Akumulatory kwasowo-ołowiowe

Wprawdzie kluczowe właściwości akumulatorów kwasowo-ołowiowych są słabsze, niż większości innych akumulatorów, jednak niska cena powoduje, iż nadal są to akumulatory najbardziej popularne. Akumulatory ołowiowe są powszechnie wykorzystywane do napędu elektrycznych wózków widłowych, wózków golfowych, skuterów elektrycznych itp.

W takich zastosowaniach pracują cyklicznie: na przemian są ładowane i rozładowywane. Akumulatory ołowiowe znajdują szerokie zastosowanie z urządzeniach bezprzerwowego zasilania, począwszy od małych domowych zasilaczy UPS do potężnych systemów w serwerowniach.

W takich zastosowaniach akumulatory kwasowo-ołowiowe pracują w tak zwanym trybie buforowym: są na stałe podłączone do ładowarki, która utrzymuje na akumulatorze "napięcie buforowe" i jest on stale gotowy do oddania energii w przypadku zaniku napięcia w sieci energetycznej.

W pokrewny sposób akumulatoy kwasowe pracują w samochodach. Podczas pracy silnika regulator alternatora utrzymuje na akumulatorze określone napięcie (14,4 V), zapewniając, że jest on w pełni naładowany.

Zasada działania

Rysunek 1. Zależność sprawności ładowania od stopnia naładowania (góra) oraz prądu ładowania (dół)

Przypomnijmy, że w akumulatorze kwasowo-ołowiowym podstawą magazynowania energii jest odwracalna zamiana metalicznego ołowiu (i tlenku ołowiu) w siarczan ołowiu (PbSO₄), co zachodzi przy udziale elektrolitu, którym jest dość mocny, bo 37-procentowy roztwór kwasu siarkowego (H₂SO₄).

Najprościej mówiąc, w naładowanym w pełni akumulatorze elektrolit - kwas siarkowy ma maksymalną gęstość. W trakcie rozładowania akumulatora tworzy się siarczan ołowiu i stężenie kwasu w elektrolicie maleje. W całkowicie rozładowanym akumulatorze stężenie kwasu jest zerowe, a elektrolitem jest... woda (destylowana).

Sumarycznie, te odwracalne procesy chemiczne można zapisać następująco:

Pb + SO₄^2- → PbSO₄ + 2e^-
PbO₂ + 2e^- + 4H⁺ + SO₄^2- → PbSO₄ + 2H₂O

Można powiedzieć, że podczas ładowania energia elektryczna powoduje "rozrywanie" siarczanu ołowiu (PbSO₄), przez co elektrolit zawiera coraz więcej kwasu siarkowego. Problem w tym, że gdy zostaną "rozerwane" wszystkie cząstki siarczanu ołowiu, czyli gdy akumulator zostanie całkowicie naładowany, dalsze dostarczanie energii elektrycznej powoduje "rozrywanie" cząsteczek wody (H₂O), w wyniku czego powstaje gazowy tlen i gazowy wodór. Taki proces nazywany gazowaniem akumulatora.

Nominalne napięcie jednego ogniwa kwasowo- ołowiowego wynosi 2 V. Akumulatory 6-woltowe składają się z trzech ogniw, nazywanych celami (ang. cell), a 12-woltowe - z 6 ogniw (ściślej biorąc, napięcie nominalne wynosi 2,1 V, stąd wzięło się napięcie żarzenia 6,3 V lamp elektronowych, żarzonych często z pomocą akumulatorów).

Rysunek 1 zawiera ważne dla głównego tematu artykułu informacje. Z dolnej części wynika, że w typowych warunkach sprawność ładowania przekracza 95%, czyli prawie cała władowana energia zostaje zmagazynowana, a na ciepło zamienia się tylko kilka procent dostarczonej energii. Ważniejsze i niepokojące dane niesie górna część rysunku.

Mianowicie sprawność spada, gdy akumulator dochodzi do stanu całkowitego naładowania. W zasadzie to oczywiste, że gdy reakcji ulegnie cała masa czynna akumulatora, nie ma już czego ładować, a gdy prąd dalej płynie i dostarczana jest energia, to nie może ona być wykorzystana i po części zamienia się na ciepło, a po części powoduje elektrolizę wody, czyli gazowanie.

Niepokojące jest to, że sprawność ładowania zaczyna się zmniejszać już przy naładowaniu do około 75%. A to oznacza, że szczególną uwagę należy poświecić właśnie końcowej fazie ładowania. Dotyczy to zwłaszcza wersji ze szczelną obudową.

Rodzaje akumulatorów kwasowych

Fotografia 2. Akumulatory z korkami

W klasycznych akumulatorach każde ogniwo ma korek-zawór. Do dziś produkowane są akumulatory, tzw. suchoładowane, które przed pierwszym użyciem trzeba napełnić elektrolitem (o gęstości 1,28 g/cm³), a potem dolewać wody destylowanej, gdy poziom elektrolitu spadnie poniżej zaznaczonego minimum. Fotografia 2 pokazuje akumulatory z korkami, pozwalającymi na dolewanie wody.

Podczas ładowania starych akumulatorów tego typu należało odkręcić korki, by umożliwić ulotnienie się z wnętrza powstających gazów. W nowszych odkręcanie korków nie jest potrzebne, bowiem wbudowane zawory wypuszczą nadmiar gazów. W każdym razie akumulatory wyposażone w korki nie wymagają szczególnych warunków ładowania. Gdy nastąpi ich przeładowanie i w procesie gazowania część wody zostanie zamieniona w tlen i wodór, można łatwo naprawić problem, dolewając wody destylowanej.

W dawnych akumulatorach kontrolowanie gęstości elektrolitu za pomocą areometru pozwalało określić stan naładowania (w całkowicie naładowanym 1,26...1,28 g/ cm³, w rozładowanym blisko 1 g/cm³), a dolewanie wody było powszechną i konieczną praktyką. Do ładowania takich starych akumulatorów stosowano prymitywne prostowniki, zawierające tylko transformator i mostek prostowniczy.

Rysunek 3. Proste ładowarki do akumulatorów kwasowych

Akumulator był ładowany prądem tętniącym, a więc o dużej składowej zmiennej. Do regulacji prądu wykorzystywano albo odczepy transformatora, albo rezystory drutowe na stronie wtórnej, albo w najprostszym przypadku żarówkę włączoną w szereg z uzwojeniem pierwotnym - rysunek 3.

Takie stare akumulatory nie bały się przeładowania. Towarzyszące temu gazowanie nie uszkadzało akumulatora, a jedynie elektrolizę i ubytek wody. Wystarczyło co jakiś czas dolewać wody destylowanej.

Postęp techniczny, między innymi zastosowanie jako dodatków wapnia zamiast antymonu, pozwoliło stworzyć akumulatory, w których w prawidłowych warunkach eksploatacji mają bardzo mały ubytek wody. Powstały tak zwane akumulatory bezobsługowe. Samo określenie "bezobsługowy" oznacza tylko tyle, że ubytek wody jest mały i producent nie przewiduje potrzeby dolewania wody.

Fotografia 4. Samochodowy akumulator bezobsługowy z "magicznym oczkiem" (Centra Futura)

Niemniej w wielu "bezobsługowych" jak najbardziej istnieje możliwość dolania wody. Dostępne są też wersje całkowicie bezobsługowe, które nie mają korków do wlewania wody, a co najwyżej zawory ciśnieniowe lub jeden wspólny zawór, umożliwiający usunięcie nadmiaru gazów w przypadku przeładowania.

Zawory te chronią przez wybuchem i uniemożliwiają wyciek elektrolitu przy przewróceniu akumulatora. Jednak w każdym silnie przeładowanym akumulatorze kwasowo-ołowiowym nastąpi oczywiście intensywne gazowanie i ubytek wody, której w całkowicie bezobsługowym nie można uzupełnić z powodu braku korków.

Współczesne akumulatory samochodowe często mają wbudowane tzw. "magiczne oczko", którego kolor z grubsza określa stan akumulatora (zielony - OK, czarny - trzeba ładować, biały - uszkodzenie, niedobór elektrolitu). Dla ciekawości można wspomnieć, że nie jest to żaden układ elektroniczny, tylko prosty miernik gęstości i poziomu elektrolitu z... zieloną kulką. Na fotografii 4 pokazano samochodowy akumulator bezobsługowy z "magicznym oczkiem" (Centra Futura).

GEL i AGM

Fotografia 5. Przykładowe akumulatory AGM

W wielu zastosowaniach potrzebne są akumulatory bezpieczne w eksploatacji, całkowicie szczelne, w których na pewno nie nastąpi wyciek żrącego kwasu. Powstały akumulatory nazywane VRLA battery (valve-regulated lead-acid battery), czasem określane jako SLA (Sealed Lead-Acid). Tu podstawą jest nie tylko zastosowanie szczelnych zaworów, ale też uwięzienie elektrolitu w celach.

