Akkumulátorok állapota és az üzembiztonság


avagy hogyan növelhető kritikus berendezéseink üzembiztonsága a bennük lévő akkumulátorok élettartamának növelésével?

Egyre több olyan berendezés (például riasztóközpontok és szünetmentes áramforrások) vesz körül bennünket, amelyekben akkumulátorok működnek. Ezek műszaki állapota meghatározza a berendezések üzembiztonságát és bizony nem ritkák az ehhez kapcsolódó problémák. Az akkumulátorok üzembiztonságának egyik meghatározó feltétele a töltés. Cikkünkben az akkumulátorok helyes töltési folyamatával foglalkozunk.

A töltési folyamat jelentőségének és hatásmechanizmusának megértése érdekében először az akkumulátorok működésének alapjait ismertetjük röviden.

Működési alapok

A köznyelvben „zárt”, „zselés”, vagy „kötött”, illetve „felitatott” elektrolitú megnevezéssel illetett akkumulátorok ugyanazt a technológiát takarják (nem ide értendők az iparban, a távközlésben és egyre gyakrabban az autóiparban is alkalmazott géles akkumulátorok) melynek szabatos meghatározása: kötött (felitatott) elektrolitú szeleppel vezérelt gázrekombinációs savas ólomakkumulátorok. A hagyományos akkumulátoroktól eltérően nem igényelnek karbantartást, nincs szükségük vízutántöltésre a teljes élettartamuk során és felépítésük lehetővé teszi bármilyen helyzetben (kivéve fejjel lefele) történő üzemeltetésüket az elektrolit kiszivárgásának veszélye és az elektromos paraméterek romlása nélkül.

Ezek az akkumulátorok felépítési és működési módjukból fakadóan precízen kiegyensúlyozott kémiai rendszerként működnek. Azonban a kémiai folyamat megfelelő és teljes körű működése érdekében be kell tartani néhány üzemeltetési szabályt, melyek közül az egyik legfontosabb a helyes töltés. A nem megfelelő töltés következménye minden esetben az akkumulátor kapacitásának és élettartamának a csökkenése.

Anélkül, hogy nagyon belemélyednénk az akkumulátorok kémiai működésébe, a helyes töltés fontosságának jobb megértéséhez ki kell térnünk a kémiai folyamat két részletére.

Kisütés

A kisütés során a pozitív lemezen lévő PbO2 (ólom-dioxid) PbSO4–gyé (ólom-szulfát) alakul, a negatív lemezen lévő Pb (szivacsos ólom) pedig szintén PbSO4–gyé (ólom szulfát) alakul. A folyamat az elektrolit fajlagos sűrűségének csökkenéséhez vezet.

A keletkező ólom-szulfát lerakódik a lemezekre, majd a töltés során visszaalakul ólom-dioxiddá és kénsavvá. A folyamat reverzibilis, azonban hogyha az akkumulátor kisütött állapotban marad, vagy csak részben kerül feltöltésre, az apró ólom-szulfát részecskék nagyobb kristályokká állnak össze, amelyeket már nem lehet visszaalakítani összetevőire a töltés során. Ezt a jelenséget nevezzük szulfátosodásnak, mely egy bizonyos határon túl visszafordíthatatlan és az akkumulátor kapacitásának és élettartamának csökkenéséhez vezet. A szulfátosodást az akkumulátor rendszeres és teljes feltöltésével lehet megelőzni.

Töltés

A töltés során a pozitív lemezen lévő PbSO4 (ólom-szulfát) oxidálódik és visszaalakul PbO2–vé (ólom-dioxid), a negatív lemezen lévő PbSO4 (ólom-szulfát) pedig visszaalakul Pb-vé (szivacsos ólom). Az elektrolízis során a víz alkotóelemeire bomlik, ezáltal gázok fejlődnek, melyek vízzé alakulnak vissza az úgynevezett „oxigén rekombinációs ciklus” során. A pozitív lemezeken a víz elektrolízise során képződő oxigén a szeparátorokon keresztül a negatív lemezek felé diffundál és ott reakcióba lép a lemezben lévő ólom egy részével, ólom-oxidot képezve. Az ólom-oxid reakcióba lép az elektrolitban lévő kénsavval miáltal ólom-szulfát illetve víz képződik.

Ily módon a víz regenerálódik a pozitív lemezeken míg ólom-szulfát képződik a részben kisütött negatív lemezeken. A töltési folyamat feltölti a részben kisütött negatív lemezeket, és a ciklus lezárul.

Az elektrolitban lévő víz és kénsav alkotórészei valamint a negatív lemezen lévő ólom mennyisége eredeti állapotukban jelennek meg a folyamat végén, anélkül, hogy a lemezek töltöttségi állapota változna. (lásd az 1. ábrát is). A gyakorlatban a helyes töltési paraméterek betartása esetén a rekombinációs ciklus megközelítőleg 99%-os hatásfokkal megy végbe.

Forrás: Energom Electronic Kft.

Forrás: Energom Electronic Kft.

Rendellenes töltés során a cellákban fokozott gázképződés történhet, ami túlnyomást okozhat és akár robbanáshoz is vezethet. Ennek megelőzése érdekében minden cella rendelkezik egy egyirányú szeleppel. Ez a szelep lehetővé teszi a cellában fejlődő gáztöbblet kiengedését, de nem teszi lehetővé a környezeti levegőnek a cellába történő beáramlását.

A kilépő gáz felborítja a cella kémiai egyensúlyát, mivel ezáltal a töltés során kevesebb víz tud képződni, csökken az elektrolit mennyisége és a cella kiszárad. Ez a folyamat az akkumulátor kapacitásának és élettartamának csökkenéséhez vezet. A kiszáradást az akkumulátor megfelelő töltésével lehet megelőzni.

Az alultöltött akkumulátor szulfátosodás miatt megy tönkre, a túltöltött akkumulátor pedig kiszáradás miatt.

A továbbiakban az akkumulátorok töltésével kapcsolatos feltételeket és körülményeket mutatjuk be.

A töltés a gyakorlatban

A töltés célja az akkumulátorból kivett, valamint annak önkisülése során saját maga által felhasznált energia visszatöltése.

A kötött (felitatott) elektrolitú szeleppel vezérelt gázrekombinációs savas ólomakkumulátoroknak a töltési hatásfoka optimális körülmények között 85% körül van. A jobb érthetőség kedvéért, nagyon leegyszerűsített modellként ez azt jelenti, hogy egy teljesen kisütött 100Ah kapacitású akkumulátorba 117-118Ah energiát kell töltenünk ahhoz, hogy kivehessünk belőle 100Ah-át. A meghatározás csak bizonyos körülmények között fedi a valóságot. A gyakorlatban a töltés hatásfoka függ az akkumulátor töltöttségi szintjétől, a környezeti hőmérséklettől és az alkalmazott töltőáram kapacitáshoz viszonyított mértékétől; a kivehető energia pedig még teljesen feltöltött akkumulátor esetében is függ a környezeti hőmérséklettől és a kisütőáramnak a kapacitáshoz viszonyított mértékétől.

A töltés módjának kiválasztása függ az akkumulátor alkalmazásának módjától. Más töltési eljárást kell alkalmazni egy készenléti üzemben működő akkumulátor esetében, mint egy ciklikus üzemben használt akkumulátornál. Jelen cikkünkben a készenléti üzemben működő akkumulátorok töltési módját ismertetjük.

Készenléti üzemben az akkumulátor állandóan csatlakoztatva van a töltőhöz és a fogyasztóhoz és akkor kell neki energiát szolgáltatnia a fogyasztó részére, amikor megszűnik a hálózati feszültség. Ilyen berendezések például a riasztórendszerek vagy a szünetmentes áramforrások. Ezeknek az alkalmazásoknak a többségében az alkalmazott töltési mód a csepptöltés.

A csepptöltéses üzemmód kevésbé terheli az akkumulátort és meghosszabbítja az élettartamát.

Csepptöltés

A csepptöltéses töltés egy két lépcsős töltési eljárás (CC-CV; IU). A töltő áramkorlátos (CC; I) üzemben működik addig, míg az akkumulátor által felvett áram a töltő áramkorlátjának a szintje felett van, majd átáll feszültségkorlátba (CV; U) amikor az akkumulátor által felvett áram a töltő áramkorlátjának a szintje alá csökken.

Forrás: Powergom Kft

Két lépcsős töltés feszültség – áram karakterisztikája
Forrás: Powergom Kft

A töltőáram értékét az akkumulátor kapacitása és a fogyasztók áramigénye határozza meg. Az akkumulátor töltőáramának értéke a névleges kapacitás 10-25%-ának megfelelő áram. Egy 100Ah kapacitású akkumulátort 10A és 25A közötti árammal célszerű tölteni. Ehhez adódik hozzá a fogyasztók áramigénye.

A köztudatban elterjedt, 13,8V-os töltőfeszültség értékkel ellentétben a gyártók által javasolt csepptöltési feszültség 2,27V/cella 20°C-on. Egy 6V-os névleges feszültségű akkumulátor esetében ez 6,81V, míg egy 12V-os névleges feszültségű akkumulátor estében 13,62V. A csepptöltési töltőfeszültség az akkumulátort teljesen feltöltött állapotban tartja minimális vízfogyasztás mellett (lásd a töltés kémiai folyamatát).

Az akkumulátorok töltőfeszültség igénye az üzemi hőmérséklet függvényében változik, ezért élettartamuk meghosszabbítása érdekében a 20°C-tól eltérő környezeti hőmérséklet esetén célszerű a töltőfeszültséget a hőmérséklet függvényében szabályozni. A változás mértéke fordítottan arányos a hőmérséklet változásával: -2,5mV/cella/°C azaz 15mV/°C egy 12V-os blokk esetében.

Egy beltérbe telepített riasztóközpont vagy szünetmentes áramforrás házában a hőmérséklet jellemzően 30°C körül van, tehát az akkumulátor számára megfelelő töltőfeszültség érték 13,5V.

A professzionális akkumulátortöltők általában már alkalmasak hőkompenzált töltésre. Ezeknél a hőérzékelő bekötése és az akkumulátor mellé történő elhelyezése biztosítja a szükséges feszültségváltozást. A hőkompenzáció mértéke akkumulátor gyártmány függő, jellemzően -2,5÷-3mV/°C/cella!

A kötött (felitatott) elektrolitú szeleppel vezérelt gázrekombinációs savas ólomakkumulátorok töltési karakterisztikájából adódóan a csepptöltést csak olyan esetekben szabad alkalmazni, amikor átlagosan véve több nap is rendelkezésre áll az akkumulátorok visszatöltésére egy kisütés után. A töltési folyamat utolsó szakasza nagyon elnyúlik. Ebben a szakaszban az akkumulátor a rendelkezésére álló töltőáramnak már csak a töredékét veszi fel, de ez az a töltési szakasz amikor a negatív lemezeken még jelenlévő ólom szulfát alakul vissza ólommá és kénsavvá (lásd a töltés kémiai folyamatát).

Amennyiben az akkumulátornak egymást követően többször sem áll rendelkezésére elegendő idő (több nap) ennek az utolsó szakasznak a befejezésére, a negatív lemezen az apró ólom-szulfát részecskék nagyobb kristályokká állnak össze, amelyeket már nem lehet visszaalakítani összetevőire a töltés során. Ezt a jelenséget nevezzük szulfátosodásnak, mely egy bizonyos határon túl visszafordíthatatlan és az akkumulátor kapacitásának és élettartamának csökkenéséhez vezet. A szulfátosodást az akkumulátor rendszeres és teljes feltöltésével lehet megelőzni.

Gombos Csaba
Energom Electronic Kft.

A cikk az Energom Electronic Kft. szellemi tulajdonát képezi. Egészének vagy részleteinek másolása vagy bármilyen fórumon történő publikálása kizárólag az Energom Electronic Kft. hozzájárulásával engedélyezett.

Hozzászólások