AKUMULATORY

AKUMULATORY
Na początek parę ważnych uwag:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
akumulatorków "zamkniętych" nie należy nadmiernie ładować, powoduje to ich
nieodwracalne uszkodzenie przy "gazowaniu";
akumulatorków Li-ion nie wolno nadmiernie ładować, ogrzewać, ani zwierać, bo
mogą wybuchnąć;
akumulatorków Ni-MH nie należy ładować prądem stałym - to może je uszkodzić,
nawet jeśli ten prąd ma małe natężenie - należy je ładować impulsami prądu (choćby z
prostownika _jednopołówkowego_);
Ni-MH mają niższe napięcie końcowe przy ładowaniu - chyba poniżej 1.5V przy
małym prądzie - praktycznie nie widać końca ładowania!
Ni-Cd mają większy efekt pamięci - należy je często rozładowywać "do końca" (np.
do 0.9V/ogniwo), Ni-MH można 10 razy rzadziej, i nie należy zbyt często
rozładowywać poniżej 1.1V, ponieważ zmniejsza to ich trwałość (rozładowywanie za
każdym razem do 0.9V - takie, jakie bywa zalecane dla Ni-Cd - zmniejsza kilkakrotnie
trwałość Ni-MH)
w końcowej fazie ładowania akumulatorki się nagrzewają (na skutek rekombinacji
wodoru i tlenu), co powoduje spadek napięcia - ładowarki procesorowe wykrywają
moment, gdy napięcie osiąga maksimum i wtedy się wyłączają
długie przechowywanie akumulatorków bez używania pogarsza ich parametry,
potrzeba kilku cykli ładowania-rozładowania, by je poprawić
akumulatory (nawet ołowiowowe) nie mogą pracować wyłącznie buforowo (to znaczy
być jako rezerwa na wypadek braku prądu w sieci, i doładowywać się do stałego
napięcia za każdym razem jak prąd na nowo jest) - muszą od czasu do czasu być
rozładowane i na nowo naładowane, żeby miały dobre parametry
no i chyba każdy wie, że akumulatory ołowiowowe nie lubią, jak je przechowywać w
stanie rozładowanym - krystalizuje się trudno rozpuszczalny siarczan ołowiu, który
utrudnia kontakt płyt z elektrolitem
głębokie rozładowanie szkodzi również akumulatorkom manganowym i trochę NiMH
Najważniejsze rodzaje akumulatorów:
•
ołowiowe (inaczej kwasowe)
(+)PbO2/PbSO4, (-)Pb/PbSO4, elektrolit H2SO4;
najstarsze (wynalazł je Plante w 1859 r.), a jednocześnie najczęściej stosowane
akumulatory - np. w samochodach;
nadmierne rozładowanie, i przechowywanie słabo naładowanych powoduje tworzenie
się trudnorozpuszczalnych kryształów PbSO4;
elektrody z ołowiu, z dodatkami polepszającymi wytrzymałość mechaniczną:
najczęściej antymon (Sb, około 8%; problem: antymon powoduje większe gazowanie
przy ładowaniu i większe samowyładowanie), ostatnio wapń (Ca, ułamek %; problem:
akumulatorom jeszcze bardziej szkodzi głębokie wyładowanie);
•
•
•
•
•
ostatnio konstruuje się je w wersji zamkniętej - np. żelowej (elektrolit zmieszany z
krzemionką (SiO2), zmniejszona ilość elektrolitu tak, by zostawały "dziury" - po to,
żeby elektrolit nie mógł się wylać nawet po rozbiciu obudowy, i żeby tlen i wodór
powstające głównie podczas ładowania mogły się ze sobą połączyć);
skonstruowano też akumulatory z elektrolitami takimi, jak HBF4 i H2SiF6, których
sole ołowiu są łatworozpuszczalne - przy rozładowaniu elektrody (Pb, PbO2)
rozpuszczają się, dlatego (+) jest z PbO2 na węglu, przy ładowaniu Pb i PbO2
wydzielają się roztworu; ryzyko skażenia środowiska solami ołowiu;
żelazowo-niklowe (Ni-Fe)
(+)NiO.OH/Ni(OH)2, (-)Fe(OH)2/Fe(OH)3, elektrolit KOH;
wynalezione przez Edisona, obecnie prawie nie używane z powodu dużego gazowania
- na żelaznej elektrodzie łatwo wydziela się wodór (z tego powodu nie można ich
wykonać w wersji zamkniętej);
na niklowej elektrodzie reakcja zachodzi bez istotnych zmian struktury kryształów
(dochodzi tylko atom wodoru), co zwiększa jej trwałość; dotyczy to również innych
akumulatorów z elektrodą niklową; nadmierne naładowanie zmienia strukturę
krystaliczną, co powoduje obniżenie napięcia, i jednocześnie przyśpiesza niszczenie
elektrody;
kadmowo-niklowe (Ni-Cd)
(+)NiO.OH/Ni(OH)2, (-)Cd/Cd(OH)2, elektrolit KOH;
wynalezione przez Jungnera, zawierają silnie trujący kadm, z tego powodu próbuje się
je zastąpić innymi; dobrze wytrzymują głębokie rozładowanie; przypisuje się im efekt
pamięci - że jeśli akumulator nie zostanie całkowicie rozładowany, to traci część
pojemności - to jest bardziej mit niż prawda;
wodorkowo-niklowe (Ni-Mh)
(+)NiO.OH/Ni(OH)2, (-)H (zwykle w LaNi5)/H2O, elektrolit KOH;
ze względu na koszt zamiast LaNi5 często używa sie stopu niklu (Ni), kobaltu (Co),
manganu (Mn) i glinu (Al);
litowo-jonowe (Li-ion)
(+)Li na różnych (CoO2, NiO2, MnO2), (-)Li (na C6), elektrolitem jest substancja
przenosząca jony litu, w rozpuszczalniku organicznym;
wysokie, w porównaniu z innymi akumulatorami, napięcie: około 3.6V;
największa z dostępnych w handlu gęstość energii; małe samowyładowanie;
nadmierne naładowanie, ogrzewanie, lub zwarcie może być niebezpieczne;
zbyt głębokie rozładowanie powoduje zniszczenie akumulatora - nie daje się on więcej
naładować;
zwykle połączony z elektroniką sterującą ładowaniem i rozładowaniem, aby chronić
akumulator;
manganowo-cynkowe (Mn-Zn)
(+)MnO2/MnO.OH, (-)Zn/Zn(OH)2, elektrolit KOH;
napięcie 1.5V (tak, jak zwykłe "baterie"), małe samowyładowanie;
mała trwałość - około 100 cykli, jeśli unika się głębokiego wyładowania, zaledwie 30,
jeśli rozładowuje się całkowicie.
Mechanizmy powodujące zużycie lub niszczenie akumulatorów:
•
•
uszkodzenia mechaniczne - na skutek uderzenia (szkodzi to wszystkim, nawet małym
akumulatorom - nie należy ich upuszczać na podłogę, bo może pęknąć obudowa, lub
jakiś element konstrukcji wewnętrznej - wiele typów akumulatorów ma elektrody z
materiału o dużym ciężarze właściwym i małej wytrzymałości); akumulatory z
płynnym elektrolitem są bardziej wrażliwe (bo łatwo dochodzi do przemieszczenia
elektrod) i na dodatek może im szkodzić im praca w niewłaściwym położeniu, jeśli
prowadzi to do zetknięcia się elektrolitu z odrębnych cel (bo to oznacza zwarcie) lub
wylania elektrolitu z akumulatora, lub nawet tylko nie zapewnia ciągłego zanurzenia
elektrody w elektrolicie (bo wtedy część elektrody nie uczestniczy w działaniu
akumulatora);
nadmierne nagrzanie, które może nastąpić na skutek:
o zwarcia akumulatora, bądź bardzo dużego prądu płynącego przez jakiś czas
(jaki, zależy od prądu); akumulatory mają zwykle mały opór wewnętrzny,
dlatego prąd zwarcia jest dla nich niebezpieczny;
o ładowania naładowanego akumulatora dużym prądem - akumulator nie może
już zamieniać energii elektrycznej na chemiczną, wiec zamienia ją na ciepló;
o rozładowania wyładowanego akumulatora dużym prądem - zmienia się znak
napięcia na akumulatorze, i zaczyna on pobierać energię z układu, zamieniając
ją na ciepło (zwykle nie może w nim zachodzić reakcja elektrochemiczna
magazynująca energię przy odwrotnym znaku napięcia);
to nagrzanie może spowodować wyparowanie elektrolitu, lub degradację albo nawet
stopienie elektrod; w przypadku akumulatorów litowych może to (i nie tylko to)
prowadzić do eksplozji;
•
zużycie elektrod, które może nastąpić przez:
o utratę masy (okruchy elektrod odrywają się na na skutek gazowania, lub jeśli
reakcja wydzielania materiału elektrody tworzy go w postaci skrajnie
porowatej - zdarza się to na skutek ładowania prądem stałym); poza
zmniejszaniem pojemnosći na skutek utraty z elektrody substancji czynnej
może się zdarzyć, jeśli elektrolit jest ciekły, że na dnie naczynia nazbiera się
tyle okruchów z elektrod, że doprowadzi to do zwarcia elektrod; jeśli
akumulator można rozmontować, to obsługa może temu zapobiec przez
systematyczne czyszczenie naczynia; nowsze akumulatory chroni przed tym
użycie żelu zamiast ciekłego elektrolitu lub separatory elektrod, które nie
pozwalają opadać okruchom masy elektrod;
o wypaczenie elektrod (złaszcza płyt dodatnich w akumulatorach ołowiowych),
prowadzące do ich zetkniecią się z drugą elektrodą i w rezultacie zwarcia
akumulatora (z tego powodu akumulatory ołowiowe mają płyty dodatnie
zawsze pomiędzy ujemnymi - to zmniejsza paczenie);
o zmianę struktury (degradację) elektrody, zmniejszającą dostęp do substancji
uczestniczących w magazynowaniu energii - na skutek tworzenia się dużych
kryształów (np. siarczanu ołowiu w akumulatorach ołowiowych, tlenków
metali w alkalicznych, metalu), lub zamykania por;
o zatrucie elektrody (przez przeniesienie materiału z drugiej elektrody, bądź
zatrucie substancjami z zewnątrz, albo wytworzonymi na skutek ubocznej
reakcji) - powoduje, że obok normalnych reakcji zachodzą inne, które nie
uczestniczą w magazynowaniu energii, bądź powodują samowyładowanie
akumulatora; ogniwo cynkowo-miedziowe zatruwa się, gdy do elektrody
cynkowej przedostanie się miedź, akumulator ołowiowy ulega zatruciu
antymonem dodawanym do elektrod dla polepszenia wytrzymałości - w obu
przypadkach prowadzi to do samowyładowania akumulatora;
w akumulatorach otwartych, jeśli nie zniszczył ich wypadek lub błędy obsługi, to
zużycie elektrod było ograniczeniem ich trwałości;
•
•
zamknięcie akumulatora chroni go przed zatruciem z zewnątrz, i przed wylaniem się
elektrolitu, natomiast powoduje nowe problemy z gazowaniem: w otwartym
akumulatorze wystarczyło zadbać o odpowiednią wentylację pomieszczenia (żeby nie
gromadził się wodór), i o dolewanie wody do akumulatora; zamknięty wydzielające
się gazy mogą rozsadzić, często powodując przy tym wyciek elektrolitu; aby temu
zapobiec dodano wentyl bezpieczeństwa, który wypuszczał nadmiar gazów, a nie
wypuszczał elektrolitu; wcześniej jednak produkowano akumulatory Cd-Ni w postaci
"tabletek" bez takiego wentyla, które szybko ulegały uszkodzeniu;
ładowania akumulatora - jeśli próbuje się do naładować do pełna, zwykle powoduje
gazowanie - prąd rozkłada wodę na wodór i tlen; wentyl bezpieczeństwa wypuszcza
je, ale to powoduje stopniową utratę wody z elektrolitu, której w akumulatorze
zamkniętym nie ma jak uzupełnić; żeby odzyskiwać wodę traconą przez elektrolizę,
trzeba wodór i tlen z powrotem łączyć, zamiast wypuszczać je przez wentyl (nazywa
się to rekombinacją); spróbowano w górnej części akumulatora ołowiowego
umieszczać katalizator, żeby tam następowała rekombinacja, ale wydajność była za
mała; skuteczniejsza okazała się rekombinacja na jednej z elektrod, uzyskana w ten
sposób, że elektrody mają asymentrię pojemności, dzięki czemu najpierw na jednej
wydziela się gaz, przepływa do drugiej, i tam reaguje z nią - dzięki temu na tej drugiej
gaz się nie wydziela (przykłady: akumulator Ni-Cd, elektroda kadmowa ma większą
pojemność, więc przy ładowaniu wydzieła się jedynie tlen na elektrodzie niklowej,
przepływa do kadmowej, i tam utlenia kadm, dzięki czemu prąd ładowania zamiast
spowodować wydzielanie się wodoru może redukować kadm; akumulator Ni-MH ma
nadmiar wodoru, więc wodór przepływa do elektrody niklowej i tam utlenia się
zamiast niklu, dzięki czemu nie wydziela się tam tlen);
te mechanizmy ochrony akumulatora przed skutkami nadmiernego ładowania mają
ograniczoną skuteczność - jeśli prąd ładowania będzie większy, niż szybkość
rekombinacji, to nastąpi gazowanie, prowadząc do ubytku elektrolitu, i to będzie
nieodwracalne uszkodzenie; niektóre firmy produkujące akumulatory podają, jakim
prądem można ładować akumulator w sposób ciągły, i dla akumulatorków o
rozmiarach baterii R6 są to prądy od pojedyńczych mA do dziesiątek mA:
o SAFT - prąd około C/40, wyjątkowo seria VHT, specjalnie dostosowana do
ciągłego ładowania i podwyższonej temperatury, wytrzymuje ciągły prąd
55mA mając pojemność 1100mAh;
o Sanyo i Panasonic zalecając doładowanie akumulatora mały prądem po
szybkim naładowaniu podają, że prąd ładowania ma być od C/30 do C/20, i
czas ma być ograniczony (Sanyo 0,03C przez 48h, Panasonic 20h);
o Camelion wymaga ograniczenia ciągłego prądu ładowania do 40-60mA dla NiMH, i do 17-40mA dla Ni-Cd (dla ogniw R6=AA);
o Duracell wymaga ograniczenia ciągłego prądu do C/300;
wyjątkowo wrażliwe na nadmierne naładowanie są akumulatory Li-ion: nawet prąd o
natężeniu pojedyńczych mikroamperów niszczy je, jeśli doładowuje całkowicie
naładowany akumulator (powoduje reakcję, która jest nieodwracalna, a która niszczy
materiał elektrody);
dodatkowo, ładowanie akumulatora prądem stałym grozi tworzeniem "dendrytów",
które łączą elektrody powodując zwarcie akumulatora;
•
akumulatory różnie reagują na nadmierne rozładowanie:
o dla każdej chemii z elektrodami z materiału stałego głębokie rozładowanie
oznacza zmianę jego struktury, i przyśpieszenie zużycia;
o NiCd są najodporniejsze, ale nawet one mogą ulec uszkodzeniu, jeśli zostaną
przebiegunowane - to znaczy napięcie na akumulatorze zmieni znak na
przeciwny (zdarza się to przy rozładowaniu baterii akumulatorów, jeśli
naładowanie było nierówne - akumulatory, które były bardziej naładowane,
rozładowują aż do przebiegunowania te mniej naładowane);
o najbardziej wrażliwe są akumulatory Li-ion - przy rozładowaniu poniżej 2,4V
utlenia się jedna z elektrod, i jest to proces nieodwracalny; producent
(Toshiba) zaleca odciąć dalszy pobór prądu z akumulatora, gdy napięcie (pod
obciążeniem) spadnie poniżej 3V;
o niektóre typy akumulatorów z Ni-Cd i Ni-MH są "elektrochemicznie
zabezpieczone" - oznacza to, że po rozładowaniu akumulatora do określonego
napięcia (1,1V dla NiCd/NiMH) określonym prądem (zwykle C/10) dalszy
przepływ takiego samego prądu przez taki czas, żeby przepłynął ładunek
równy połowie pojemnośći, nie spowoduje uszkodzenia akumulatora (nie jest
jasne, czy to uwzględnia utratę elektrolitu na skutek gazowania - akumulator
nie ma jak gromadzić ładunku, więc zachodzi w nim elektroliza wody;
niektóre akumulatory mają możliwość rekombinacji gazów i w takim
przypadku - mechanizm rekombinacji przy ładowaniu tu nie działa);
o akumulator ołowiowy w stanie głębokiego rozładowania wytwarza na
elektrodach kryształy siarczanu ołowiu, które trudno rozpuścić; zdaje się, że
większe znaczenie ma tu czas, niż napięcie;
o w akumulatorze NiCd występuje migracja kadmu, przypuszczalnie jest ona
znacznie szybsza przy głebokim rozładowaniu - kadm przedostaje się poza
elektrodę, i później tworzy "dendryty" - metaliczne połączenia między
elektrodami, zwierając w ten sposób akumulator; wypracowano techniki
naprawiania tak uszkodzonych akumulatorów przez przepalanie połączeń
impulsem prądu; obok uszkodzeń mechanicznych i cieplnych, degradacji
elektrod i utraty elektrolitu jest to jeden z głównych mechanizmów ich
uszkadzania;
o w akumulatorach Ni-Cd i Ni-MH przebiegunowanie powoduje wydzielanie się
gazów wewnątrz akumulatora i jego nagrzewanie się; (wciąż nie mam
informacji, jaki proces w Ni-MH powoduje, że szkodzi im głębokie
rozładowanie bez przebiegunowania - być może są to reakcje uboczne
materiałów elektrod, zachodzące przy niskich napięciach, i są one
nieodwracalne, powodując utratę materiału elektrody, lub zatrucie);
o w akumulatorze Mn-Zn redukcja manganu poniżej 3+ jest nieodwracalna,
głębokie rozładowanie powoduje utratę dającego się używać manganu;
o akumulatory Li-ion i Mn-Zn mają dużą skłonność do tworzenia "dendrytów",
wyrastających z elektrody ujemnej i zwierających elektrody, co powodowało
trudności z ich skonstruowaniem; z tego powodu nie udało się skonstruować
akumulatorów cynkowo-niklowych.
O "efekcie pamięci":
•
•
•
•
•
•
odkryto go na statku kosmicznym krążacym wokół Ziemi - po dużej ilości okrążeń, w
trakcie których zużywano prąd z akumulatorów kiedy statek był w cieniu Ziemi, i
doładowywano je, gdy z niego wyszedł, okazało się, kiedy było potrzeba więcej
energii, że akumulatory wyglądały na wyładowane po pobraniu z nich zaledwie części
tej energii, która powinna być w nich zgromadzona; nazwano to "efektem pamięci";
próby odtworzenia tego efektu w labolatorium okazały się trudne - do jego
wystąpienia potrzeba było kilkudziesięciu cykli częściowego rozładowania i potem
doładowania akumulatora, za każdym razem tak samo - kilkuprocentowe różnice
rozładowania powodują brak tego efektu;
"efekt pamięci" nie powoduje, że z akumulatora nie da się pobierać prądu; powoduje,
że jego napięcie jest o kilka lub kilkanaście procent niższe, niż normalnie przy takim
samym naładowaniu; spowodowany jest wytworzeniem większych kryształów
materiałów elektrod, które są mniej aktywne; jednorazowe głębokie rozładowanie
akumulatora znacznie zmniejsza ten efekt, kilkakrotne usuwa go prawie całkowicie;
biorąc pod uwagę, że dla jego uzyskania trzeba dość dokładnie trafiać w taki sam
poziom rozładowania, uzyskanie tego efektu przy normalnym użytkowaniu jest
właściwie niemożliwe - chyba, że w tym "pomoże" elektronika sterująca
rozładowaniem i odłączająca pobór prądu z akumulatora na jakimś poziomie
rozładowania; można to uzyskać w telefonie komórkowym, jeśli za każdym razem
rozładowuje się jego akumulator... "do końca"! autor miał taki efekt, w akumulatorze
Ni-MH;
"efekt pamięci" odkryto w akumulatorach Ni-Cd, inne powszechnie uważa się za
wolne od niego (ołowiowe, Li-ion, Mn-Zn), lub znacznie mniej wrażliwe (Ni-MH);
jest to efekt reklamy, która dąży do zwiększenia popytu na nowe typy akumulatorów;
naprawdę ołowiowe maja "efekt pamięci" znany jako "zasiarczenie" - tylko uzyskuje
się go przez rozładowanie akumulatora i trzymanie rozładowanego - wtedy tworzą się
kryształy trudnorozpuszczalne siarczanu ołowiu, parametry Mn-Zn pogarszają się
szybciej przez normalne zużycie, niż Ni-Cd przez ten efekt, a w Ni-MH występuje on
w porównywalnym stopniu, jak w Ni-Cd;
"efekt pamięci" można też uzyskać pozostawiając akumulator na długi czas w
ładowarce doładowującej go małym prądem (tak małym, by go to nie uszkodziło) zmienia się wtedy struktura krystaliczna NiO.OH na elektrodzie (z beta na gamma), co
powoduje spadek napięcia o 40-50mV; to nie powinno występować w Ni-MH, bo w
nich jest niedobór tlenu.
Zasadnicze typy dostępnych ładowarek do akumulatorów:
•
•
•
najprostsza - daje stały prąd około C/10, wymaga żeby przypilnować i wyłączyć ją,
zanim spowoduje nadmierne naładowania akumulatora; jeśli się tego nie zrobi,
ładowarka uszkadza akumulator;
z ograniczeniem czasu ładowania przy stałym prądzie - ogranicza się w ten sposób
całkowity ładunek, jaki otrzyma akumulator; sprawdza się, jeśli czas i prąd są dobrze
dobrane do pojemności akumulatora, i był on przedtem prawie całkowicie
rozładowany; uszkadza akumulator, jeśli był on częściowo naładowany, lub miał
mniejszą pojemność;
z prostym ograniczeniem napięcia ładowania - takie ładowarki są dla akumulatorów
ołowiowych, prąd maleje ze wzrostem napięcia, i przy całkowitym naładowaniu jest
kilkanaście razy mniejszy niż początkowo;
•
•
•
wielu producentów akumulatorów ołowiowych zaleca ładowanie CC/CV - stałym
prądem do uzyskania określonego napięcia, potem trzymania stałego napięcia; nie jest
jasne, czy taka metoda jest dobra, nie spotkałem ładowarek używających tej metody,
prawdopodobnie używają jej UPS-y (i wygląda na to, że dość szybko niszczą
akumulatory);
z procesorowym wykrywaniem końca ładowania - metoda "-delta V" - kiedy
akumulator Ni-Cd lub Ni-MH jest całkowicie naładowany, zaczyna się on nagrzewać,
co powoduje spadek napięcia (niewielki, zwłaszcza dla Ni-MH jest to zaledwie
kilkanaście miliwoltów), co procesor wykrywa i wyłącza ładowanie; dla Ni-Cd spadek
napięcia pochodzi też od zmiany struktury krystalicznej wodorotlenku niklowego,
dlatego łatwiej go wykryć; zwykle potem ładowarka daje niewielki prąd ładowania
podtrzymującego; UWAGA, niektóre, zwłaszcza starsze ładowarki procesorowe
wykrywające koniec ładowania metodą "-delta V" nie wykrywają końca ładowania
Ni-MH, bo zmiana napięcia jest za mała, by zareagowały; a doprowadzanie do zmiany
struktury krystalicznej może znacznie przyśpieszyć zużycie akumulatora;
inna metodą wykrywania jest "delta T" - ładowarka wykrywa wzrost temperatury
akumulatora, i wtedy wyłącza ładowanie; oprócz tego jest wykrywany nadmierny
wzrost napięcia, i ograniczony jest czas ładowania; ładowarka może mieć wszystkie te
metody kończenia razem; tego typu ładowarki prawdopodobnie są najbezpieczniejsze,
zwykle ładują typowe akumulatory w ciągu 3-4 godzin;
superszybkie ładowarki procesorowe - o czasie ładowania rzędu godziny - różnią się
od poprzednich większym prądem; są wygodne, jeśli jest istotne szybkie naładowanie,
ale bardziej zużywają akumulatory;
żaden z tych typów ładowarek nie nadaje się do akumulatorów Li-ion ani Mn-Zn wymagają one kończenia ładowania przy określonym napięciu na akumulatorze, i
dużej precyzji pomiaru tego napięcia; są do nich specjalne ładowarki, inne niż do NiCd i Ni-MH - dla Li-ion stosuje się metodę CC/CV, Mn-Zn potrzebuje ładowania
impulsowego.
Uwagi co do ładowania akumulatorów:
•
•
•
•
akumulatory "otwarte": gazowanie powoduje utratę elektrolitu, który trzeba
uzupełniać (zwykle przez dolanie wody destylowanej); nie należy dopuszczać do
wynurzania się elektrod;
akumulatory "zamknięte": gazowanie występujące w końcowej fazie ładowania, jeśli
przekracza możliwość rekombinacji, powoduje utratę elektrolitu na skutek
wypuszczania wodoru i tlenu przez wentyl bezpieczeństwa, i przez to pogarszanie
parametrów akumulatora; zdarza się też pęknięcie obudowy na skutek ciśnienia
gazów; dlatego trzeba ograniczać prąd ładowania, kiedy akumulator jest prawie
naładowany;
akumulatory "zamknięte": w końcowej fazie ładowania akumulator nagrzewa się (bo
już nie może przyjmować energii, która jest mu dostarczana) - unikać nadmiernego
nagrzania akumulatora;
akumulatory ołowiowe: przede wszystkim nie rozładowywać poniżej 1.85V, ani nie
trzymać słabo naładowanych; poza tym unikać nadmiernego gazowania przy
ładowaniu (bo to uszkadza elektrody mechanicznie);
akumulatory ołowiowe "otwarte" (z płynnym elektrolitem): nadmierne gazowanie
powoduje odpadanie kawałków elektrod, po jakimś czasie może się ich zebrać tyle, że
zrobią zwarcie;
•
•
•
•
•
•
•
•
akumulatory zasadowe (czyli wszystkie oprócz kwasowych) "otwarte": elektrolit
pochłania dwutlenek węgla z powietrza, co szkodzi akumulatorowi - nie należy bez
potrzeby dopuszczać powietrza do elektrolitu;
akumulatory Ni-*: nie należy rozładowywać poniżej zera (może się to zdarzyć, jeśli
kilka akumulatorów jest połaczonych szeregowo, i jeden był mniej naładowany), bo
od tego może zrobić się w nich zwarcie;
akumulatory Ni-Cd: ze względu na efekt pamięci zaleca się często (raz na miesiąc)
rozładowywać je do 0.9V przed ładowaniem - podobno inaczej tracą część
pojemności;
nie pozostawiać w ładowarce dłużej niż 2 dni nawet jeśli jest to ładowarka, która nie
ładuje nadmiernie;
akumulatory Ni-MH: nie rozładowywać do końca za każdym razem (choć co jakiś
czas trzeba to zrobić, bo też są trochę podatne na efekt pamięci), bo to kilkakrotnie
zmniejsza ich trwałość; raczej unikać rozładowania poniżej 1.0V;
nie ładować prądem stałym (płynącym przez cały czas) prawie naładowanego
akumulatora; zamiast tego można doładowywać go impulsami prądu o większym
natężeniu w dużych odstępach czasu;
nie pozostawiać w ładowarce dłużej niż 2 dni nawet jeśli jest to ładowarka, która nie
ładuje nadmiernie;
trudniejsze niż dla Ni-Cd wykrywanie końca ładowania metodą delta-V (mniejszy
spadek napięcia na akumulatorze przy wzroście temperatury);
akumulatory Mn-Zn: nie rozładowywać do końca, bo to im szkodzi;
minimalne w miarę bezpieczne napięcie przy rozładowaniu to 1.1V;
również nie ładować do napięcia wyższego, niż 1.7V;
akumulatory Li-ion: raczej unikać głębokiego rozładowania, często ładować - to
zwiększa trwałość;
jeśli bateria nagrzeje się przy ładowaniu nie używać jej;
ładowanie trzeba kończyć przy podanym przez producenta napięciu (zwykle od 4.1 do
4.2V) - inaczej mogą wybuchnąć; nie jest dozwolone ładowanie podtrzymujące
małym prądem, ale mogą pozostawać w ładowarce dającej stałe napięcie.
Ni-Cd i Ni-MH mogą być ładowane szybciej, niż ołowiowe i Li-ion;
na ogół nowoczesne akumulatory "zamknięte" Ni-Cd i Ni-MH mogą być ładowane z
prostownika jednopołówkowego (żeby nie stałym prądem) bez ograniczania
naładowania (ale nie czasu - ten nie powinien przekroczyć 2 dni), o ile ten prąd nie
jest za duży; niektórzy producenci dopuszczają prąd ładowania do C/10 (czyli
pojemność akumulatora / 10 godzin - jeśli akumulator ma 700mAh, to jest to 70mA),
ale inni znacznie mniejszy - żadna z renomowanych firm produkujących takie
akumulatory nie podaje, żeby ich akumulatory można było ładowac w ten sposób
prądem większym niż C/20.
Uwagi co do rozładowywania:
•
•
akumulatorów (z wyjątkiem Ni-Cd, które dobrze znoszą rozładowanie do końca)
najlepiej nie rozładowywać więcej, niż do 80% ich pojemności;
opinie na temat rozładowywania akumulatorów dla uniknięcia efektu pamięci są
różne: od takich, że Ni-Cd trzeba rozładowywać do 0.9V za każdym razem, a Ni-MH
co 3-5 ładowań, do takiej, że Ni-Cd trzeba raz na miesiąc rozładować całkowicie, a
Ni-MH raz na 3 miesiące; w każdym razie Ni-Cd mogą być rozładowywane do końca
za każdym razem, a Ni-MH wytrzymują do 200 pełnych wyładowań, i efekt pamięci
niewiele pogarsza ich działanie (obniża napięcie o 0.1V), więc nie należy ich
rozładowywać do końca za każdym razem, bo szybciej się zniszcza.
Układy ładowania akumulatorków GalaxyPower robią coś takiego:
•
•
•
•
na początek krótkie impulsy prądu w dużych odstępach czasu (to ze względu na dużą
oporność rozładowanego akumulatorka);
ładowanie zasadnicze - po kolei impuls ładujący około sekundy, 4ms przerwy, impuls
rozładowujący 2.5 raza większym prądem przez 5ms (wbrew pozorom te impulsy
rozładowujące przyśpieszają ładowanie), 4ms przerwy, pomiar napięcia, i decyzja czy
kontynuować ładowanie (zakończenie gdy przestaje wzrastać napięcie, lub akumulator
się grzeje);
doładowywanie - jak zasadnicze, ale 9-sekundowe przerwy po impulsie
rozładowującym;
podtrzymanie - przerwy wydłużają się do około 40 sekund;
Według NASA, ten sposób ładowania zapewnia najlepszą trwałość i niezawodność
akumulatorów, dlatego tylko taki sposób jest stosowany na satelitach i sondach, gdzie trudno
byłoby wymienić akumulator.
Jak ładować akumulatory zasadowe. (według not aplikacyjnych dla układów ICS17xx formy
GalaxyPower)
Technika ładowania z impulsami rozładowującymi.
Impulsy około 5ms, prąd około 2x większy od prądu ładowania. Powoduje to bardziej
równomierne ładowanie - w rezultacie: lepsze wykorzystanie pojemności, mniejsze
nagrzewanie podczas ładowania (to pozwala lądować większym prądem) - ma to znaczenie
zwłaszcza dla akumulatorów Ni-Cd, ale akumulatorom Ni-MH i litowo-jonowym też to
wychodzi na dobre.
Koniec ładowania (dla Ni-Cd).
Akumulator jest mniej więcej naładowany, kiedy napięcie osiąga 1.6V; dalsze ładowanie
powoduje wydzielanie się wodoru i tlenu, i egzotermiczną reakcję ich łączenia się w
akumulatorze, co prowadzi do wzrostu ciśnienia, a nieco później temperatury (ciśnienie - bo
się wydziela gaz, temperatura - bo wodór i tlen się łączą; pierwsze proporcjonalne do ilości
gazu, drugie do kwadratu ilości gazu, stąd przesunięcie w czasie); napięcie osiąga 1.75V i
potem spada na skutek przegrzania akumulatora; jeśli ładowanie będzie trwało nadal,
akumulator ulega zniszczeniu.
Sa ładowarki, ktore wyłączaja się, kiedy napięcie zaczyna spadać (to się nazywa "negative
delta V algorithm") - akumulator jest już wtedy nadmiernie naładowany, ale jeszcze nie na
tyle, by się przegrzał - jego temperatura osiąga około 30 stopni C, a ciśnienie 40-50% tego,
przy którym zacząłby wypuszczać nadmiar gazu na zewnątrz. Nie można w ten sposób
określać końca ładowania akumulatorów litowo-jonowych, powodowałoby to nadmierne
naładowanie, grożąc wybuchem akumulatora; zamiast tego określa się, do jakiego napięcia
można go naładować, i jaki prąd przy tym napięciu oznacza koniec ładowania (jak jest
mniejszy - wyłącza się).
Według GalaxyPower optymalne jest ładowanie do osiągnięcia maksimum napięcia - ich
układy scalone ICS17xx do sterowania ładowaniem wyliczają, kiedy jest to maksimum, i w
tym momencie przerywają ładowanie.
Doładowywanie naładowanego akumulatora (podtrzymanie naładowania):
•
•
akumulator Ni-Cd - można prądem około 1/20 prądu C/1
akumulator Ni-MH - prąd C/1 przez 1/30 czasu (np. 1 sekunda na 30)
(uwaga: doładowywanie prądem stałym może zniszczyć akumulator Ni-MH)
(informacja z Linear Technology Magazine, August 1995)
Fazy ładowania przy użyciu układu ICS17xx:
•
•
•
•
miękki start - tylko dodatnie impulsy, początkowo 200ms, długość stopniowo
zwiększana, by napięcie nie było za duże
szybkie ładowanie - przez większość czasu ładowanie, przerwy na impuls
rozładowujący (2.5 raza większy prąd) i pomiar napięcia, czasy: 1048ms ładowanie,
4ms przerwy, 5ms rozładowywania, 4ms przerwy, 16ms pomiaru napięcia, razem
1077ms
"dopychanie" - po impulsie rozładowującym opóźnienie na tyle długie, by średni prąd
ładowania był C/10 - czyli nominalny
podtrzymywanie - analogicznie, ale średni prąd C/40
Rozpoznawanie końca ładowania/rozładowania akumulatora Ni-MH:
•
•
ładowanie: akumulator zaczyna się nagrzewać (przy małym prądzie ładowania próbowałem C/20 - brak innych oznak naładowania!)
rozładowanie: oporność wewnętrzna akumulatora rośnie, w rezultacie maleje napięcie
pod obciążeniem (bez obciążenia 1.15V/ogniwo)
Informacje o akumulatorach ze starego podręcznika:
ołowiowowy (PbO2-Pb) zasadowy (Ni-Fe, Ni-Cd)
ładowanie Up/Uk
2.1 / 2.7
1.5 / 1.82
U ładowanego akum. 2.05
1.48
wyładowanie Up/Uk 2.0 / 1.85
1.35 / 0.9
granica wyładowania 1.79
0
praca buforowa
2.15-2.18
1.56-1.60
Uwagi:
•
•
•
•
•
•
Up/Uk - napięcie początkowe/końcowe;
napięcia podane przy przepływie prądu ładowania/rozładowania - przy ładowaniu
małym pradem (C/80) akumulator ołowiowowy osiągnie około 2.4V;
wyładowanie poniżej granicy uszkadza akumulator;
praca buforowa = akumulator podłączony do stabilizowanego napięcia, z zasilacza
sieciowego, działa jako źródło prądu jeśli brak prądu;
nawet akumulator ołowiowowy wymaga przy pracy buforowej od czasu do czasu
wyładowania i normalnego naładowania (np. raz na 3 miesiące)
inny podręcznik zaleca pracę buforową przy 2.25V dla akumulatora ołowiowowego większe gazowanie, ale mniejsze zasiarczenie; obecnie producenci akumulatorów
ołowiowych zalecają 2.275V;