periodo, specialmente sotto l'ottica del tasso di autoscarica e di erogazione dei picchi di corrente nel brevissimo periodo.

Questi dispositivi non sono concepiti per operare in condizioni di rilevante stato di parziale scarica/solfatazione: è una situazione da evitare sempre il più possibile e la prevenzione ed il corretto dimensionamento (capacità in funzione dei carichi) rivestono l'unica possibile strada per garantire un accettabile tasso d’affidabilità dell'accumulatore e renderlo idoneo ad erogare le correnti di spunto previste.

In conclusione, un buon utilizzo degli accumulatori al piombo acido non potrà mai prescindere da un attento uso/manutenzione dello stesso e dall'impiego di un ottimo caricabatterie, specialmente negli ultimi 15-20 anni in cui la famiglia di queste celle chimiche è diventata più variegata a seconda degli impieghi ed in cui le tendenze costruttive sono andate nella direzione di aumentare le capacità e correnti di spunto, a parità d'ingombri, in molti casi addirittura riducendo il peso delle piastre diminuendone lo spessore: questo ha avuto come ovvia conseguenza quella di creare accumulatori più efficienti, ma costosi, delicati e con un tempo medio di vita che è calato dai 12-15 anni di 4-5 lustri fa, agli attuali 3-5 anni, con un forte impatto sui costi di riciclaggio/energetici (introiti per aziende e stati) e d'acquisto per l'utente finale.

Galleria d'immagini

Carica le batterie fino alla tensione specifica, dopodiché carica a compensazione, fino alla rimozione delle batterie.
Caricabatterie da 1,5 V via USB
Caricabatteria del modulo di comando della navetta Apollo (NASA).
da presa di rete
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Schema elettrico per batterie Li-Ion
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