Przydatność 80%

Akumulator

Autor: Bacha

Zalety:
- Niewielki ciężar
- Długa żywotność
- Duża pojemność
- Łatwe ładowanie
- Duży prąd wyładowania
- Nie zanieczyszczanie środowiska
- Mała zależność od temperatury

Powyższe cechy powinny charakteryzować idealne źródło zasilania energią do urządzeń przenośnych. Wszyscy mamy kontakt z wyposażeniem elektronicznym w którym znajdują się akumulatory. W jak najszerszym zakresie chcemy mieć możliwość swobodnego poruszania się z urządzeniami elektrycznymi, bez podłączeń do stałych instalacji. Dlatego istnieje duży, stale rosnący, asortyment akumulatorów o różnorodnych własnościach.

Najczęściej spotykane na naszym rynku akumulatory to ołowiowe, niklowo - kadmowe, niklowo - metaliczno - wodorkowy (NiMH).

Akumulatory ołowiowe

Ogniwa wtórne, istnieją od roku 1860, kiedy Raymond Gaston Plante wynalazł akumulator ołowiowy, kwasowy. Ten typ stanowi ok 60% ogólnej ilości, wszystkich akumulatorów znajdujących się w sprzedaży. Najczęściej akumulatory ołowiowe są najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem, ponieważ koszt jednej Ah pobieranego prądu, szczególnie dla większych akumulatorów, jest zdecydowanie najniższy. Charakterystyczna dla tego typu akumulatorów jest duża odporność na skrajne warunki zewnętrzne., dużą ilość cykli ładowania i rozładowania. Akumulator ołowiowy jest zdecydowanie najlepszy jako źródło zasilania rozrusznika samochodowego, lub źródło mocy rezerwowej. Niestety elektrody wykonane są z ołowiu, co z jednej strony jest korzystne przy ładowaniu i rozładowaniu, ale oznacza to również duży ciężar. Wcześniej rynek był zdominowany przez akumulatory ołowiowe otwarte, dziś z kolei, najczęściej spotykanym typem, są akumulatory bezobsługowe - hermetyczne lub z zaworem regulacyjnym, szczególnie jeśli chodzi o zastosowania przemysłowe.

Istnieje kilka typów akumulatorów ołowiowych z zaworami regulacyjnymi. Są to np. specjalne typy akumulatorów ołowiowych gdzie, elektrody są nawinięte spiralnie, z cienkim separatorem między nimi i cylindryczną obudową. Typy te mają bardzo niską rezystancję wewnętrzną, które umożliwia pobór bardzo dużych prądów w krótkim czasie.

Ładowanie

Akumulator ołowiowy ładuje się stałym napięciem, czyli ze zmieniającą się wartością prądu. Elektrody ołowiowe i elektrolit, składający się z kwasu siarkowego dają napięcie ogniwa 2 V. Ogniwa te łączy się najczęściej w baterie, składające się z 3 lub 6 ogniw. Jeżeli akumulator używany jest do pracy cyklicznej, tj. ładowanie i rozładowanie odbywa się na przemian, napięcie ładowania powinno wynosić 2,40 - 2,50 V/ogniwo, co oznacza 14,4 - 15,0 V dla akumulatora 12 - woltowego. Często używa się akumulatorów ołowiowych jako źródła zasilania rezerwowej. Normalnie nie pobiera się z nich prądu, lecz są stale ładowane, by były w pełni sprawne w sytuacjach alarmowych. Jest to tzw. praca buforowa. Chodzi tu o zastosowanie w UPS-ach, albo instalacjach alarmowych. Napięcie ładowania powinno być wtedy 2,25 - 2,30 V/ogniwo., czyli 13,5 - 13,8 V dla akumulatora 12 - woltowego. Ładowarka powinna zapewniać optymalne warunki ładowania, tj. prąd ładowania przy pracy cyklicznej nie powinien przekraczać ok 10% pojemności akumulatora(0,1C), a przy pracy buforowej - ok. 5% (0,05C). Maksymalny prąd ładowania nie powinien nigdy przekroczyć 1/3 pojemności akumulatora ołowiowego.

Rozładowanie

Największą zaletą akumulatora ołowiowego jest możliwość rozładowania dużymi prądami w krótkim czasie. Normalnie akumulator ołowiowy z zaworem regulacyjnym może być krótkotrwale (<5 sek.) obciążony prądem odpowiadającym 15 krotnej pojemności akumulatora. Maksymalny ciągły pobór prądu nie powinien przekraczać 3 krotnej pojemności.

Żywotność

Dla najczęściej spotykanych akumulatorów ołowiowych czas życia wynosi 3 do 5 lat. Istnieją jednak typy, które mogą pracować nawet po 10 lat. Używa się ich przede wszystkim w telekomunikacji, w urządzeniach alarmowych i źródłach mocy rezerwowej. Często czas życia najlepiej charakteryzuje liczba cykli, które akumulator może wytrzymać zanim pojemność jego spadnie do 60 % wartości początkowej. Na liczbę tą duży wpływ ma sposób eksploatacji, tj. jaka część pojemności jest wykorzystywana przy każdym rozładowaniu (głębokość rozładowania). Wartością standardową jest 500 cykli, kiedy wykorzystuje się 50% pojemności przy każdym rozładowaniu.

Podsumowanie dotyczące akumulatorów ołowiowych

Ciężar jest wyraźnym minusem konstrukcji akumulatora ołowiowego. Czas życia jest różny w zależności od wykonania i sposobu eksploatacji, lecz może być uważany jako długi w stosunku do innych typów akumulatorów. Pojemność często porównuje się z ciężarem, co nie wypada dla nich korzystnie. Jednak produkcja akumulatorów ołowiowych o większych pojemnościach jest relatywnie prosta i tania. Ładowanie jest ich wyraźną zaletą, ponieważ jest bardzo łatwe i nie wymaga złożonych obwodów sterowniczo - kontrolnych. Niestety akumulator ołowiowy, nawet przy najlepszych chęciach, nie może być określony jako korzystny dla środowiska, ponieważ zawiera znaczne ilości niebezpiecznego dla środowiska ołowiu. Parametry akumulatora nie są w szczególny sposób zależne od temperatury przy rozładowaniu (chociaż niska temperatura zmniejsza pojemność akumulatora), natomiast ładowanie winno przebiegać w temperaturze pokojowej, w przeciwnym wypadku wartość napięcia ładowania musi być skorygowana w górę dla osiągnięcia pełnego ładowania.

Akumulatory niklowo – kadmowe

Pierwszy akumulator zasadowy NiFe (niklowo - żelazowy) został skonstruowany w roku 1899 przez Szweda o nazwisku Jungner. Dopiero w 1932 roku akumulator zasadowy otrzymał elektrody z niklu i kadmu, a w latach 60 -tych zaczęto go produkować na skalę przemysłową. Dzisiaj akumulatory NiCd jest bardzo popularny, szczególnie w urządzeniach elektronicznych powszechnego użytku.

Sukces wielu urządzeń bezprzewodowych jest związany z wykorzystaniem akumulatorów niklowo - kadmowych i ich dynamicznym rozwojem w ostatnich latach.

Akumulatory te charakteryzują się dużą gęstością zgromadzonej energii (ilość energii w stosunku do ciężaru), możliwością poborów dużych prądów, długim czasem życia i dużą ilością cykli ładowania i rozładowania. Zwykle używa się akumulatorów NiCd o pojemności od kilku mAh do 10 Ah. Wcześniej produkowano akumulatory w jednym wykonaniu, które miało pokryć wszystkie zakresy zastosowań, lecz obecnie wykonywane są w postaci wielu typów, tak aby otrzymać jak najlepsze parametry dla danego zastosowania. Niektóre muszą mieć maksymalnie dużą pojemność, inne muszą być ładowane możliwie szybko, a jeszcze inne powinny pracować przy wysokich temperaturach otoczenia.

Ogniwo zbudowane jest z elektrody ujemnej z kadmu i dodatniej z niklu. Elektrolitem jest wodny roztwór wodorotlenku potasu. W celu zapobieżenia zwarciu, elektrody są przedzielone porowatym separatorem, wykonanym najczęściej z tworzywa sztucznego. W ogniwach cylindrycznych, w celu uzyskania możliwie dużej powierzchni elektrod (wysoka pojemność) nawija się je spiralnie, z możliwie najcieńszym separatorem (niska wewnętrzna rezystancja, a więc wysoki prąd rozładowania). Procesy elektrochemiczne w akumulatorze są tak dobrane, by powstające przy ładowaniu gazy (tlen powstaje poprzez elektrolizę wody) były pochłaniane. Naturalnie wszystkie ogniwa są wyposażone w zawór bezpieczeństwa, który zapobiega tworzeniu nadciśnienia przy silnym przeładowaniu.

Ładowanie

Akumulatory niklowo - kadmowe ładuje się stałym prądem. Elektrody z niklu i kadmu, oraz elektrolit z wodorotlenku potasu dają napięcie ogniwa ok. 1,2 V. W czasie ładowania należy doprowadzać więcej energii niż otrzymuje się przy wyładowaniu. Przyjmuje się, że energia doprowadzona wynosi 140% energii następnie odzyskiwanej, tzn. że współczynnik ładowania jest 1,4. Normalny prąd ładowania akumulatora NiCd wynosi 0,1 C w czasie 14 - 16 h. Ładowanie można określić zależnością:



I = Q x 1,4 / t

gdzie:

I = Prąd ładowania w A

Q = Pojemność w Ah

1,4= Współczynnik ładowania

t = Czas ładowania w godzinach

Napięcie ogniwa w trakcie ładowania stopniowo rośnie, dochodząc do 1,45 - 1,5 V w końcowym etapie. Dla prądów ładowania poniżej 0,2 C nie ma potrzeby nadzoru nad procesem ładowania.



Ładowanie szybkie (0,5 - 1,5 C)

Akumulatory niklowo - kadmowe mają bardzo korzystną właściwość, polegająca na możliwości przyjęcia dużego ładunku w krótkim czasie. Im krótszy jest czas ładowania, tym ściślejsza musi być kontrola ładowania. Napięcie ogniwa NiCd w czasie ładowania sukcesywnie wzrasta, aby w końcowym etapie nieco zmaleć, gdy ogniwo w pełni jest naładowane. W tym czasie temperatura ogniwa silnie wzrasta.

Nowoczesne ładowarki do szybkiego ładowania wykorzystują metodę -DV (minus delta V) tzn., że wykrywają one zmniejszenie się napięcia i przerywają ładowanie. Należy unikać nadmiernego wzrostu temperatury ogniw, gdyż skraca on znacznie okres ich życia. Dlatego zaleca się używanie jako dodatkowego zabezpieczenia wyłączników bimetalowych. Temperatura ogniwa, po szybkom naładowaniu wynosi ok 45 stopni Celsjusza. Wyłącznik bimetalowy powinien być włączony szeregowo w obwód ładowania i umieszczony na obudowie ładowanego ogniwa. Gdy temperatura przekroczy 45 stopni Celsjusza ładowanie zostaje przerwane. Szybkie ładowanie <1C można również prowadzić przy użyciu wyłącznika czasowego, zgodnie z wcześniej podaną zależnością, lecz również wtedy należy stosować wyłącznik bimetalowy, w celu uniknięcia przegrzania ogniw.

Ładowanie podtrzymujące (buforowe)

Jest to metoda najczęściej stosowana dla ogniw wysoko-temperaturowych i ogniw pastylkowych. Oznacza to, że akumulator jest stale ładowany, tak aby mógł być w każdej chwili wykorzystany przy zaniku napięcia, np. jako zasilanie rezerwowe komputera. Ogniwa cylindryczne NiCd powinny być wówczas ładowane prądem 0,03-0,05 C, zaś ogniwa pastylkowe 0,01 C. Prąd ładowania podtrzymującego ogniwa cylindryczne o pojemności 800 mAh powinien wynosić 24-40 mA.

Rozładowanie

Ogniwo NiCd znosi dobrze duże pobory prądu. Można je obciążać przez bardzo krótkie okresy prądem aż do 100 C. Przy rozładowaniu ciągłym maksymalny pobór prądu nie powinien przekraczać 8-10 C w czasie 4-5 minut. Ogniwo NiCd charakteryzuje się również stałym napięciem (1,2 V) w czasie całego okresu rozładowywania. Za napięcie końcowe (gdy ogniwo jest wyładowane) przyjmuje się wartość 1,0 V. Wadą akumulatorów niklowo - kadmowych jest duży prąd samorozładowania, ok 1% na dobę. Efektem tego jest niska sprawność przy ładowaniu podtrzymującym.

Żywotność

Najczęściej podawanym parametrem ogniw NiCd jest ilość cykli ładowania i rozładowania, który osiąga wartość 1000. Wartość ta zależy jednak w dużym stopniu od sposobu ich eksploatacji. Gdy następuje przeładowanie ogniwa, o czym wspomniano wcześniej, rośnie jego temperatura wewnętrzna przyśpieszająca degradację materiałów składowych. Podobnie dzieje się przy silnym wyładowaniu. Gdy akumulator składający się z wielu ogniw jest rozładowany, istniejące różnice pojemności mogą spowodować, że niektóre ogniwa osiągną napięcie końcowe wcześniej przed innymi. To spowoduje, że część ogniw będzie nie w pełni naładowana, a część przeładowana, co w konsekwencji skróci czas życia całego akumulatora. Przy silnym rozładowaniu, kiedy napięcie ogniwa spada aż do 0,2 V, zdarza się, że może nastąpić odwrócenie polaryzacji. Ogniwa NiCd mają optymalne warunki gdy są rozładowane do 1,0 V przed wtórnym ładowaniem. W ten sposób unika się różnic pojemności poszczególnych ogniw i osiąga najlepsze funkcjonowanie akumulatora.





Podsumowanie wiadomości o akumulatorach niklowo – kadmowych

Waga jest ich dużą zaletą, szczególnie jeżeli przeliczy się ją w stosunku do pojemności. Czas życia, a przede wszystkim podatność na pracę cykliczną są dla tych akumulatorów bardzo dobre. Ładowanie wymaga ścisłego przestrzegania parametrów procesu, o ile chce się ładować szybko z dużym prądem bez zmniejszenia czasu życia akumulatora. Warunek ten nie jest specjalnie kłopotliwy. Parametry ogniwa NiCd są zależne od temperatury, ponieważ rezystancja wewnętrzna wzrasta ze spadkiem temperatury. Praca przy wysokiej temperaturze otoczenia jest możliwa, jeżeli używa się akumulatorów wykonanych specjalnie do tego celu. Stosuje się je np. w urządzeniach oświetlenia awaryjnego.

Akumulatory NiCd zawierają silnie szkodliwy kadm, którego stężenie należy w przyrodzie ograniczać. Obecnie nie istnieje alternatywa dla tego typu akumulatora. W Szwecji jest więc ściśle przestrzegane aby wszystkie wyeksploatowane akumulatory NiCd były zwracane ich dostawcom lub sprzedawcom.

Akumulatory NiHM (niklowo-metaliczno-wodorkowe)

Akumulatory NiHM znane są od połowy lat 70 -tych. Dopiero jednak dziś opinia publiczna żąda bardziej przyjaznych dla środowiska zamienników akumulatorów NiCd i w związku z tym producenci zaczęli prowadzić prace rozwojowe, szczególnie na potrzeby rynkowe. Tocząca się ostatnio dyskusja na temat ochrony środowiska, często dotyczyła szkodliwości działania akumulatorów NiCd i możliwości zastąpienia ich przez akumulatory NiMH. Faktycznie ten typ akumulatorów ma pewne zalety w stosunku do akumulatorów NiCd, ale również liczne wady. W wielu dzisiejszych urządzeniach elektronicznych będzie można zastąpić szkodliwe akumulatory NiCd, ale w wielu innych zastosowaniach, gdzie wykorzystuje się charakterystyczne ich własności, trzeba będzie jeszcze z tym poczekać.

W poniższym opisie chcemy przede wszystkim porównać akumulatory NiMH z NiCd, aby wykazać podobieństwa i różnice między nimi i wyraźnie podkreślić specyfikę akumulatorów NiMH, po to by móc korzystać z nich w możliwie długim czasie.

Zasada działania ogniwa opiera się na magazynowaniu gazowego wodoru w stopie metalu (wcześniej nazywano to ogniwo niklowo-wodorowym). Płytka niklowa stanowi elektrodę dodatnią , a elektrodą ujemną jest specjalny stop metali ziem rzadkich, niklu, manganu, magnezu, aluminium i kobaltu. Żaden z producentów nie chce dzisiaj ujawnić jego składu procentowego, gdyż decyduje on o własnościach akumulatora. Separator wykonuje się poliamidu lub polietylenu. Elektrolit jest zasadowy. Przy ładowaniu i rozładowywaniu wodór przemieszcza się między elektrodami. Zdolność pochłaniania wodoru przez stop decyduje o pojemności akumulatora. Największym problemem, który wymaga aktualnego rozwiązania jest to, że wzrost pojemności powoduje zmniejszenie szybkości reakcji fizyko-chemicznej procesów ładowania, co z kolei ogranicza prąd rozładowania i czas ładowania. Akumulatory NiMH, podobnie jak NiCd, wyposażone są w zawór bezpieczeństwa, który zapobiega powstawaniu nadmiernego ciśnienia w ogniwie.

Ładowanie

Akumulatory NiMH posiadają wyższą pojemność w proporcji do objętości niż NiCd. Oznacza to istnienie większej ilości aktywnej substancji w tej samej objętości. Substancje te mają więc mniejszą objętość do rozszerzania się obudowie i spada szybkość reakcji Fizyko-chemicznych. Następstwem tego NiMH muszą być ładowane wolniej niż NiCd, a proces ładowania wymaga dokładniejszej kontroli w celu uniknięcia przeładowania. Oba typy akumulatorów mają napięcie ogniwa 1,2 V. Ładowanie normalne odbywa się w taki sam sposób, to znaczy prądem ładowania o wartości ok. 0,1 C w czasie 14-16 godzin. Oznacza to, że również współczynnik ładowania, jest taki sam dla obu typów tj. 1,4. Podobnie również wzrasta napięcie ogniwa, by w końcowej fazie ładowania osiągnąć 1,45-1,5 V. Przy ładowaniu prądem o wartości <0,2 C nie trzeba żadnej kontroli ładowania, poza pomiarem czasu.

Ładowanie szybkie

O ile akumulator NiCd można było ładować szybko w czasie 15 minut, to minimalny czas ładowania dla NiMH wynosi ok. 1 godziny. Wzrost temperatury, gdy ogniwo jest bliskie naładowania następuje dużo szybciej w NiMH. Występujące przy tym obniżenie napięcia jest jednak znacznie mniejsze, dlatego dokładność układów kontrolnych wyczuwających jego spadek musi być wyższa.Przy szybkim ładowaniu akumulatorów NiMH, zaleca się używanie conajmniej dwóch systemów zabezpieczeń (-DV, temperatura powierzchni >45 stopni Celsjusza, timer). Należy tu podkreślić, że czas życia akumulatorów NiMH wyraźnie się skraca przy przegrzaniu ogniwa niż NiCd. Zaletą ogniw NiMH jest, że nie podlegają "efektowi pamięciowemu". Jest to zjawisko, które czasami występuje w ogniwach NiCd pracujących w układach, w których wykorzystuje się niewielką część pojemności. Gdy cykl niepełnego rozładowania i ładowania powtarza się następuje zmniejszenie maksymalnej pojemności. Zjawisku temu można zapobiec przeprowadzając kilka (3-4) cykli pełnego rozładowania i ładowania.

Ładowanie podtrzymujące (buforowe)

Ten typ ładowania można zalecać jedynie dla akumulatorów NiMH wykonanych w formie pastylkowej. W akumulatorach cylindrycznych oznacza to ładowanie ciągłe, co zawsze odbywa się kosztem żywotności. Dla ogniw pastylkowych natomiast nie ma większych różnic w stosunku do NiCd.

Rozładowanie

Jak wspomniałem wcześniej, aktywne materiały w ogniwie NiMH mają mniej miejsca na rozszerzanie się wewnątrz ogniwa. Powoduje to zmniejszenie aktywności reakcji. Jest więc naturalne, że również maksymalny prąd rozładowania jest niższy niż w ogniwach NiCd. Zwykle nie zaleca się prądów rozładowania większych od 3 do 5 C. Nie ma natomiast żadnej różnicy między końcowym napięciem dla obu typów, które wynosi ok 1,0 V. Baterie NiMH mają wyższe prądy samorozładowania, ok 1,5% dziennie, w stosunku do 1,0% dla NiCd. Wynika z tego, że czas przechowywania w pełni naładowanego akumulatora NiMH jest krótszy niż odpowiednika typu NiCd.

Żywotność

Ponieważ NiMH jest stosunkowo nowym typem akumulatorów, brak jest długoletnich obserwacji pozwalających na określenie czasu życia. Według informacji dostarczanych przez producentów sprzedających swoje akumulatory w Szwecji, czas życia nie powinien być krótszy niż dla akumulatorów NiCd, tzn. ok. 1000 cykli. Należy zwrócić uwagę, że liczba ta dotyczy idealnych warunków np. ładowania z 0,1 C w czasie 14 godzin i temperatury pokojowej przy każdym ładowaniu. Nie wzięto pod uwagę ewentualnego przeładowania, które może nastąpić i skrócić czas życia. Realna liczba cykli w normalnych warunkach eksploatacji wynosi prawdopodobnie ok. 500-800.

Podsumowanie wiadomości o akumulatorach NiMH

NiMH jest jedynym typem akumulatora, który nie zawiera metali ciężkich, zanieczyszczających otoczenie i dlatego jest znacznie korzystniejszy dla środowiska niż inne typy. Stosunek ciężaru do pojemności jest jego następną zaletą. Jest to również ogniwo o największej gęstości energii. Czas życia jest dobry przy pracy pełnymi cyklami ładowania i rozładowania, ale nie wypada korzystnie przy ładowaniu podtrzymującym. Nie dotyczy to jednak ogniw pastylkowych, które mają własności takie same jak ich odpowiedniki NiCd. Ładowanie wymaga bardziej precyzyjnej kontroli niż dla innych typów akumulatorów o których była wcześniej mowa. Podobnie jak w akumulatorach NiCd parametry ogniwa NiMH zależą od temperatury, dlatego powinna być bezwzględnie przestrzegana znamionowa temperatura pracy.

Przydatna praca?
Wersja ściąga:
W słowniku:
Przydatna praca? tak nie 194
głosów
Poleć znajomym

Serwis Sciaga.pl nie odpowiada za treści umieszczanych tekstów, grafik oraz komentarzy pochodzących od użytkowników serwisu.

Zgłoś naruszenie