Ładowanie akumulatora – to nie takie proste

Wydawać by się mogło że ładowanie akumulatora – tym bardziej kwasowo-ołowiowego – to żadna filozofia – wystarczy podłączyć ładowarkę lub prostownik i gotowe – akumulator naładowany. Z punktu widzenia zwykłego użytkownika tak, ale jak się dokładnie przyjrzeć całemu procesowi, to może się okazać że wcale tak nie jest.

Na temat ładowania, naprawdę można by napisać książkę. Problem polega na tym, że w różnych publikacjach, instrukcjach, można odnaleźć rozbieżne informacje. O ile w przypadku akumulatorów żelowych czy AGM temat nie budzi kontrowersji, to w przypadku akumulatorów z płynnym elektrolitem – ile publikacji, tyle opinii na temat sposobu jego ładowania.

Mam wrażenie, że całe te zamieszanie związane z ładowaniem, rozpoczęło się w momencie kiedy pojawiły się akumulatory bez dostępu do elektrolitu i zaczęto posługiwać się napięciem końcowym ładowania. I tak znajdziemy informacje że napięcie końcowe, w przypadku akumulatora z płynnym elektrolitem nie powinno przekroczyć 14,4V, 14,8V, 15V, 15,8V, 16,2V, 16,5V czy nawet 16,8V. Do tego dochodzi kompensacja, względem temperatury elektrolitu na poziomie 3,3mV na celę – można się w tym wszystkim pogubić.

Zwróćcie uwagę że w przypadku prądu ładowania – tutaj jest jasno określona zależność – prąd ładowania zależy od pojemności akumulatora – koniec. Proste i jasne nawet dla przeciętnego użytkownika. W przypadku podawanych wyżej napięć – nigdzie nie jest brana pod uwagę jego pojemność. A jest przecież jeszcze coś takiego jak rezystancja wewnętrzna akumulatora, która również jest zależna od pojemności – im akumulator ma większą pojemność, tym jego rezystancja wewnętrzna jest mniejsza. To samo dotyczy rozładowanego akumulatora – im akumulator jest bardziej rozładowany – tym jego rezystancja większa.

Jeszcze nie tak dawno temu, prymitywne prostowniki nie posiadały woltomierza w ogóle, bo według starej zasady – akumulatory ładuje się prądem a nie napięciem. Oczywiście nie należy zapomnieć o zależności pomiędzy napięciem a prądem – im wyższe napięcie ładowania, tym większa różnica pomiędzy nim a napięciem akumulatora – dlatego prąd jest większy.

Większość użytkowników boi się wyższych napięć, ze względu na możliwość przeładowania akumulatora i ryzyka uszkodzenia akumulatora. A więc wolą stosować „bezpieczne” ładowarki które do tego nie doprowadzą – no ale te ładowarki – jak pewnie już większość z Was wie – gęstości nie odbudują. A co się dzieje z akumulatorem który posiada zbyt niską gęstość elektrolitu – ulega zasiarczeniu. Tak źle i tak nie dobrze.

No dobrze, ale kiedy dochodzi do przeładowania akumulatora ? Tutaj Was pewnie zaskoczę – każde ładowanie akumulatora, powyżej napięcia 15V powoduje jego przeładowanie! Ale czy to znaczy że akumulator ulega uszkodzeniu ? No właśnie nie – takie kontrolowane przeładowanie jest niezbędne aby przywrócić właściwą gęstość elektrolitu. Specjalnie zaznaczyłem „kontrolowane” – to znaczy że taki proces wymaga okresowego sprawdzenia temperatury elektrolitu czy jego gęstości – bo jeżeli posiadamy układ regulacji bądź stabilizacji prądu, tym się przejmować nie musimy.

Niestety fizycznie nie da się tego inaczej zrobić – przynajmniej ja póki co nie poznałem innej metody na naładowanie akumulatora w pełni. Dlatego w większości publikacji dotyczących ładowania, zakończenie procesu ma miejsce w momencie uzyskania gęstości elektrolitu na poziomie 1,28g/cm3. A co w przypadku gdy nie ma możliwości sprawdzenia gęstości elektrolitu ? No i okazuje się że wracamy do punktu wyjścia – czyli do napięć.

Próbując poprawnie skalibrować swoją ładowarkę automatyczną, doszedłem do wniosku, że określenie stopnia naładowania bez pomiaru gęstości elektrolitu wcale nie jest takie proste. Po pierwsze, trzeba by wziąć pod uwagę kompensację napięcia względem temperatury. To znaczy że jeżeli przyjąć końcowe napięcie ładowania na poziomie 16,2V w temperaturze 25oC – to przy kompensacji na poziomie 3,3mV na celę dla jednego stopnia, w temperaturze 10oC napięcie powinno wynieść ok. 16,5V – skąd to się wzięło – już tłumaczę.

W akumulatorze 12V mamy 6 cel – czyli kompensacja dla 1oC wynosi 19.8mV – (3,3mV*6=19,8mV). Jeżeli temperatura elektrolitu jest wyższa niż 25oC – należy obniżyć napięcie ładowania – jeżeli temperatura niższa – podnieść napięcie. I stąd przykładowo, przy temperaturze elektrolitu 30oC – napięcie końcowe powinno wynosić ok. 16,1V
(30oC-25oC=5oC; 5oC*19,8mV=99mV=0,9V)
No fajnie, ale przecież temperatura elektrolitu podczas ładowania będzie rosła – a im prąd ładowania większy tym temperatura będzie bardziej wzrastać – czyli trzeba by dokonywać kompensacji przez praktycznie cały proces ładowania.

Druga sprawa to oprócz rezystancji wewnętrznej akumulatora o której już wspomniałem, podczas cyklu ładowania należy jednak rozważyć inny rodzaj wewnętrznego oporu. W szczególności oporność na prąd ładowania. Rezystancja ta wzrasta, gdy akumulator staje się bardziej naładowany. Im naładowanie większe, tym napięcie wytwarzane przez poszczególne ogniwa rośnie i przeciwstawia się prądowi ładowania.

Otóż ładując różnego rodzaju akumulatory, o różnych pojemnościach, w różnych temperaturach i w rożnym stopniu zużycia – doszedłem do wniosku, że nie można opierać się jedynie na napięciu końcowym. Ładując akumulatory stałym prądem – mniejszym niż 0,05C – czasami napięcia 16,2V w ogóle nie można osiągnąć. Ta właściwość była wykorzystywana w starych prostownikach – to że taki prostownik „dawał” napięcie na wyjściu rzędu 20V – wcale nie znaczy że takie pojawiało się na klemach akumulatora. Wynikało to również z charakterystyki „przysiadu napięcia” na transformatorze – możecie to zobaczyć w doświadczeniu w którym badałem jeden z transformatorów, ale w szczególności wynika to właśnie z oporności na prąd ładowania, która „nie pozwoli” na nadmierny wzrost napięcia na klemach akumulatora.

Jeżeli dysponujemy układem stabilizacji prądu, sytuacja ma się jeszcze lepiej – zobaczcie wykres poniżej

Jest to wykres z ładowania odsiarczającego stałym prądem na poziomie 1,1A akumulatora o pojemności 55Ah. Na wyjściu zasilacza ustawiłem napięcie 20V i ograniczyłem prąd ładowania do 1,1A. Jak widać powyżej, najwyższe napięcie jakie zostało zarejestrowane to 16,7V – pomimo że ładowanie trwało prawie 60 godzin, temperatura elektrolitu wzrosła jedynie o 6oC powyżej temperatury otoczenia.

No to może zostawić te napięcia w spokoju i zająć się prądami ? No niby tak, ale w przypadku ładowania stałym prądem – nie bacząc na napięcie – jak określić koniec ładowania – bo przecież prąd nie będzie spadał. No właśnie – jeżeli jest możliwy pomiar gęstości elektrolitu, to takie ładowanie ma sens, bo ładujemy w taki sposób aż do uzyskania gęstości elektrolitu na poziomie 1,28g/cm3. No ale co znowu z akumulatorami bez dostępu do elektrolitu ?

No to może pomiar pojemności – przecież znając pojemność akumulatora i biorąc pod uwagę sprawność na poziomie 70-80% (bo taką sprawność posiadają akumulatory) – to wystarczyłoby władować odpowiednią ilość energii i akumulator naładowany. I takie stwierdzenia bardzo często spotykam – „wystarczy ładować akumulator prądem 0,1C przez 10 godzin„. A pytanie moje jest takie – w jakim stopniu był rozładowany akumulator ? Drugie pytanie to, czy pojemność akumulatora zawsze jest taka jak podana przez producenta ? O ile mamy do czynienia z nowym i w pełni rozładowanym akumulatorem (tzn. do napięcia 10,5V) to może taka metoda by się sprawdziła, ale przecież akumulatory wraz z wiekiem tracą swoją pojemność i jest to naturalny proces.

No więc znów wracamy do punktu wyjścia i do napięcia – a raczej zależności napięcia i prądu. Jest to taka próba oszacowania, taki kompromis pomiędzy wszystkimi tymi metodami. Polega na obserwacji spadku napięcia pod koniec procesu ładowania, bo przecież mówi się że akumulator można uznać za naładowany w przypadku kiedy prąd ładowania spanie poniżej 0,01C. No ale przy jakim napięciu ? No właśnie aby zaobserwować spadek prądu, to ustawione napięcie musi być trochę niższe, pomiędzy 15,8V-16,2V. Ale znów dochodzi kwestia sprawności akumulatora, jego rezystancji wewnętrznej – to napięcie końcowe i spadek napięcia będzie różny dla rożnego rodzaju akumulatorów.

Podsumowanie

Wbrew pozorom, naładowanie akumulatora w pełni, bez pomiaru gęstości elektrolitu jest dość trudne, może nie tyle naładowanie, co oszacowanie stopnia naładowania. Sprawa jest prostsza gdy mamy do czynienia z nowym – sprawnym akumulatorem, gdy znamy jego stopień rozładowania oraz gdy znamy jego realną pojemność – a nie jedynie tą podaną na naklejce. Biorąc jednak pod uwagę fakt iż przeładowanie akumulatora wcale nie jest takie proste, a opad masy czynnej ma miejsce w naprawdę skrajnych warunkach, np. podczas ładowania prądem przekraczającym 0,1C lub nadmiernego wzrostu temperatury, to śmiało można stwierdzić że jeżeli akumulator nawet będzie lekko przeładowany (a jak wspomniałem wcześniej już po przekroczeniu napięcia 15V następuje jego przeładowanie) i przytrzymany przez kilka godzin prądem w okolicy 0,05C lub mniejszym przy napięciu w ok. 16V – nic złego mu się nie stanie …

… a wystarczyłby korek z dostępem do elektrolitu i areometr …

Powiązane wpisy

Dodaj komentarz

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