Znane są dwa typy akumulatorów VRLA, a mianowicie bardziej popularne AGM i znacznie rzadziej spotykane żelowe (GEL).

AGM to skrót "Absorbed Glass Mat". W celach między płytami umieszczona jest wata (mata) szklana, w której uwięziony jest żrący elektrolit. Na fotografii 5 pokazano różne akumulatory AGM. Natomiast w akumulatorach żelowych (fotografia 6) elektrolit ma postać żelu, a to dzięki dodatkowi krzemionki.

Fotografia 6. Przykładowe akumulatory żelowe

Przeciętny użytkownik nie dostrzeże "na oko" różnicy między AGM i żelowymi, ponieważ ich konstrukcja i obudowa mogą być jednakowe, czego przykład pokazuje fotografia 7 (akumulatory brytyjskiej firmy Camden). Często oznaczenia AGM na akumulatorze nie ma; nie zawsze też na żelowych jest napis GEL. Takie szczelne akumulatory nazywane są niesłusznie "żelowymi", choć najczęściej są to akumulatory AGM.

Różnice między akumulatorami AGM i żelowymi polegają głównie na trwałości oraz zalecanych warunkach ładowania i rozładowania. Ogólnie biorąc, większość żelowych nie może pracować przy dużych prądach, więc np. do UPS-ów powszechnie stosuje się akumulatory AGM. Natomiast żelowe mają zwykle większą trwałość, ale tylko w łagodniejszych warunkach pracy. Spotyka się jednak akumulatory żelowe do ciężkiej pracy cyklicznej i głębokiego rozładowania - przykład na fotografii 8.

Należy bardzo wyraźnie podkreślić, że z jednej strony zaletą akumulatorów AGM i żelowych jest szczelność i bezobsługowość, a z drugiej wymagają one starannie dobranych warunków ładowania. Wprawdzie mają one zawory, jednak zadziałają one tylko w przypadku awarii, gdy nastąpi przeładowanie i silne gazowanie.

Fotografia 7. Przeciętny użytkownik nie dostrzeże "na oko" różnicy między AGM i żelowymi, ponieważ ich konstrukcja i obudowa mogą być jednakowe

Natomiast podczas prawidłowego ładowania wydzielają się wprawdzie pewne ilości gazów, rośnie ciśnienie, ale dzięki obecności katalizatora, następuje rekombinacja, czyli ponowna zamiana wodoru i tlenu w wodę. Zawory są zamknięte, a otworzą się tylko przy dużym wzroście ciśnienia, gdy nastąpi silne gazowanie wynikające z przeładowania.

Trzeba wiedzieć, że nawet jednokrotne silne przeładowanie jest zawsze bardzo szkodliwe i może bezpowrotnie zmniejszyć pojemność akumulatora AGM i żelowego. O ile w przypadku starych, klasycznych, otwartych akumulatorów, gazowanie było dopuszczalne, o tyle nie wolno dopuścić do gazowania w akumulatorach AGM i żelowych.

Fotografia 8. Akumulatory żelowe do ciężkiej pracy cyklicznej i głębokiego rozładowania

Bardzo szkodliwe, zwłaszcza w akumulatorach AGM, jest też nadmierne rozładowanie. W grę wchodzi kilka niekorzystnych zjawisk, między innymi tzw zasiarczenie, czyli wytworzenie wewnątrz akumulatora nieprzewodzącej warstewki kryształków nieprzewodzącego siarczanu ołowiu. Nawet jednokrotne "wyładowanie do zera woltów" może spowodować poważną trwałą utratę pojemności (tak wyładowany akumulator należy jak najszybciej naładować).

Jednakowo ważne jest więc, żeby ani nie przeładowywać, ani nadmiernie nie rozładowywać akumulatora. Jest to w sumie proste. Aby nie dopuścić do przeładowania wystarczy ograniczyć napięcie ładowania do bezpiecznej wartości. Aby nie dopuścić do nadmiernego rozładowania warto zastosować układ sygnalizacji obniżenia napięcia, a gdzie to możliwe (przy mniejszych prądach pracy) dodać układ automatycznego odłączania.

Sama idea jest prosta. Jednak optymalne wykorzystanie akumulatorów AGM i żelowych wymaga pewnej wiedzy i odpowiedniego sprzętu. Zanim przejdziemy do szczegółów, jeszcze jeden dość istotny szczegół.

Przeznaczenie...

Rysunek 9. Zależność trwałości akumulatora od głębokości rozładowania

Nietrudno zauważyć, że akumulator samochodowy o danej pojemności jest zdecydowanie tańszy od "niesamochodowego" o tej samej pojemności. Wynika to przede wszystkim z faktu, że akumulator samochodowy jest przeznaczony do pracy w stosunkowo łagodnych warunkach.

Wprawdzie zmiany temperatury podczas jego użytkowania są duże, od -20°C do ponad +40°C, jednak w samochodzie jest on stale podładowywany przez alternator i regulator, utrzymywane na nim jest wtedy napięcie 14,4 V, a prąd oddaje niezbyt często, na pewno duży prąd przez kilka do kilkunastu sekund podczas rozruchu oraz niewielkie prądy podczas postoju.

W związku z tym akumulatory samochodowe mają stosunkowo delikatną budowę i nie nadają się do ciężkiej pracy cyklicznej, gdy po naładowaniu są rozładowywane prawie całkowicie, więc nie nadają się, na przykład, do napędu elektrycznych wózków widłowych i golfowych ani do napędu elektrycznych silników do łodzi wędkarskich. Przy ciężkiej pracy cyklicznej (ładowanie/pełne rozładowanie), będą po prostu mieć żałośnie małą trwałość i stracą pojemność po niewielkiej licznie cykli.

Do ciężkiej pracy cyklicznej, np. w wózkach widłowych czy golfowych, produkowane są tak zwane akumulatory (baterie) trakcyjne, które mają solidniejszą budowę, ale też są droższe. Nie ma tu jednak konkretnej granicy, a akumulator samochodowy o dużej pojemności, który nie będzie rozładowywany w pełni, tylko częściowo, też może zdać egzamin napędzając np. silnik łodzi wędkarskiej.

Trwałość silnie zależy od głębokości rozładowania. Pojęcie o tym daje rysunek 9, dotyczący akumulatorów AGM. Jeżeli chcemy zwiększyć trwałość, powinniśmy zaopatrzyć się w akumulator o pojemności większej, niż wymagana i nigdy nie rozładowywać go w pełni.

Istnieje mnóstwo rodzajów "niesamochodowych" akumulatorów kwasowych (fotografie 5...8). Wszystkie nadają się do łagodnych warunków pracy buforowej. Ale nie wszystkie nadają się do ciężkiej pracy cyklicznej - tu należy stosować "wzmocnione" wersje przeznaczone do takiej pracy, które są oczywiście droższe. O ile na przykład 100-amperogodzinny akumulator samochodowy sensownej firmy można kupić za znacznie mniej niż 500 zł, o tyle za akumulator głębokiego rozładowania (trakcyjny) 12 V/100 Ah trzeba zapłacić od 750 do ponad 1000 zł.

Jeżeli chodzi o najpopularniejsze szczelne akumulatory AGM, to wiele z nich przeznaczonych jest głównie do pracy w rezerwowych systemach zasilania w stosunkowo łagodnych warunkach. W kartach katalogowych można sprawdzić, czy dany typ nadaje się (jest zalecany) także do pracy cyklicznej.

Koniecznie trzeba też wiedzieć, że poszczególni producenci mają w ofercie kilka, a nawet kilkanaście serii (rodzin) akumulatorów żelowych, różniących się m.in. właśnie zdolnością do pracy cyklicznej oraz żywotnością. I tak na przykład Yuasa oprócz serii podstawowej NP, ma też serię "długowieczną" NPL oraz serie NPC, YPC, En, ENL, UXF, FXH.

Europower obok podstawowej serii EP oferuje serie EPL, EV, EH, EPS, UPS, EC i inne. MW Power obok MW ma serie MWL, MWS, MWH, LMRA, Akumulatory CSB dostępne są w serii GP, ale też GPL, HR, TPL, EVX, EVH... Warto zainteresować się też tymi mniej popularnymi, droższymi odmianami, które w trudniejszych warunkach eksploatacji mogą okazać się bardziej ekonomiczne. Wracamy do kwestii ładowania i rozładowania.

Ochrona przed rozładowaniem

Rysunek 10. Proste rozwiązanie zabezpieczające akumulator (AVT-772)

Jeśli chodzi o ochronę przed nadmiernym rozładowaniem, to w katalogach zawarte są krzywe rozładowania i pokazane są minimalne napięcia rozładowania. Powszechnie przyjmuje się dopuszczalną granice rozładowania 1,75 V/celę, czyli 10,5 V dla akumulatora 12 V.

Na rynku dostępne są sygnalizatory dźwiękowe, ostrzegające przy rozładowaniu poniżej napięcia 10,5 V oraz różne układy zabezpieczające z przekaźnikami lub MOSFET-ami, odłączające obciążenie przy nadmiernym spadku napięcia. Są to zwykle bardzo proste układy i można je wykonać we własnym zakresie nieporównanie taniej. Proste rozwiązanie z MOSFET-em P przedstawione było w EdW - kit AVT-772. Schemat na rysunku 10b. Po zmianie tranzystora (koniecznie MOSFET-a P) na typ o mniejszej rezystancji, prąd maksymalny będzie odpowiednio większy. Można na przykład wykorzystać tani i popularny IRF4905 o prądzie maksymalnym ponad 70 A i rezystancji R_DSon 20 miliomów.

W jednym z pierwszych numerów EdW (4/1996) przedstawiony był bardzo prosty układ zabezpieczenia akumulatora z wykorzystaniem dużo popularniejszego tranzystora MOSFET N. Do tego pożytecznego schematu jeszcze wrócimy.

Ochrona przed przeładowaniem

Rysunek 11. Maksymalny prąd ładowania akumulatora (fragment karty katalogowej)

Zasadniczo sprawa jest bardzo prosta, ponieważ akumulatory kwasowe mają tę bardzo ważną zaletę, że napięcie odzwierciedla stan naładowania. Aby uniknąć przeładowania po prostu nie należy przekraczać określonego napięcia.

Prąd ładowania zawiera się zwykle w granicach 0,1 C...0,3 C (w nielicznych do 0,4 C), czyli jest liczbowo równy 10%...30% pojemności akumulatora (C) wyrażonej w amperogodzinach. Przykładowo dla akumulatora o pojemności C=7 Ah prąd 0,1 C wynosi 0,7 A, a 0,4 C to 2,8 A.

Zwykle w karcie katalogowej podany jest maksymalny prąd ładowania danego akumulatora - przykład na rysunku 11, dotyczy popularnych akumulatorów AGM Europower serii podstawowej EP. Przykładowo maksymalny prąd ładowania akumulatorów 12-amperogodzinnych wynosi 3,6 A, więc jest to prąd 0,3 C (30% liczbowej wartości pojemności).

Ładowanie prądem 0,3 C przez 3 godziny i 20 minut godziny dostarczyłoby do akumulatora ładunek równy nominalnemu (C). Ze względu na niedoskonałą sprawność akumulatora (rysunek 1), dostarczony ładunek musi być większy niż C.

Ładowanie niezmiennym prądem przez określony czas, by władować określoną ilość ładunku (120% pojemności nominalnej) jest zalecane w przypadku niektórych innych akumulatorów, np. NiCd czy NiMH, jednak jest praktycznie niedopuszczalne dla akumulatorów AGM i żelowych (chyba, że do kontrolowanego podładowania podczas długiego przechowywania).

Rysunek 12. Schemat ładowarki z ogranicznikiem prądu

Ładowanie przy stałym prądzie przez odmierzony czas byłoby ewentualnie dopuszczalne przy małym prądzie ładowania, znacznie poniżej 0,1 C (10% liczbowej wartości pojemności). Jednak to też niosłoby ryzyko gazowania. Problem w tym, że napięcie akumulatora ołowiowego rośnie i przy znacznym prądzie przekroczyłoby dopuszczalny poziom, a to spowodowałoby intensywne gazowanie.

Teoretycznie można byłoby wykorzystać jakikolwiek prymitywny prostownik według rysunku 3, kontrolować woltomierzem napięcie i wyłączyć ładowanie, gdy napięcie wzrośnie do wartości granicznej. W praktyce taki sposób kontroli nie zda egzaminu. Trzeba wyeliminować udział człowieka. Ponadto wielu producentów podaje, że akumulatory AGM i żelowe powinny być ładowane "gładkim" prądem stałym o jak najmniejszej zawartości tętnień.

Dlatego do współpracy z akumulatorami żelowymi i AGM stosuje się ładowarki, które w istocie są stabilizatorami o określonym napięciu, zwykle zawierającymi też obwód ogranicznika prądu.

Rysunek 13. Przebieg najpopularniejszej procedury ładowania CCCV (constant current, constant voltage)

Schemat ładowarki z ogranicznikiem prądu pokazuje rysunek 12. W początkowej fazie ładowania akumulator ładowany jest stałym prądem, wyznaczonym przez wartość rezystora R3 (I ~ 0,7 V/R3). Gdy spadek napięcia na R3 zbliża się do 0,7 V, zaczyna się otwierać tranzystor T1 i napięcie jest obniżane na tyle, żeby utrzymać niezmienny prąd.

W tej początkowej fazie w ładowarce działa ogranicznik prądu, a napięcie stopniowo rośnie. Gdy napięcie dojdzie do wartości wyznaczonej przez R1 oraz R2+P1, ładowarka zaczyna pracować jako zwykły stabilizator napięcia z kostką LM317 w najprostszej aplikacji. Napięcie już nie rośnie, a to powoduje, że w bliskim pełnego naładowania akumulatorze prąd samoczynnie zaczyna się płynnie zmniejszać, praktycznie do zera.

Rysunek 14. Charakterystyka ładowania

Przebieg tej najpopularniejszej procedury ładowania, zwanej CCCV (constant current, constant voltage), przedstawiony jest na rysunku 13. Niedopuszczenie do nadmiernego wzrostu napięcia skutecznie zapobiega gazowaniu. Metodą CCCV ładowane są też akumulatory litowe (Li-Ion, LiPo, LiFePO4), tylko różne są dopuszczalne prądy i napięcia.

W zasadzie kwestia maksymalnego prądu ładowania została omówiona. Warto jednak zauważyć, że w katalogach podawane są charakterystyki takiego ładowania przy stosunkowo małym prądzie 0,1 C. Przykład na rysunku 14. Przy takim prądzie czas ładowania wynosi 15...20 godzin, co w wielu przypadkach byłoby czasem niedopuszczalnie długim.

Można skrócić czas ładowania, zwiększając prąd do katalogowej wartości maksymalnej. Także i wtedy czas ładowania będzie 1,5...2 razy dłuższy, niż wynikałoby z podzielenia pojemności nominalnej C przez prąd ładowania (ogranicznika). Jak widać, podstawowe układy elektroniczne ładowarek mogą być i są proste. Pozostaje jednak problem napięcia.

Praca cykliczna i buforowa

Fotografia 15. Na obudowach niektórych akumulatorów jest podany maksymalny prąd ładowania oraz dwa zakresy napięcia

Na niektórych akumulatorach na obudowie podany jest maksymalny prąd ładowania oraz dwa napięcia, a właściwie dwa zakresy napięć. Przykład na fotografii 15.

Dopuszczalne napięcie Cycle use dotyczy pracy cyklicznej, czyli takiej, gdy akumulator jest w ciągu kilku do kilkunastu godzin ładowany, a potem w dłuższym lub krótszym czasie rozładowany. Przykładem jest akumulator od elektrycznego skutera, który pracuje cyklicznie.

Natomiast Standby use to tzw. praca buforowa, gdy akumulator jest cały czas pod napięciem, gotowy do pracy. Typowym przykładem jest UPS. Inny przykład do rezerwowe źródło zasilania domowego systemu alarmowego. Wtedy przez cały czas akumulator dołączony jest do ładowarki-zasilacza, więc nic dziwnego, że napięcie jest niższe, niż przy pracy cyklicznej.

Jak widać na fotografii 15, napięcie przy pracy buforowej ma wynosić 13,5...13,8 V, przy pracy cyklicznej końcowe napięcie ładowania może wynosić 14,4...15,0 V. Ponieważ akumulator 12-woltowy ma sześć cel, daje to w trybie buforowym 2,25...2,30 V/celę, a w trybie cyklicznym 2,4...2,5 V/celę.

Problem temperatury

Rysunek 16. Charakterystyka przejściowa diody 1N4148

Podane zakresy napięcia końcowego zasadniczo dotyczą temperatury 20°C. Gdy natomiast temperatura akumulatora jest inna, należy dostosować napięcie ładowania. I u zaczyna się kłopot. Różne firmy podają nieco inne dane na temat kompensacji wpływu temperatury.

W różnych źródłach można spotkać informacje, że w ładowanym akumulatorze napięcie każdej celi należy zmieniać ze współczynnikiem od -3 do -6 miliwoltów na stopień Celsjusza. Oznacza to, że w niższych temperaturach napięcie ładowania ma być wyższe, bo inaczej akumulator nie naładuje się w pełni. Przy wyższych temperaturach napięcie ładowania należy obniżać, bo wzrost temperatury obniża próg gazowania i pojawia się ryzyko tzw. przebicia termicznego (thermal runaway).

Otóż sytuacja jest podobna jak w diodzie półprzewodnikowej, w której przy niezmiennym napięciu przewodzenia, prąd przewodzenia rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Dla diody 1N4148 ilustruje to rysunek 16: przy niezmiennym napięciu 0,6 V na diodzie, w temperaturze -25°C prąd wyniesie około 0,15 mA, w temperaturze +25°C wzrośnie do ponad 1 mA, a w temperaturze +125°C przekroczy 20 mA.

Gdy prąd rośnie, rośnie też moc strat i ilość wydzielanego ciepła, co dodatkowo podwyższa temperaturę złącza. Wyższa temperatura złącza jeszcze bardziej zwiększa płynący prąd. Przy większych prądach następuje dodatnie sprzężenie zwrotne, które może doprowadzić do nadmiernego wzrostu temperatury i uszkodzenia. Podobnie jest w akumulatorze kwasowym.

W diodach i tranzystorach bipolarnych problem ten występuje przy równoległym ich łączeniu, natomiast w akumulatorach kwasowych problem przebicia termicznego może wystąpić nawet przy ładowarce z ograniczeniem napięcia, o ile temperatura będzie za wysoka a prąd ładowania duży.

Rysunek 17. Zależność napięcia ładowania od temperatury

W praktyce dotyczy to głównie pracy cyklicznej, gdzie chcąc jak najszybciej naładować akumulator pracujemy z możliwie dużymi, maksymalnymi dopuszczalnymi prądami ładowania, rzędu 0,2...0,3 C. Przy pracy buforowej problem występuje rzadko, bo zwykle temperatury pracy są niższe, a prądy ładowania mniejsze, często 0,1 C lub mniej.

W każdym razie problem przebicia termicznego szczelnych akumulatorów żelowych i AGM przy pracy cyklicznej jest istotnym zagrożeniem, którego nie należy lekceważyć.

W niektórych kartach katalogowych podaje się wartości współczynnika cieplnego, najczęściej -3 mV/°C na celę dla pracy buforowej oraz -5 mV/°C na celę dla pracy cyklicznej. Dla akumulatorowa 12-woltowego daje to odpowiednio -18 V/°C oraz -30 mV/°C. Można trafić na informację, że współczynnik cieplny powinien być dostosowany nie tylko do trybu pracy (cykliczna/buforowa), ale też... temperatury.

W niższych temperaturach korekcyjny współczynnik cieplny powinien być większy. W jeszcze innych kartach katalogowych można znaleźć wykresy, a ich nieliniowy przebieg wskazuje, iż kwestia kompensacji cieplnej jest dość złożona. Przykład masz na rysunku 17.

Nie zawsze jednak ładowarka musi mieć obwód czujnika temperatury, korygującego napięcie ładowania. Przykładowo, jeżeli akumulator będzie pracował buforowo w systemie alarmowym w mieszkaniu, to można założyć, iż zakres spodziewanych zmian temperatury otoczenia i akumulatora wyniesie 15°C, od +15°C do +30°C, czyli inaczej mówiąc 22,5°C±7,5°C.

Rysunek 18. Wąskie zakresy graniczne dla pracy cyklicznej i buforowej

Przyjmując dla trybu buforowego akumulatora 12 V współczynnik cieplny -18 mV/°C, przy zmianach temperatury o 15 stopni powinniśmy zmieniać napięcie akumulatora o 270 mV (0,27 V). Tymczasem jak widzimy na fotografii 15, zalecany zakres napięcia przy pracy buforowej wynosi 13,5...13,8 V, czyli margines 300 mV jest większy, niż wyliczona kompensacja. Oznacza to, że można uprościć układ ładowarki buforowej i ustawić w temperaturze 22°C niezmienne napięcie buforowe około 13,6...13,65 V.

Przy pracy buforowej w zakresie temperatur +15°C...+35 nie ma konieczności dodawania obwodu kompensacji temperatury - wystarczy w temperaturze pokojowej ustawić napięcie buforowe 13,65 V, czyli 2,275 V/ ogniwo.

Inaczej jest przy pracy cyklicznej. Rozważmy teraz przykład akumulatora AGM do łódki wędkarskiej przy znacznym prądzie ładowania. Załóżmy, że jest to stosunkowo mały akumulator 40 Ah, który ładujemy w domu letniskowym dużą ładowarką prądem 10 A.

Należy założyć, że podczas upalnego lata otoczenie może mieć nawet +35°C, a przy prądzie ładowania 10 A dojdzie do tego podgrzewanie wnętrza akumulatora, więc możemy przyjąć maksymalną temperaturę akumulatora +55°C. Z kolei temperatura wiosną i jesienią może spaść nawet poniżej 0 stopni i wnętrze dobrze chłodzonego akumulatora będzie miało około zera stopni. Jeżeli założymy zakres temperatur pracy od 0 do +55°C i współczynnik cieplny -30 mV/°C przy pracy cyklicznej powinniśmy zmieniać końcowe napięcie ładowania aż o 1,65 V!

Rysunek 19. Zalecane charakterystyki ładowania pewnego akumulatora żelowego

W temperaturze +20°C zalecany zakres napięć ładowania wynosi 14,4...15,0 V. Gdy takie napięcie zastosujemy przy temperaturze 0 stopni Celsjusza, akumulatora po prostu nie naładujemy. Przy współczynniku -30 mV/°C zakres napięć ładowania w temperaturze bliskiej zeru powinien wynosić 15,0...15,6 V. Natomiast przy temperaturze akumulatora +55°C napięcie końcowe powinniśmy zmniejszyć do 13,35...13,95 V, by nie dopuścić do gazowania i przebicia termicznego.

Zgadza się to, a przynajmniej jak najbardziej zgadzają się górne granice napięć, z rysunkiem 17. Niemniej poszczególni producenci dla swoich akumulatorów podają nieco inne informacje. I tak można znaleźć zalecenia, żeby napięcie przy ładowaniu cyklicznym wynosiło 14,5...14,9 V, a przy buforowym 13,6...13,8 V. Rysunek 18 pokazuje znacznie węższe zalecane zakresy napięcia dla pracy cyklicznej i buforowej, określone z tolerancją 20 mV.

Rysunek 19 to zalecane charakterystyki ładowania pewnego akumulatora żelowego. Interesujące dane zawiera rysunek 20, pokazujący zalecenia dotyczące różnych serii akumulatorów żelowych Sonnenschein. Jak widać, w związku z różnicami konstrukcji, inne są zalecane wartości napięcia ładowania. Jeżeli użytkownik ma dostęp do tego rodzaju danych swojego akumulatora, należy się do nich stosować, by uzyskać optymalne parametry i trwałość.

Rysunek 20. Zalecenia dotyczące różnych serii akumulatorów żelowych Sonnenschein

Ktoś mógłby tu stwierdzić, iż należy monitorować nie temperaturę otoczenia, tylko temperaturę wnętrza akumulatora, co jednak jest bardzo trudnym, a nawet niewykonalnym zadaniem. W zasadzie tak, ale w praktyce już czujnik temperatury otoczenia może zapewnić prawidłową kompensację, a nawet okazać się lepszy niż mierzenie temperatury wnętrza akumulatora.

Okolicznością sprzyjającą jest fakt, że nagrzewanie wnętrza akumulatora znacznym prądem ładowania będzie najsilniejsze w pierwszej fazie. Natomiast po osiągnięciu wyznaczonego napięcia, prąd będzie malał i akumulator będzie pomału stygł do temperatury otoczenia.

Rysunek 21. Przebieg ładowania przyśpieszonego

I tu trzeba wspomnieć o przyspieszonym procesie ładowania, który jednak wymaga nieco bardziej inteligentnej ładowarki. Mianowicie przyspieszenie polega na tym, że w pierwszej fazie ładowania ustawione jest podwyższone napięcie maksymalne, dzięki czemu akumulator można naładować szybciej, bo później zacznie się zmniejszać prąd, gdy będzie już praktycznie w pełni naładowany.

Gdy napięcie ładowanego akumulatora dojdzie od ustawionej podwyższonej granicy, a prąd wreszcie zacznie się zmniejszać, następuje przełączenie - obniżenie wartości napięcia ładowarki, co wprawdzie powoduje gwałtowne zmniejszenie prądu ładowania, ale za to niższe, bezpieczne napięcie wykluczy groźbę gazowania nawet wtedy, gdy akumulator pozostanie długo dołączony do ładowarki. Charakterystyki takiego ładowania pokazane są na rysunku 21, a taka ładowarka wbrew pozorom, może być prosta.

Taka idea jest interesująca, jednak w literaturze trudno znaleźć konkretne wskazówki i informacje o poziomach napięć podczas ładowania dwustopniowego. Niemniej podobne "przyspieszone ładowanie" zachodzi wtedy, gdy w pierwszej fazie temperatura wzrasta pod wpływem znacznego prądu, a potem prąd maleje i akumulator stygnie.

Także i w tej kwestii nie ma konkretnych informacji, a te, które można znaleźć w materiałach producentów, nie są spójne. Przy próbie samodzielnej realizacji trzeba pamiętać o możliwości przebicia termicznego, by doń nie dopuścić.

Piotr Górecki
pg@elportal.com.pl