akumulatory w praktyce cz2.pdf

Podstawy

w praktyce elektronika

Akumulatory kwasowo−ołowiowe

c z ę ś ć 2

Niniejszy artykuł jest kontynuacją materiału z

poprzedniego numeru EdW i dotyczy jednego

typu akumulatorów. W znanych od stu pięć−

dziesięciu lat akumulatorach kwasowo−oło−

wiowych elektrolitem zawsze jest roztwór

kwasu siarkowego, a płyty zbudowane są

z ołowiu. Napięcie nominalne ogniwa wyno−

si 2V. Starszego typu akumulatory samocho−

dowe wymagały okresowej obsługi, konkret−

nie dolewania wody i kontroli gęstości elek−

trolitu. Większość nowszych ani nie wymaga

takich zabiegów, ani ich nie umożliwia – są to

tak zwane akumulatory bezobsługowe. Stoso−

wane są powszechnie w samochodach.

Oprócz nich bardzo popularne są obecnie tak

zwane akumulatory żelowe o napięciach

6V i 12V o pojemnościach 1...100Ah, za−

mknięte w szczelnych obudowach, nie wy−

dzielające żadnych szkodliwych wyziewów,

mogące dzięki temu pracować nawet w mie−

szkaniu (np. w centralkach alarmowych).

W tych kwasowych akumulatorach elektrolit

nie wycieknie, bo albo przez dodatek odpo−

wiedniej substancji ma postać galarety – żelu

(stąd nazwa), albo też zastosowane są inne

sposoby, skutecznie eliminujące ryzyko wy−

cieku elektrolitu. Warto podkreślić, że aku−

mulatory żelowe nie są oddzielnym rodzajem

akumulatorów – to najprawdziwsze akumula−

tory kwasowo−ołowiowe o specyficznej bu−

dowie, uniemożliwiającej wylanie elektrolitu.

Gdy akumulator pracuje w samochodzie,

sprawa jest oczywista. Nominalne napięcie

w instalacji samochodu wynosi 14,4V.

O właściwe napięcie i prąd ładowania dba

w samochodzie regulator napięcia, który ste−

ruje pracą alternatora. Więcej uwagi trzeba

poświęcić ładowaniu tylko wtedy, gdy taki

akumulator pracuje poza samochodem. Daw−

niej stosowano prymitywne sposoby ładowa−

nia, a dość skutecznym wskaźnikiem nałado−

wania było tzw. gazowanie elektrolitu (roz−

kład wody na tlen i wodór w procesie elek−

trolizy). Dobrym wskaźnikiem stanu nałado−

wania był także pomiar gęstości elektrolitu

za pomocą aerometru. W nowoczesnych bez−

obsługowych akumulatorach z ciekłym elek−

trolitem dolewanie wody nie jest wymagane,

a w wielu przypadkach wręcz niemożliwe,

niemniej też nie należy dopuścić do inten−

sywnego gazowania. Nie wolno też dopu−

szczać do przeładowania akumulatorów żelo−

wych, bo może się to skończyć ich definityw−

nym uszkodzeniem.

Z kolei całkowite rozładowanie do zera

też jest bardzo szkodliwe i zazwyczaj wiąże

się z nieodwracalną utratą pojemności. Aku−

mulatory kwasowe nie powinny być rozłado−

wywane poniżej 1,35V/na ogniwo (zaleca się

rozładowanie tylko do 1,7...1,8V/ogniwo).

Gdy coś takiego się zdarzy, trzeba jak naj−

szybciej naładować akumulator.

Akumulator powinien być przechowy−

wany w możliwie niskiej temperaturze .

Mniejsze jest wtedy samorozładowanie

i znacznie dłuższa żywotność. Jest to niebaga−

telna sprawa: o ile w temperaturze pokojowej

spodziewany czas pracy akumulatora żelowe−

go (utrata 50% pojemności) wynosi około pię−

ciu lat, to przy temperaturze otoczenia +35 o C

przypuszczalna trwałość zmniejszy się trzy−

krotnie, a przy temperaturze +60 o C – kilkuna−

stokrotnie! Rysunek 1 pokazuje, jak akumula−

tor traci ładunek wskutek samorozładowania

w różnych temperaturach. Z drugiej strony ni−

skie temperatury zmniejszają pojemność. Ry−

sunek 2 pokazuje tę zależność przy różnych

prądach rozładowania. Wskazuje wyraźnie,

że pojemność zależy od prądu rozładowania.

