Akumulatory - sprawdzanie i eksploatacja

Dla różnych typów akumulatorów wyspecyfikowanych poniżej prowadzi się podobne test sprawdzające, które mają na celu określenie, jak szybko spada napięcie na pojedynczym ogniwie w danym czasie przy danym obciążeniu. Szybszy lub wolniejszy spadek napięcia zależy od sposobu eksploatacji (charakter obciążenia, warunki termiczne pracy baterii) i od pierwotnej jakość wykonania. W trakcie eksploatacji wzrasta rezystancja wewnętrzna baterii, którą można pomierzyć np. galwanometrem – jest to jeden ze sposobów badania baterii/akumulatorów – lub bardziej powszechne badaniem, w którym bada się charakterystykę rozładowania baterii (voltomierzem). Do większości badań stosuje się standardy EuroBatt, w których kryterium potwierdzające przydatność do użytkowania to utrzymanie w zadanym czasie, przy zadanym obciążeniu 80% pojemności. Badania odnosi się do modelowej charakterystyki rozładowania.

Wielkościami charakterystycznymi akumulatorów są: napięcie, pojemność i maksymalny prąd obciążenia. Napięcie akumulatora zależy głównie od materiału elektrod oraz ilości ogniw połączonych szeregowo. Natomiast pojemność, czyli zgromadzony w akumulatorze i dostępny do wykorzystania ładunek, jest parametrem zdefiniowanym jako iloczyn prądu pobieranego z akumulatora i czasu jego pobierania. Pojemność Q przyjęto wyrażać w amperogodzinach (Ah) i ich podwielokrotnościach, a nie w kulombach (1 Ah = 3600 C).

Sprawność akumulatora, czyli stosunek energii oddanej podczas pracy do energii włożonej do akumulatora w procesie ładowania jest zawsze mniejsza od jedności. W większości akumulatorów sprawność jest rzędu 60%.

Dostępne napięcie akumulatora zwiększa się przez łączenie szeregowe ogniw, tworząc baterię. Zwiększenie prądu wyjściowego akumulatora i jego pojemności uzyskuje się przez równoległe łączenie ogniw. Przy takim połączeniu siły elektromotoryczne poszczególnych ogniw muszą być identyczne. W przeciwnym wypadku ogniwa o wyższym napięciu będą ładować ogniwa o niższych napięciach. Prąd obciążenia akumulatora, przy połączeniu równoległym, dzieli się po równo zgodnie z prawem Ohma. Całkowity prąd obciążenia akumulatora jest sumą prądów obciążenia poszczególnych gałęzi ogniw.

Spośród znanych technologii ogniw najniższy koszt wytwarzania jednej amperogodziny mają ogniwa ołowiowo-kwasowe i z tego powodu, mimo licznych wad – znacznego ciężaru, dużej objętości, kłopotliwej eksploatacji – nadal są powszechnie stosowane.

Do zasilania urządzeń przenośnych najczęściej stosowane są akumulatory niklowo- kadmowe Ni-CD, niklowo-wodorkowe (Ni-MH) i akumulatory litowo-jonowe Li-ion.

W ramach oględzin baterii akumulatorów konieczne jest określenie warunków, w których normalnie pracują akumulatory, szczególnie ważną kwestią są warunki termiczne.

Praca akumulatorów w podwyższonych temperaturach powoduje znaczne i szybkie skrócenie ich żywotności. Żywotność zmniejsza się o połowę przy każdym wzroście temperatury o 8^oC powyżej znamionowej temperatury pracy. Żywotność akumulatora eksploatowanego w temperaturze 33^oC skróci się o 50%.

Aby uzyskać maksymalną żywotność akumulatorów pracujących buforowo, należy:

1. instalować je z daleka od urządzeń nagrzewających się, np. silników elektrycznych, grzejników,
2. zachować co najmniej 1,5 cm wolnej przestrzeni wokół baterii, aby zapewnić swobodny przepływ powietrza,
3. zastosować efektywną wentylację – naturalną lub sztuczną,
4. do ładowania akumulatorów stosować zasilacze z kompensacją temperaturową napięcia ładowania w przypadku wzrostu temperatury akumulatora powyżej
   25^oC.

Akumulatory wbudowane w urządzenia powinny być umieszczane na ich najniższym poziomie, z zachowaniem możliwości nieograniczonej wentylacji.

Łączenie szeregowo-równoległe akumulatorów różnych producentów, pojemności i dat produkcji jest niedopuszczalne, bo może spowodować uszkodzenie akumulatorów lub współpracujących z nimi urządzeń.

Do łączenia akumulatorów należy stosować przewody o tej samej rezystancji w całej instalacji. Należy sprawdzić, czy każda z gałęzi połączonych szeregowo ma takie same parametry, tzn. SEM, impedancję i czy zapewniony jest równomierny rozpływ prądów do odbiorników.

Akumulatorów nie należy instalować w miejscach:

1. narażonych na bezpośrednie działanie promieni słonecznych i innych źródeł ciepła,
2. o nadmiernym poziomie radioaktywności, promieniowania podczerwonego lub ultrafioletowego,
3. w obecności rozpuszczalników organicznych i substancji korodujących,
4. narażonych na wstrząsy i wibracje.

Dla uzyskania maksymalnej żywotności i niezawodności akumulatorów bezobsługowych pracujących w bateriach, łączonych szeregowo lub równolegle, muszą być przestrzegane podstawowe wymagania eksploatacyjne, do których należą: ładowanie, rozładowywanie oraz przeglądy okresowe i pomiary.

Zazwyczaj akumulatory należy ładować metodą stałoprądową z ograniczeniem początkowego prądu ładowania. Początkowy prąd ładowania nie powinien być większy niż 0,3 Q [A]. Q – pojemność akumulatora w Ah. Zalecane jest jednak, aby początkowy prąd ładowania nie przekraczał 0,1 Q [A].

Napięcie ładowania w czasie pracy buforowej powinno mieścić się w zakresie od 2,25 do 2,30 V/ogniwo. Najlepiej, aby napięcie to wynosiło 2,275 V/ogniwo, czyli dla akumulatorów 12-woltowych w granicach 13,5 do 13,8 V. W akumulatorach przeznaczonych do pracy cyklicznej, gdy stanowią podstawowe źródło zasilania, napięcie ładowania powinno wynosić 2,40 do 2,50 V/ogniwo, zalecane jest napięcie 2,45 V/ogniwo.

W przypadku znacznych wahań temperatury w otoczeniu akumulatorów powinny być stosowane do ich ładowania prostowniki z kompensacją temperaturową napięcia ładowania, które zmniejszają napięcie ładowania przy wzroście temperatury. Współczynnik kompensacji temperaturowej wynosi zwykle minus 3,3 mV/^oC/ogniwo. Powyżej 25^oC napięcie ładowania powinno być tak stabilizowane, aby jego tętnienia nie przekraczały 1,5%.

Akumulatory bezobsługowe są bardzo wrażliwe na nadmierne, zbyt głębokie rozładowanie, które powoduje zmniejszenie ich zdolności magazynowania energii elektrycznej, zmniejszenie znamionowej pojemności Q i skrócenie żywotności. Zbyt głęboko rozładowane akumulatory ulegają zasiarczeniu, co powoduje częściową, nieodwracalną utratę pojemności. Minimalne dopuszczalne napięcie rozładowania zależy od prądu rozładowania i zazwyczaj wynosi 80% napięcia w pełni naładowanego akumulatora. Przy prądzie większym lub równym 1 Q {A} i krótkim czasie rozładowania – 30 minut, minimalne dopuszczalne napięcie rozładowania wynosi 8 V, zaś przy prądach mniejszych od 0,2 Q {A} i długich czasach rozładowania minimalne dopuszczalne napięcie rozładowania wynosi 10,5 V.

Przed ładowaniem należy sprawdzić poziom elektrolitu w ogniwach. Poziom ten powinien znajdować się co najmniej 5 mm ponad krawędziami izolacji międzypłytowych. W razie potrzeby należy uzupełnić stan wody destylowanej w ogniwach. Należy sprawdzi temperaturę elektrolitu. W razie przekroczenia 45^oC nie ładować baterii ze względu na zagrożenie wybuchem.

Należy kontrolować proces ładowana baterii, który dla baterii rozładowanej w 80% wynosi ok. 5 godzin do stopnia pierwszego, czyli do czasu rozpoczęcia gazowania (2,4 V na ogniwo) i dalsze ok. 3 godziny do oznak pełnego naładowania.

Ogniwo uważa się za naładowane, jeżeli w ciągu ostatnich dwóch godzin ładowania prądem o stałej wartości napięcie na zaciskach ogniwa i ciężar właściwy elektrolitu pozostają stałe i występuje intensywne gazowanie na płytach obu biegunów.

Po naładowaniu baterii i wyłączeniu prostownika należy sprawdzić areometrem gęstość elektrolitu i skorygować ją do 1,28 g/cm³ przez:

• odjęcie elektrolitu z ogniw i dolanie elektrolitu o gęstości 1,40 g/cm³, jeżeli gęstość jest mniejsza od wymaganej,
• odjęcie elektrolitu i dolanie wody destylowanej, jeżeli gęstość jest większa od wymaganej.

Następnie należy kontynuować ładowanie przez godzinę celem wymieszania cieczy w ogniwach.

Pomieszczenie, w którym odbywa się ładowanie baterii powinno by wyposażone w skuteczną wentylację.

Akumulatory litowo-jonowe używane w pojazdach mechanicznych mogą być szybko ładowane, zazwyczaj od 0 do 80% pojemności w czasie 15 do 30 minut, bez wpływu na ich trwałość. W przeciwieństwie do akumulatorów Ni-Cd i Ni-MH, akumulatory litowo-jonowe powinny być ładowane często i jak najszybciej po rozładowaniu. Jeżeli nie przewiduje się ich dalszego użytkowania w najbliższym czasie, powinny zostać rozładowane do około 40% pojemności. W takim stanie te akumulatory mają znacznie dłuższą żywotność. Natomiast przechowywane w stanie całkowitego rozładowania mogą ulec uszkodzeniu. Tego typu akumulatory nie wymagają formowania.

W przypadku kwasowych akumulatorów mokrych parametrami, które można mierzyć, są:

1. napięcie akumulatora,
2. gęstość elektrolitu przy użyciu odpowiednio wyskalowanego aerometru,
3. prąd ładowania.

Prawidłowa gęstość naładowanego akumulatora wynosi 1,28 g/cm³.

W przypadku akumulatorów bezobsługowych parametrami do pomiaru są:

1. napięcie akumulatora,
2. prąd ładowania.

W praktyce akumulatory często sprawdza się przy użyciu testerów.

Testery pojemności akumulatorów różnych producentów są zazwyczaj przeznaczone do doraźnych pomiarów parametrów elektrycznych akumulatorów wykonanych w różnych technologiach:

1. pojemności wewnętrznej,
2. rezystancji wewnętrznej,
3. napięcia,
4. temperatury ogniw,
5. prądu, przy użyciu przystawki cęgowej,
6. napięcia zwarcia.

Rezystancja wewnętrzna akumulatora mierzona jest prądem przemiennym metodą czteroprzewodową z funkcją kompensacji przewodów pomiarowych, aby wyeliminować jej wpływ na wynik pomiaru.

Testery zazwyczaj umożliwiają jednoczesny pomiar i odczyty rezystancji wewnętrznej, napięcia, prądu i temperatury. Wyniki pomiarów zapisywane są w pamięci przyrządu i mogą być porównywane z zaprogramowanymi w komputerze wartościami dopuszczalnymi – minimalnymi i maksymalnymi, co pozwala na szybką ocenę stanu technicznego akumulatora. Na podstawie pomiarów i danych z pamięci komputera tester wylicza również stan naładowania akumulatora. Na podstawie pomiarów i danych z pamięci komputera tester może również określić tzw. pozostałą pojemność akumulatora.

W przyrządach pomiarowych stosowane są akumulatory niklowo-kadmowe Ni-Cd, akumulatory Ni-MH oraz akumulatory litowo-jonowe Li-ion.

Ładowanie akumulatorów Ni-Cd zasilających induktory elektroniczne powinno odbywać się po całkowitym rozładowaniu baterii Ni-Cd, ze względu na tzw. efekt pamięci. Induktory typu MIC zasilane akumulatorami Ni-Cd posiadają opcję auto-off celem oszczędzania zużycia baterii. Aby ją wyłączyć dla szybszego całkowitego rozładowania, należy odpowiednio załączać induktor (po naciśnięciu przycisku T_1,2,3) i sprawdzać aktualny poziom naładowania baterii, przez odpowiednie ustawienie przełącznika przyrządu.

Stosowanie zautomatyzowanych ładowarek znacznie przedłuża żywotność akumulatorów, ale też znacznie wpływa na cenę. Same akumulatory są drogie, nie kalkuluje się ich dokupować osobno. W związku z tym należy obchodzić się z nimi poprawnie. Powyższych wad pozbawione są akumulatory wykonane w technologii litowo-jonowej (Li-lon), spotykane masowo w telefonach komórkowych lub laptopach, tabletach itp., ale są dużo droższe.

W przypadku baterii typu Li-Ion i Li-Pol (litowo-polimerowych) warto pamiętać, że są one wyposażone są w tzw. sterownik (driver), który może wpływać na sposób ładowania, rozładowania lub w ogóle możliwość naładowania baterii. Np. baterie typu Li-Pol liczą czas nieużywania i jeżeli bateria nie pracuje, zintegrowany układ elektroniczny rozładowuje baterie do 2/3 pojemności znamionowej, co zapewnia optymalne warunki składowania baterii.