Akumulátor- princíp činnosti

Kategórie

ELEKTRICKÉ ZARIADENIE VOZIDLA

Funkcia štartovacieho akumulátora v automobile : elektrické zariadenie vozidla poháňaného spaľovacím motorom obsahuje dva zdroje elektrickej energie- akumulátor a alternátor.

Ak je zariadenie v prevádzke, tieto zdroje pracujú striedavo – nedodávajú elektrickú energiu súčasne.

Ak je motor v kľude, alebo sú nedostačujúce otáčky motora k indukcii prúdu v alternátore, akumulátor dodáva elektrickú energiu všetkým spotrebičom zapojeným do obvodu.

Pri štartovaní motora akumulátor dodáva prúd do štartéra a systému zapaľovania. Ak je motor v chode, alternátor sa stane zdrojom elektrického prúdu pre akumulátor, t.j. akumulátor je nabíjaný prúdom z alternátora.

Nabíjacie zariadenie: nabíjacie zariadenie zahŕňa alternátor a regulátor napätia, ktorý udržuje nabíjacie napätie akumulátora na príslušnej úrovni pri meniacich sa podmienkach prostredia a prevádzky.

Obvyklé nabíjacie napätie 12 V systému musí byť v rozmedzí 14,0 až 14,4V pri +25 °C,merané na póloch akumulátora pri miernych otáčkach 2000 ot./min. a so zapnutými svetlami. Toto sú parametre nutné k tomu, aby akumulátor dosiahol napätie, pri ktorom nedochádza k plynovaniu úplne nabitého akumulátora.Pri väčšom zaťažení, od zapnutého vetráka, elektrického vyhrievania okien alebo sedadiel nesmie pokles napätia prekročiť 0,3V. Pri skúšaní musí byť akumulátor plne nabitý.

PRINCIP ČINNOSTI

Stav nabitia – ak je akumulátor nabitý, kladná doska obsahuje aktívny materiál z dioxidu olova(PbO2) a negatívna doska aktívny materiál z kovového olova(Pb). Elektrolyt je zriedená kyselina sírová o hustote 1,280 kg/l.

Pri vybíjaní – preteká prúd z kladného pólu cez odpory(spotrebiče) k zápornému pólu. Premena chemickej energie zaisťuje prúd. Sulfátová skupina (SO4) sa pohybuje ku kladnej a zápornej doske v rovnakom množstve, zatiaľ čo kyslík (O) sa pohybuje od kladnej dosky do elektrolytu, kde sa viaže s voľným vodíkom (H2) na vodu (H2O).

VYBÍJANIE
PbO2	+	H2SO4	+	Pb	>==>	PbSO4	+	H2O	+	PbSO4
dosky(+)		elektrolyt		dosky(-)		dosky(+)		voda		dosky(-)

Stav vybitia – po skončení vybíjania materiál kladných a záporných dosiek obsahuje dioxid olova (PbSO4) a elektrolyt je veľmi zriedený. Akumulátor ponechaný v tomto stave sa poškodzuje. Čím dlhšie je vybitý, tým viac sa poškodzuje. Proces sa nazýva sulfatácia a prebieha rýchlejšie za vyšších teplôt.

Pri nabíjaní – elektrický prúd (jednosmerný) preteká akumlátorom v opačnom smere. Sulfátová skupina (SO4) sa pohybuje z dosiek do elektrolytu a kyslík z vody sa vracia k zápornej doske. Po ukončení nabíjania je stav akumulátora popísaný nasledovne (stav nabitia).

NABÍJANIE
PbSO4	+	H2O	+	PbSO4	<==<	PbO2	+	H2SO4	+	Pb
dosky(+)		voda		dosky(-)		dosky(+)		elektrolyt		dosky(-)

Napätie – vzhľadom k chemickému zloženiu kladných a záporných dosiek a elektrolytu je napätie plne nabitého akumulátora 2,13V na článok, meraného voltmetrom bez záťaže,čiže 12,78V u 12V batérie. Ak je do okruhu zapojený odpor(spotrebič), napätie článku poklesne. Pokles závisí od kapacity, prúdu,vybitia, teploty, konštrukcie a stavu akumulátora pred vybitím. Zbytkové napätie(napätie na svorkách) je definované ako napätie medzi kladným a záporným pólom a závisí od koncentácie sulfátov v elektrolyte v póroch dosky.

V priebehu plynulého zaťaženia hustota elektrolytu neustále klesá, až sa aktívny materiál dosiek už ďalej nemení na dioxid olova. Potom napätie môže klesnúť tak nízko, že akumulátor nieje schopný dodať potrebný prúd. Pri nízkej teplote je kyselina sírová menej kvapalná a preniká do pórov dosky pomalšie. Výsledkom je rýchlejší pokles zbytkového napätia, čím klesá schopnosť štartovania. To znamená, že vnútorný odpor akumulátora rastie.

KAPACITA (rezervná kapacita)

Kapacita akumulátora sa spravidla udáva v ampérhodinách (Ah) pri 20h vybíjaní(C20). Ak sa akumulátor vybíja, napr. 3A po dobu 20 hod. a napätie článku neklesne pod 1,75V u celej 12 voltovej batérie pod 10.5V , potom sa kapacita každého článku rovná 3A x 20 hod. = 60 Ah. Ak bude vybíjanie prebiehať v kratšom čase, ale s väčším prúdom, parameter Ah bude nižší. Kapacity rovnakých akumulátorov sa budú líšiť pri rôznych dobách vybíjania. V niektorých prípadoch môže byť uvedená aj iná hodnota kapacity, napr. u malých trakčných batérií sa udáva hodnota C20 aj C5, výpočet je popísaný nižšie.

Príklad:

100Ah = kapacita 20 hodín (C20) znamená vybíjanie 5A po dobu 20 hodín,

alebo

100Ah = kapacita 5 hodín (C5) znamená vybíjanie 20A po dobu 5 hodín, to znamená,že rovnaká kapacita sa líši rôznymi dobami vybíjania.

Ak je uvedená rezervná kapacita(RC),vysvetlenie je nasledovné:

– RC(rezervná kapacita) Príklad – RC 120 min znamená, že akumulátor je shopný dodávať prúd 25A počas dvoch hodín( 50 Ah),aby nekleslo napätie článku pod 1,75V. To znamená, ak je uvedená hodnota RC 240 min , batérie má kapacitu 100 Ah.

Všetky hodnoty sú udávané pri teplote elektrolitu 25°C.

ŠTARTOVACÍ PRÚD

U väčšiny akumulátorov sa udáva štartovací prúd za studena(-18°C) podľa EN.

Metodika skúšania podľa normy EN – akumulátor sa vychladí na -18 stupňov a potom sa zaťaží stanoveným (menovitým) prúdom v A po dobu 10 s. Pri tomto zaťažení musí byť minimálne svorkové napätie 7,5V . Akumulátor je ponechaný 10 s v kľude a následne je zaťažený 60 % prúdu pôvodného zaťaženia po dobu 73 s. Napätie nesmie klesnúť pod 6 V.

Plne nabitý akumulátor pri zaťažení

+25 °C	————————	udržuje	————————	100 % štartovacieho výkonu
O °C	————————	udržuje	————————	65 % štartovacieho výkonu
-18 °C	————————	udržuje	————————	40 % štartovacieho výkonu

Hustota elektrolytu :

1,10 – mrzne pri -7 °C

1,15 – mrzne pri -15 °C

1,20 – mrzne pri -26 °C

1,25 – mrzne pri -52 °C

1,28 – mrzne pri -68 °C

Konštrukcia akumulátora

Článok – obsahuje sadu kladných a záporných dosiek ,ktoré sú oddelené separátormi. Kladné dosky v článku sú spojené do jednej sústavy, záporné do sústavy druhej. Maximálna kapacita sa dosiahne , ak je maximálna hmotnosť aktívneho materiálu v pomere s požadovaným množstvom elektrolytu. Maximálne hodnoty štartovacieho prúdu sa dosiahnu zvýšením celkovej plochy povrchu dosiek. V niektorých typoch akumulátorov, napr. OptimaTop, YellowTOP sú iba dve dosky v každom článku, jedna kladná a jedna záporná. Dosky sú asi 1 m dlhé a valcované so separátorom medzi nimi a tvoria špirálu vo vnútri valcového článku.

Akumulátor sa skladá z článkov, každý z nich má napätie 2.13V , aby mal akumulátor požadované celkové napätie, sú spojené do série. Tri články v sérii dávajú napätie 6,39V , 6 článkov 12,78V. Najpoužívanejšie sú 12V akumulátory.Aby sme získali 24V, musíme spojiť dva akumulátory do série.

Elektrolyt – Aktívny materiál na doskách sa aktivuje po nasýtení riedenou chemicky čistou kyselinou sírovou (elektrolytom). Elektrolyt vyvoláva chemickú reakciu a vedie elektrický prúd medzi kladnými a zápornými doskami. Ak zvážime 1 l elektrolytu z plne nabitého akumulátoru a 1 l destilovanej vody, zistíme, že elektrolyt je ťažší. Liter vody váži 1 kg, 1 l elektrolytu váži 1,28 kg, tzn. že merná hmotnosť elektrolytu je 1,28 kg/l. Postupne, ako sa akumulátor vybíja a sulfáty z kyseliny sírovej sa usadzujú na doskách, hustota elektrolytu klesá. Kvapalný elektrolyt sa používa vo väčšine bežných olovených akumulátorov. Akumulátory s elektrolytom absorbovaným v separátore,ktoré sa nazývajú absorpčné sklenné rohože sú akululátormi typu AGM. U týchto akumulátorov je plocha dosiek podstatne väčšia, taktiež ich vnútorný odpor je menší a štartovací prúd vyšší. Príkladom je OptimaTop, YellowTop a motocyklové batérie s technológiou LF (AGM).