Nominalna pojemność określana jest w tem−

peraturze pokojowej przy stosunkowo ma−

łym prądzie rozładowania (C/20) – patrz

punkt A na charakterystyce. Przy temperatu−

rze 0 o C i dużym prądzie rozładowania rów−

nym 1C ten sam w pełni naładowany akumu−

lator będzie miał tylko około 35% pojemno−

ści znamionowej – wskazuje to punkt B.

„Domowe”

sposoby

ładowania

Dawniej do ładowania akumu−

latorów kwasowych często wy−

korzystywano najróżniejsze

prostowniki własnej konstruk−

cji. Rysunek 3 pokazuje kilka

przykładów. Trzeba uprzyto−

mnić sobie, że różnego typu sa−

moróbki mają nieprzewidywal−

ne parametry i nie sposób okre−

ślić, ile energii dostarczono do akumulatora.

Prąd ładowania wyznaczony jest tu przez

wiele czynników, w tym napięcie sieci oraz

właściwości transformatora i akumulatora.

Prostowniki takie mogą łatwo doprowadzić

do przeładowania.

Rys. 1

Rys. 2

W przypadku akumulatorów starego typu

zdawały one jako tako egzamin, bo sygnałem

do zakończenia ładowania było intensywne

gazowanie. W nowych typach nie powinno

się dopuszczać do gazowania, dlatego opisa−

ne właśnie prostowniki domowej roboty mo−

gą poważnie zmniejszyć pojemność i skrócić

czas służby akumulatora.

Rys. 3

Wrzesień 2002

Elektronika dla Wszystkich

Akumulatory

Podstawy

Ponieważ ogromna większość nowocze−

snych akumulatorów ma szczelne obudowy,

więc stare, sprawdzone i skuteczne metody

kontroli stanu i naładowania akumulatora

przez pomiar gęstości elektrolitu są dziś cał−

kowicie bezużyteczne. Pozostaje jeden jedy−

ny sposób – pomiar napięcia na zaciskach.

Na szczęście w akumulatorach kwasowych,

w przeciwieństwie do zasadowych, napięcie

ma ścisły i przewidywalny związek ze sta−

nem naładowania, co pozwala w prosty spo−

sób kontrolować proces ładowania.

i można mieć pewność, że stale są gotowe do

pracy i że dysponują pełną pojemnością.

Teoretycznie w trybie buforowym akumu−

lator kwasowy mógłby też pracować nie

z ustalonym napięciem, tylko z ustalonym

prądem konserwującym, jak na rysunku 5

(porównaj rysunek 4 w EdW 8/2002). Nie−

liczne źródła podają rozmaite wartości prądu

konserwującego: 0,005C (C/200)...0,01C

(C/100), a nawet 0,02C (C/50). Należy wziąć

pod uwagę, że przy znacznym prądzie kon−

serwującym napięcie na akumulatorze na

pewno wzrośnie powyżej zalecanych granic,

co z kolei według niektórych źródeł może

niekorzystnie wpłynąć na trwałość. Dlatego

akumulatory kwasowe powinny zawsze pra−

cować w układach przy stałym napięciu.

O ile dla akumulatorów zasadowych lepiej

jest stosować sposób z ustalonym prądem

konserwującym o wartości około 0,01C,

o tyle dla akumulatorów kwasowych zdecy−

dowanie lepiej jest stosować sposób ze

stałym napięciem

2,25...2,3V/ogni−

wo według ry−

sunku5 . Akumu−

latory kwasowe

i zasadowe mają

w tym wzglę−

dzie odwrotne

właściwości.

wet powiedzieć, że są dość tolerancyjne, na−

wet w przypadku błędów. Należy tylko prze−

strzegać podstawowych zasad:

− napięcie końcowe ładowania nie powinno

przekraczać 15V,

− maksymalny prąd ładowania nie powi−

nien być większy niż 0,3C.

Minimalnego prądu ładowania się nie

określa. Przy znikomych prądach nowy

sprawny akumulator powoli się naładuje, ale

w starym, zużytym ten sam prąd nie pokryje

nawet strat samowyładowania.

Zasilacze buforowe

Akumulatory kwasowe, zwłaszcza żelowe

o pojemności do kilkudziesięciu amperogo−

dzin, bardzo często pracują w tak zwanym

trybie buforowym (standby), jako baterie re−

zerwowe. Oznacza to, że cały czas podłączo−

ne są do źródła napięcia, do zasilacza.

Rysunek 4 pokazuje prosty układ pracy

buforowej – zasilacz stabilizowany z ograni−

czeniem i akumulator są połączone ze sobą

równolegle. Dodatkowa dioda na wyjściu za−

silacza uniemożliwa „cofanie się” prądu

z akumulatora do zasilacza, gdy zabraknie

napięcia sieci. Ogranicznik prądu w zasilaczu

trzeba tak ustawić, by maksymalny prąd ła−

dowania nie przekroczył 0,3C.

Uwaga!

Wbuforowym

trybie pracy

należy ustawić

na akumulato−

rze 12−wolto−

wym napięcie

13,5...13,8V

(na 6−wolto−

wym 6,8...6,9V). Odpowiada to 2,25...2,3V

na ogniwo. Akumulator kwasowy cały czas

pozostaje pod takim bezpiecznym napięciem,

jest naładowany i stale gotowy do pracy. Je−

śli napięcie to byłoby nieco wyższe, nic tra−

gicznego się nie stanie, jednak żywotność

akumulatora będzie mniejsza. Z kolei napię−

cie niższe od podanego też nie grozi awarią,

ale przy niższym napięciu akumulator nie zo−

stanie w pełni naładowany.

Podanego zakresu 13,5...13,8V nie należy

traktować jako nieprzekraczalnych granic

bezpiecznej pracy. Jest to zakres optymal−

nych warunków i korzystnej zależności trwa−

łość/pojemność. W trybie buforowym należy

więc w miarę możliwości pracować przy ta−

kim napięciu, wiedząc, że zmiana napięcia

o 0,2V w jedną czy drugą stronę nie jest żad−

na tragedią.

Wcześniej wspomniane było, że podobnie

mogą pracować akumulatory zasadowe –

tamte jednak mogą w takim napięciowym

trybie przeformować się i nie zgromadzą peł−

nego ładunku. Natomiast akumulatory kwa−

sowe doskonale sprawdzają się w trybie bu−

forowym przy napięciu 2,25...2,3V/ogniwo

Rys. 6

Rys. 5

W praktyce można wykorzystać prostą me−

todę ładowania prądem o niezmiennej wartości

(0,1...0,3C) przez czas potrzebny na władowa−

nie 120% pojemności znamionowej (1,2C).

Przykładowo akumulator o pojemności

10Ah można ładować:

prądem 1A przez 12 godzin,

prądem 1,2A przez 10 godzin,

prądem 2A przez 6 godzin,

prądem 3A przez 4 godziny,

prądem 4A przez 3 godziny.

Metoda wydaje się prosta i łatwa, ale

w praktyce bywa bardzo rzadko stosowana,

bo wymaga układu zapewniającego prąd

o niezmiennej wartości (źródło prądowe) oraz

wyłącznika czasowego. Nie uwzględnia także

zmian pojemności pod wpływem starzenia.

Rys. 4

Praca cykliczna

Praca cykliczna to taka, kiedy akumulator

jest naładowany, a następnie rozładowany,

ponownie naładowany i tak dalej. Całkowite

rozładowanie nie oznacza, że napięcie na za−

ciskach spadnie do zera, tylko do napięcia

1,5...1,8V na ogniwo, co dla akumulatora 12−

−woltowego daje 9...10,8V. Rozładowanie do

zera jest zdecydowanie szkodliwe i najczę−

ściej wiąże się ze znaczną, nieodwracalną

utratą pojemności. Bardzo duży wpływ na

żywotność akumulatora ma też głębokość

wyładowania. Rysunek 6 pokazuje utratę po−

jemności w funkcji liczby cykli ładowa−

nie/rozładowanie przy różnych głęboko−

ściach rozładowania. Interpretacja wykresu

może być niejednoznaczna, ale warto zapa−

miętać ważny wniosek praktyczny: w miarę

możliwości korzystniej jest zastosować

akumulatoropojemności większej niż wy−

magane minimum i nie rozładowywać go

do końca (zaleca się wyładowanie do napię−

cia 1,9...2,0V/ogniwo), bo wtedy znacznie

wzrośnie trwałość. Różnica ceny mniejszego

i większego akumulatora nie jest znacząca,

a trwałość, jak pokazuje rysunek 6, wzrośnie

dużo, nawet kilkakrotnie.

W materiałach firmowych proponuje się

kilka metod ładowania, a do tego szereg wy−

kresów, co często przestrasza praktyków,

którzy nie chcą wgłębiać się w szczegóły. Na

szczęście akumulatory kwasowe nie wyma−

gają ścisłych procedur ładowania. Można na−

Rys. 7

Przy prądach rzędu kilku amperów proste

źródło prądowe, na przykład według rysunku

7 , wymagałoby zastosowania potężnych tran−

zystorów mocy T2 i radiatorów do nich. Na

szczęście dzięki charakterystycznym właści−

wościom akumulatorów kwasowych układy

ładowarek można znacznie uprościć. Zostanie

to omówione w następnej części artykułu.

Jerzy Częstochowski

Elektronika dla Wszystkich

Wrzesień 2002

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: