Wpływ stanu naładowania akumulatora na jego parametry

Już sam się nie wiem ile razy próbowałem podejść do tego doświadczenia, były próby na kablach rozruchowych, na zamontowanym akumulatorze w samochodzie, w końcu myślałem że się uda, ale akumulator po pełnym cyklu rozładowania i ładowania poprawił swoją sprawność o 10% i trzeba by powtarzać pomiary, bo zdecydowanie zmieniły się warunki.

Po raz kolejny okazało się, że założenia trzeba zmienić, żeby badanie było przeprowadzone w sposób prawidłowy a wartości nie były przypadkowe. W związku z tym, postanowiłem wykonać wszystkie pomiary w jednym cyklu rozładowania, a nie jak poprzednio każdorazowo rozładowywać całkowicie i ładować do pewnego stopnia.

Ale do rzeczy – badanie ma na celu pokazać, w jaki sposób zmieniają się parametry akumulatora w różnym stopniu naładowania – różnej gęstości elektrolitu. Jaki będzie prąd rozruchowy, jaka będzie jego pojemność, jak się zachowa podczas obciążenia czy jakim prądem będzie go ładował alternator.

Założenia wyglądają następująco – akumulator zostanie w pełni naładowany, następnie zostaną wykonane następujące testy:

  • pomiar gęstości elektrolitu areometrem
  • pomiar temperatury elektrolitu
  • test miernikiem Autool BT-360 – pomiar prądu rozruchowego, napięcia spoczynkowego
  • test obciążenia (100A) opornicą – pomiar spadku napięcia
  • test ładowania – symulacja pracy alternatora – podłączenie do akumulatora przetwornicy DPS5020 z ustawioną stabilizacją napięcia na poziomie 14,4V

Poprzednio, na ostatnim etapie, dokonywałem pomiaru pojemności poprzez pełne rozładowanie akumulatora, tym razem jednak postanowiłem rozładowywać akumulator przez 2 godziny prądem 20 godzinnym – w przypadku badanego akumulatora 55Ah będzie to prąd 2,75A. Po tym czasie zostawię akumulator na 24 godziny aby jego parametry się ustabilizowały i ponownie wykonam serię testów, i tak aż do pełnego rozładowania – do napięcia 10,5V.

Badanie 1

Pomiar gęstości elektrolitu

Po 24 godzinach od ładowania, gęstość elektrolitu wyniosła 1,27 – postanowiłem że nie będę akumulatora dłużej ładować – gęstość pomiędzy 1,26-1,28 wskazuje na pełne naładowanie akumulatora.

Pomiar temperatury elektrolitu

Temperatura elektrolitu wynosiła dokładnie 17oC – pomiar jest istotny ze względu na fakt, że im temperatura niższa tym pojemność mniejsza. Poza tym chciałbym aby wszystkie serie testów były przeprowadzony w zbliżonych warunkach.

Pomiar temperatury elektrolitu

Test miernikiem Autool BT-360

Tester wykazał sprawność akumulatora na poziomie 68% – jednak ta jest uzależniona od napięcia spoczynkowego które wyniosło 12,74V. Bardziej istotny jest pomiar prądu rozruchowego – ten był na poziomie 390A oraz rezystancji wewnętrznej o wartości 7,56mOhm.

Test obciążenia

Akumulator został obciążony opornicą (ok. 100A) – jest to taka symulacja rozruchu. Postanowiłem – zgodnie z instrukcją – dokonać jednorazowego obciążenia przez czas ok. 10 sekund. Dodatkowo podłączyłem miernik aby zapisać wartości napięcia oraz z ciekawości miernik cęgowy aby zmierzyć faktyczny prąd jaki popłynie podczas obciążenia. Napięcie podczas obciążenia nie powinno spaść poniżej 9V – oznacza to akumulator albo rozładowany albo zużyty/uszkodzony. Im napięcie spadnie do niższego poziomu tym gorzej. Oczywiście im pojemność/prąd rozruchowy akumulatora większy, tym spadek napięcia powinien być mniejszy.

Pomiar spadku napięcia podczas znacznego obciążenia

Napięcie podczas obciążenia spadło do 10,9V, prąd obciążenia wynosił 96,2A. Dla tego konkretnego egzemplarza jest to wynik przyzwoity. Poniżej prezentuję wykres napięcia – po obciążeniu obserwowałem jeszcze do jakiego poziomu napięcie akumulatora się podniesie.

Wykres spadku napięcia po obciążeniu akumulatora

Napięcie spoczynkowe po naładowaniu oscylowało w granicy 12,7V, przy obciążeniu spadło do 10,9V, natomiast po ok. 2 minutach wzrosło do 12,5 V. Później wzrosło jeszcze o 0,1 V i utrzymywało się w okolicy 12,6V.

Test ładowania – symulacja ładowania alternatora

Test ładowania będzie polegał na podłączeniu przetwornicy z ustawioną stabilizacją napięciową na poziomie 14,4V, w czasie 10 minut rejestrowane będą takie parametry jak napięcie i prąd. Istotnym parametrem podczas badania będzie prąd maksymalny – ten jednak jest ograniczony wydajnością prądnicy (20A). Ważna jest również informacja, w jakim tempie prąd ładowania spada, dlatego będę podawał jego wartość po 2 minutach oraz po zakończeniu pomiaru – czyli po 10-minutach.

W tym miejscu muszę zaznaczyć jedną bardzo ważną kwestię – w przetwornicy zastosowałem na wyjściu diodę Schottky’ego – zapobiega ona pojawienia się napięcia na wyjściu przetwornicy, w momencie kiedy do wyjścia dołączane jest jakieś źródło napięciowe – a takim jest akumulator. Dioda ta powoduje spadek napięcia w okolicy 0,35V – dlatego pomimo iż na wyjściu mam ustawione 14.4V to faktyczne napięcie na zaciskach akumulatora będzie oscylować w okolicy 14,05 V.

Test ładowania za pomocą przetwornicy DPS5020

Maksymalny prąd jaki popłynął w krótkiej chwili wynosił 11,5A, lesz w szybkim tempie zaczął spadać i po ok. 2 minutach spadł poniżej 2A. W ostatniej minucie jego wartość wynosiła już tylko 0,5A – a więc potwierdza się fakt że akumulator jest w pełni naładowany.

Wykres napięcia i prądu podczas testu ładowania

Rozładowanie akumulatora

Akumulator podłączony do sztucznego obciążenia

Zgodnie z nowymi założeniami, po przeprowadzeniu wszystkich testów, dokonałem częściowego rozładowania akumulatora. Ten został obciążony prądem 20-godzinnym (2,75A) przez okres dwóch godzin. Do tego celu użyłem miernika pojemności AVT5500 na którym ustawiłem czas odcięcia po 2h. Przez ten okres z akumulatora zostało pobrane dokładnie 5,54Ah, poniżej prezentuję wykres z procesu rozładowania.

Pomiar pojemności podczas procesu rozładowywania.

Po tym postanowiłem odczekać kolejne 24 godziny aby napięcie spoczynkowe się ustabilizowało.

Badanie 2

Pomiar temperatury i gęstości elektrolitu

Temperatura niewiele się zmieniła od dnia poprzedniego i podczas badania wynosiła 16,6oC, natomiast gęstość po procesie rozładowania spadła jedynie o 0,01 i wyniosła 1,26g/cm3

Gęstość na poziomie 1,26 co nadal oznacza że akumulator jest naładowany

Test miernikiem

Pomiar pokazał napięcie spoczynkowe na poziomie 12,58V, co ciekawe sprawność identyczna jak przy poprzednim pomiarze – 68% jednak prąd rozruchowy o 15A mniejszy niż poprzednio i wynosił 375A. Również rezystancja wewnętrzna wzrosła do 7,92mΩ

Kolejny test akumulatora

Test obciążenia

Podczas obciążenia opornicą, napięcie spadło do 10,8V – w porównaniu do poprzedniego pomiaru tylko o 0,1V niżej, natomiast napięcie spoczynkowe po ok. 2 minutach wzrosło do 12,4V i dopiero po ok. 10 minutach ustabilizowało się na poziomie 12,5V – poniżej wykres spadku napięcia.

Test ładowania

Tutaj największe zaskoczenie, nie spodziewałem się takiego dużego poboru prądu już przy takim niewielkim rozładowaniu akumulatora. Prąd maksymalny wynosił prawie 19A, po ok. 2 minutach od rozpoczęcia pomiaru, spadł do poziomu 9A i następnie bardzo powoli spadał do wartości 6,31A.

Niestety nie zwróciłem uwagi i połączenie miałem dość niestabilne – źle zamocowałem wtyczkę bananową i stąd też takie dziwne wahania prądu na wykresie – ten poniżej:

Pomiar prądu ładowania

Rozładowanie akumulatora

Podobnie jak poprzednio – akumulator został obciążony prądem 2,75A przez 2 godziny i przez ten czas zmierzona pojemność wyniosła dokładnie 5,51Ah – poniżej wykres z rozładowania.

Badanie 3

Pomiar gęstości elektrolitu

Kolejny pomiar gęstości elektrolitu 24 godziny po procesie rozładowania, dał wynik 1,25g/cm3 przy temperaturze 16,4oC

Test miernikiem

Ponieważ sprawność (SOH) spadła poniżej 60% – tester wyświetlił komunikat o konieczności wymiany akumulatora.

Napięcie spoczynkowe wynosiło dokładnie 12,5V, obliczony prąd rozruchowy na poziomie 350A, natomiast rezystancja wewnętrzna wzrosła do 8,56 mΩ.

Test obciążenia

Podczas testu, spadek napięcia nadal jest na zadowalającym poziomie a napięcie podczas obciążenia spadło jedynie o 0,1V niżej niż poprzednio i wynosiło 10,7V

Przy takim spadku napięcia, akumulator podczas rozruchu nie będzie dawał najmniejszych oznak rozładowania, a silnik będzie odpalał bez najmniejszego problemu.

Test ładowania

Po raz pierwszy w tym doświadczeniu przetwornica z powodu zbyt dużego poboru prądu (20A) nie utrzymała napięcia 14,4V – jednak to spadło jedynie na krótką chwilę i do poziomu 14,36V. Prąd ładowania już jest naprawdę duży i długo utrzymuje się na wysokim poziomie. Po ok. 2 minutach prąd spadł do 11A i powoli malał. Przy zakończeniu pomiaru nadal było to 9A

Rozładowanie akumulatora

Podczas rozładowania, zmierzona pojemność wyniosła dokładnie 5,52Ah – poniżej wykres

Badanie 4

Pomiar gęstości elektrolitu

Tym razem gęstość elektrolitu po rozładowaniu wyniosła 1,23g/cm3 – a więc od ostatniego badania spadła o 0,02 – temperatura podczas pomiaru wynosiła dokładnie 16,2oC. Taka gęstość elektrolitu wymaga już ładowania akumulatora, ale stopień rozładowania nie jest jeszcze jakiś drastyczny – z resztą pomiary to potwierdzają.

Test miernikiem

Napięcie spoczynkowe spadło do 12,42V, sprawność (SOH) do 49% a stopień naładowania (SOC) do 70%. Miernik oszacował prąd rozruchowy na poziomie 325 A natomiast jego rezystancja wewnętrzna wzrosła do 9,32 mΩ.

Test obciążenia

Podczas testu obciążenia, napięcie spadło do 10,7 V – czyli dokładnie tyle co w poprzednim badaniu, jest to dość zaskakujące, ponieważ akumulator jest już znacznie rozładowany a pomimo tego nadal nie wykazuje oznak – poniżej wykres.

Test ładowania

Po raz kolejny prąd ładowania osiągnął maksymalną wartość jaką jest w stanie zapewnić przetwornica i napięcie w krótkiej chwili „przysiadło” do 14,18 V. Po ok. dwóch minutach prąd spadł do 12,2 A i powoli spadał aż do 10,6 A po czym test zakończyłem.

Prąd „alternatora” jest już dość wysoki jak na taki akumulator – przez długi okres czasu akumulator jest „traktowany” prądem dwukrotnie większym niż zalecany prąd podczas ładowania. Ma to oczywiście negatywny wpływ na sam akumulator.

Rozładowanie akumulatora

I tym razem akumulator został podłączony do sztucznego obciążenia, przez okres dwóch godzin rozładowania prądem 2,75 A, zmierzona pojemność wyniosła dokładnie 5,54Ah – poniżej wykres.

Jak widać powyżej, napięcie pod koniec procesu spadło poniżej 12V, można więc się domyślać że pozostała pojemność która jest jeszcze zmagazynowana w akumulatorze jest już niewielka.

Badanie 5

Pomiar gęstości elektrolitu

Gęstość elektrolitu spadła o kolejne 0,02 i wyniosła dokładnie 1,21 – temperatura utrzymuje się na zbliżonym poziomie – 16,2 stopnie. Może nie jest to jeszcze stan skrajnego rozładowania, ale podejrzewam że są to ostatnie „tchnienia” akumulatora.

Test miernikiem

Napięcie spoczynkowe wynosiło 12,36V a oszacowany prąd rozruchowy oscylował w okolicy 285A. Sprawność spadła do poziomu 40% a rezystancja wewnętrzna wzrosła do 10,68 mΩ – potwierdza się więc, że akumulator jest już znacznie rozładowany, pomimo że prąd rozruchowy jest nadal na dość wysokim poziomie.

Test obciążenia

Pomimo, że wszystko wskazuje na to że akumulator już niewiele z siebie wydusi, spadek napięcia jest dość zaskakujący – napięcie podczas obciążenia wprawdzie spadło do 10,4V, ale akumulator nadal bez większego problemu uruchomi silnik.

Na potwierdzenie powyższych słów dodam, że podczas jednej z prób przeprowadzenia tego doświadczenia, przy tym konkretnym akumulatorze rozładowanym do gęstości 1,2 bez najmniejszego problemu, kilkakrotnie uruchamiałem samochód z silnikiem benzynowym o pojemności 1,2.

Test ładowania

Podczas podłączenia akumulatora do przetwornicy, w początkowej fazie napięcie przysiadło do 13,56V – więc wydajność prądowa przetwornicy jest już zdecydowanie zbyt mała. Po około dwóch minutach prąd ładowania spadł z 20A do 15,44A. W przeciwieństwie do poprzednich testów, spadek prądu nie był już tak znaczący i bardzo powoli malał, aby po 10 minutach zatrzymać się na poziomie 14,13A. Jest to już prawie trzykrotnie większy prąd niż zalecany w przypadku tego akumulatora – czyli prawie przekracza dopuszczalny maksymalny prąd ładowania, a ten wciąż nie jest całkowicie rozładowany.

Rozładowanie akumulatora

Postanowiłem, że kolejne rozładowania i badania nie wniosą już nic sensownego, ponieważ sytuacja będzie się jedynie pogłębiać – prąd ładowania oraz spadek napięcia będą rosnąć. Uznałem że bardziej odpowiednie będzie całkowite rozładowanie akumulatora tym samym prądem (2,75A) i zmierzenie jego pozostałej pojemności.

O dziwo, ten rozładowywał się do napięcia 10,5V jeszcze przez ponad 6 godzin, a zmierzona pojemność podczas tego procesu to dokładnie 17,14Ah.

Badanie 6 – ostatnie

Zastanawiałem się, czy przeprowadzić ostatnie badanie – przy całkowicie rozładowanym akumulatorze – zrobiłem to z czystej ciekawości, ponieważ nie jest to zbyt „zdrowe” dla akumulatora, ale w końcu ten jest „królikiem doświadczalnym” i nie planuję jego dalszej eksploatacji.

Pomiar gęstości elektrolitu

Pomiar gęstości potwierdził całkowite rozładowanie – gęstość na poziomie 1,18 g/cm3 oznacza, że akumulator jest skrajnie rozładowany i wymaga natychmiastowego ładowania.

Gęstość całkowicie rozładowanego akumulatora

Test miernikiem

Napięcie spoczynkowe ustabilizowało się na poziomie 12,08V, oszacowany prąd rozruchowy wynosił 135A, natomiast drastycznie wzrosła rezystancja wewnętrzna akumulatora – 25,95 mΩ.

Test obciążenia

Tego testu bałem się najbardziej – obciążanie całkowicie rozładowanego akumulatora ma bardzo negatywny wpływ na jego żywotność. Szczerze mówiąc nawet nie zauważyłem kiedy napięcie tak drastycznie spadło – a spadło do poziomu 4,2V, także nie obciążałem go nawet przez 10 sekund i przerwałem proces.

Spadek napięcia uniemożliwiający uruchomienie silnika.

Test ładowania

W tym teście również miałem pewne obawy – już poprzednio kiedy akumulator nie był tak skrajnie rozładowany płynęły potężne prądy, tym razem w pierwszym momencie zupełnie zgłupiałem.

Co tu się właściwie wydarzyło ? Prąd zamiast spadać – co ma miejsce zazwyczaj podczas procesu ładowania – rośnie ! Otóż taka sytuacja ma miejsce między innymi w przypadku zasiarczenia akumulatora – kiedy w procesie chemicznym nie bierze udziału cała powierzchnia płyt. Dopiero przepływający prąd uwalnia z porowatych płyt siarczan ołowiu i następuje wzrost prądu ładowania. Potwierdzić to może również pomiar rezystancji wewnętrznej – ta była w trakcie tego pomiaru bardzo duża. Postanowiłem przerwać ten proces, bo jest to równie niezdrowe co obciążanie akumulatora w takim stanie.

Podsumowanie

Mam pełną świadomość że strasznie dużo tych pomiarów – trochę żałuję że nie rozładowywałem akumulatora przez okres trzech godzin pomiędzy kolejnymi badaniami, jednak nie spodziewałem się że akumulator „pochwali” się pojemnością rzędu 40Ah. Ciekaw jestem czy ktokolwiek dotrwał do ostatniego badania.

No dobra, czas podsumować zebrane tutaj informacje, aby ułatwić analizę, zebrałem wszystkie istotne parametry podczas przeprowadzonych badań – poniżej prezentuję zestawienie.

No właśnie – miałem tutaj przeprowadzić szczegółową analizę poszczególnych parametrów, ale właściwie nie ma zbytnio czego analizować, ponieważ zarówno gęstość elektrolitu, pojemność jak i napięcie spoczynkowe zmieniają się liniowo. Szczególną uwagę należałoby zwrócić jednak na dwie kwestie – prąd rozruchowy i prąd ładowania.

W doświadczeniu przede wszystkim chciałem sprawdzić, jak długo akumulator jest w stanie zapewnić odpowiednie warunki do poprawnego rozruchu. Jak widać powyżej, oszacowany prąd rozruchowy utrzymywał się cały czas na dość wysokim poziomie, ponadto badanie opornicą potwierdza, że spadek napięcia nawet przy znacznie rozładowanym akumulatorze (badanie 5, 43,7% realnej pojemności) jest na akceptowalnym poziomie i akumulator podczas rozruchu nie da żadnych oznak niskiego stanu naładowania. Potwierdziłaby się więc teza, że w momencie kiedy nastąpi problem z uruchomieniem silnika – ten jest już w stanie skrajnego rozładowania. Zobaczcie jak wygląda wykres prądu rozruchowego i spadku napięcia w zestawieniu z gęstością elektrolitu:

Kolejną rzeczą na którą chciałem zwrócić uwagę jest prąd ładowania w poszczególnych badaniach. Ten już przy niewielkim stopniu rozładowania wzrastał do dość wysokich wartości. Najkorzystniej byłby, aby akumulator był ładowany prądem nie większym niż 1/10 pojemności, jak widać ten już podczas jednego procesu rozładowania utrzymywał się na wyższym poziomie. Oczywiście zazwyczaj maksymalny, dopuszczalny prąd ładowania akumulatora to 3/10 pojemności – czyli dla badanego egzemplarza będzie to prąd w okolicy 18A – jednak ładowanie takim prądem jest mocno niekorzystne. A pamiętajmy o spadku napięcia na zastosowanej diodzie Schottky’ego w przetwornicy. Gdyby podniósł napięcie do 14,75V tak aby na zaciskach akumulatora pojawiło się 14,4V, prąd ładowania byłby jeszcze większy !

Podejrzewam że wielu kierowców jeździ z niedoładowanym akumulatorem nie mając o tym wiedzy i nieświadomie skracają jego żywotność z dwóch powodów o których wspomniałem powyżej – akumulator który jest przez długi okres czasu ładowany zbyt dużym prądem nadmiernie się nagrzewa – w przypadku jego nagrzewania nie dość że spada efektywność procesu ładowania to rozpoczyna się proces „gazowania” – wydzielania wody z elektrolitu i przez to ubytek samego elektrolitu. W efekcie końcowym przy niekorzystnych warunkach atmosferycznych (wysoka temperatura) może dość do opadu masy czynnej i nieodwracalnego uszkodzenia akumulatora.

Teraz kwestia utraty pojemności przy użytkowaniu akumulatora – załóżmy że w samochodzie fabrycznie jest zamontowany akumulator o pojemności 74Ah – w momencie kiedy jest on w połowie rozładowany – nie dając najmniejszych oznak – to tak jakbyśmy posiadali akumulator o pojemności 37Ah. Można to porównać jeszcze z sytuacją kiedy akumulator przeznaczony do samochodu z silnikiem benzynowym zamontowaliśmy do auta z silnikiem diesla. A przecież wraz z utratą pojemności spada prąd rozruchowy – już pisałem kiedyś o tym, jakie potężne prądy płyną podczas pierwszej fazy rozruchu, gdy rozrusznik jeszcze nie nabrał odpowiedniej prędkości obrotowej – można o tym przeczytać -> tutaj.

To właśnie dlatego zalecane jest aby akumulator był doładowywany dwa razy w roku – przed okresem zimowym i w okresie wiosennym – po pierwsze, aby uchronić się przed nadmiernym ubytkiem pojemności zimą i aby ładowanie dużym prądem latem nie doprowadziło do niepotrzebnego nagrzewania się akumulatora, gdyż ten i tak już pracuje w mocno „niekomfortowych” warunkach. Dodam jeszcze tylko na zakończenie, że akumulator kwasowo-ołowiowy, najdłuższą żywotność zachowuje w temperaturach od 15 do 25oC.

Kiedyś ładowanie akumulatorów było czymś naturalnym, odkąd pojawiły się na rynku akumulatory bezobsługowe – część osób zbyt dosłownie wzięła sobie ową „bezobsługowość” do serca. Oczywiście prądnice czy alternatory w które były wyposażane wtedy samochody miały zdecydowanie mniejszą wydajność od tych obecnie stosowanych, ale ilość odbiorników była z grubsza mniejsza niż obecnie, poza tym czy alternator na pewno służy do ładowania akumulatora ? Na to pytanie mam zamiar odpowiedzieć przy kolejnym doświadczeniu.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *