Akumulatory - opis różnych rodzajów akumulatorów

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 (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 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.

Dodaj swoją odpowiedź