Top teme

Punjenje, pražnjenje i kontrola baterije

Baterije su danas širom svijeta jedno od najdinamičnijih istraživačkih i investicijskih područja pa u toj utrci možemo očekivati svakojaka iznenađenja.

Baterije - drugi dio

U ovom nastavku serije o fotonaponskim otočnim sustavima vratit ćemo se na početak, točnije na proces pražnjenja i punjenja baterije i uočiti kako možemo najskuplju komponentu sustava, bateriju, iskoristiti u deklariranom životnom vijeku, a ne da nam otkaže već u prvoj godini rada sustava…. Objasnit ćemo i kako možemo očuvati ispravno stanje baterija što dulje!

Proces pražnjenja i punjenja baterije

Pokušajmo predočiti kemijski proces koji se odvija u olovnoj bateriji prikazan na slici 1.

Slika 1.: Proces pražnjenja baterije

Slika 1: Proces pražnjenja baterije

U napunjenom stanju baterija ima dva pola. Jedan je od olovnog dioksida, a drugi je čisto olovo. Elektrolit se nalazi među pločama. Kada se baterija prazni preko priključenog trošila tada kroz trošilo “teku” elektroni. Elektroda koja daje elektrone u strujni krug kada se baterija prazni je negativni pol baterije. Elektroda koja prima elektrone iz strujnog kruga trošila je pozitivni pol baterije. Električni strujni krug u bateriji se zatvara preko elektrolita, električki vodljive tvari koja je smještena između polova baterije. Elektrolit u klasičnoj olovnoj bateriji je sumporna kiselina  (H2SO4)  određene koncentracije s gustoćom 1,28 kg/l. Elektrolit  sadrži ione, čije gibanje kroz elektrolit “nosi” električnu struju. Polovi baterije se odjeljuju separatorom koji električki izolira susjedne ploče, ali je dovoljno porozan da omogućuje prolaz iona elektrolita. Pri svom prolazu kroz bateriju struja trošila se tako mijenja iz “elektronske” koja ulazi u plus pol u ionsku koja prolazi elektrolitom. Ionska struja pretvara se opet u “elektronsku” na izlazu iz baterije. Ove promjene “nositelja” struje (jer u bateriji zapravo “putuju ioni”, a ne elektroni)  su posljedica oksido-redukcijskih kemijskih procesa. Kada je baterija potpuno prazna, oba pola imaju jednaki kemijski sastav tj. olovni sulfat. Gustoća elektrolita u procesu pražnjenja, kada je baterija potpuno prazna, pada na gustoću 1,1kg/l. Pri pražnjenju se troši sumporna kiselina i nastaje nešto vode. Pražnjenjem baterije se elektrolit u stvari  razrijedio.

Prilikom punjenja baterije olovni sulfat se opet pretvara u olovni dioksid na pozitivnom polu i čisto olovo na negativnom polu. Pri punjenju baterije povećava se gustoća elektrolita tj. opet se stvara sumporna kiselina (H2SO4). Punjenje akumulatora traje sve dok se na elektrodama ne potroši sav olovni sulfat. Ako se tada ne prekine dovođenje električne struje, događa se elektroliza vode (oslobađaju se plinovi vodik i kisik). Nakon punjenja elektrode su postale različite i na njima se može mjeriti razlika potencijala tj. napon.

Ukupna se reakcija može opisati reverzibilnom jednadžbom:
PbO2 + 2 H2SO4 + Pb <-> 2 PbSO4 + 2 H2O

Činjenica je da u procesu punjenja i pražnjenja olovne ploče mijenjaju sastav. Kažemo da su baterije “gotove” kada se ova reverzibilna kemijska promjena materijala ploča u bateriji više ne može događati.
Što u tome procesu može krenuti “naopako” i zašto će zapravo baterije nakon nekog vremena ili još gore prije očekivanog vremena ostariti? To bi nam trebalo pokazati koliko je bitno proces punjenja i pražnjenja držati pod kontrolom.

Sulfatizacija ploča

Kada je baterija prazna ploče su pune olovnog sulfata. Kada je baterija puna ne bi smjelo biti olovnog sulfata. Nešto sulfata ipak ostaje na elektrodama pri svakom ciklusu punjenja i pražnjenja, a što predstavlja glavni uzrok starenja baterija. Zato ih treba održavati što punijim. Ako se prazna baterija spremi i ne napuni neko dulje vrijeme, ova kristalna struktura će tako očvrsnuti da je kasnije punjenje strujom neće moći “razbiti”. Isto će se dogoditi ako se baterija kroz dulje vrijeme ne napuni do kraja, dakle dio površine ploča će ostati ireverzibilno sulfatiziran i više se ne može pretvoriti u čisto olovo i olovni dioksid procesom punjenja strujom. Rezultat je kao da imamo manju površinu ploča, dakle baterija na taj način gubi kapacitet. Inteligentni punjači vode o tome računa i najamanje jednom u 30 dana napune bateriju do kraja. Sulfatizacija se događa pojačano i pri višim temperaturama u bateriji, odnosno pri višim temperaturama okoline. Inteligentni punjači moraju stoga adaptirati proces punjenja baterije s obzirom na temperaturu u bateriji. Do sulfatizacije ploča može doći i ako iste ostanu bez elektrolita.

Slika 2.: Građa ploče baterije i detalj sulfatizacije površine ploče

Slika 2: Građa ploče baterije i detalj sulfatizacije površine ploče

Erozija i korozija ploča

Olovni sulfat koji se stvara prilikom pražnjenja baterije ima veći volumen od polaznih materijala pa tako ploče baterije i mehanički debljaju pri praženjenju odnosno stanjuju se pri punjenju kada se olovni sulfat pretvara u čisto olovo odnosno u olovni dioksid. Tako i uslijed normalnog rada dolazi do očekivanog laganog otpadanja aktivne mase s ploča. To normalno smanjenje aktivne mase baterija naziva se erozija ploča. Povećana ili ubrzana erozija ploča naziva se korozijom ploča baterije. Materijal koji je otpao erozijom taloži se na dnu posude baterije. Taloženje u pravilu ipak vodljivog materijala na dnu posude baterije može izazvati kratke spojeve među pločama baterije. Normalna erozija se kontrolira ograničenjem dubine pražnjenja, smanjenjem broja ciklusa pražnjenja i brigom o radnoj temperaturi baterije i okoline baterije. Do intenzivne korozije dolazi pak pri dugotrajnom prepunjavanju baterija. No i punjenje preslabom strujom će uzrokovati da ioni u elektrolitu neće dovoljno kvalitetno i brzo „razbijati“ olovni sulfat. To znači erozija je normalna i potrebna pojava jer ako je nema opet nastupa ireverzibilna i krajnje nepoželjna sulfatizacija ploča!

Slika 3. Korozija ploča baterije

Slika 3: Korozija ploča baterije

Stratifikacija ploča

Ako se baterija s tekućim elektrolitom puni premalom strujom, odnosno ako se baterija nikada ne  puni preko 60% kapaciteta dolazi do preslabog “miješanja” elektrolita. Voda i kiselina se razdvajaju, teža kiselina pada dolje dok voda kreće prema gore. Gornji dio će biti tako s premalom koncentracijom elektrolita, a donji s prevelikom. To će imati za posljedicu da će gornji dio ploča sulfatizirati, a donji dio ploča će  biti podložen jakoj koroziji i trošenju, odnosno otpadanju aktivnog materijala. Kod baterija s tekućim elektrolitom stratifikacija se izbjegava namjernim kraćim impulsom punjenja pri višem naponu kada dolazi do namjerno izazvanog intenzivnog plinjenja. Mjehurići plina tako promiješaju elektrolit. Kod VRLA (engl. Valve Regulated Lead-Acid) zatvorenih baterija s elektrolitom u obliku gela ova pojava se ne događa.

Termički pobjeg

VRLA (engl. Valve Regulated Lead-Acid) baterije su potpuno zatvorene, s izuzetkom ventila koji služi za oslobađanje plinova u havarijskim uvjetima punjenja. Kod ove vrste baterija, za razliku od otvorenih olovnih baterija, provodi se rekombinacija plinova tijekom kraja punjenja unutar kućišta baterije, jer oni jednostavno nemaju kamo izaći! U procesu rekombinacije plinova oslobađa se toplina. Pri klasičnim otvorenim olovnim baterijama s tekućim elektrolitom ovi plinovi bi izlazili u okolinu, a tek bi se neznatnim dijelom rekombinirali i tako ne bi zagrijavali bateriju! Ako se zatvorena baterija dugotrajno i nekontrolirano prepunjava, puni uz previsoki napon i ako je pri tome u okolini s povišenom temperaturom, može se zagrijati brže nego što toplinu može predati okolini. Prateći povećanje temperature, punjač će smanjiti napon, ali u jednostavnim algoritmima punjenja najćešće će povećati struju. To će pak ponovno dodatno zagrijati bateriju. Ovaj proces povećanja struje punjenja uz povećanje temperature baterije završava tako da se plastična posuda baterije deformira, možda se dijelom i rastopi, a u najgorem slučaju i pukne. To se naziva termički pobjeg zatvorene baterije. Termički pobjeg ipak je vezan uz regulator punjenja, a ne samu bateriju. Dakle regulator punjenja mora biti tako podešen da do termičkog pobjega ne dođe!

Budući da se, kako je objašnjeno, realno može dogoditi neželjeni režim rada u kojem baterija ispušta vodik uz izvode polova i kod zatvorenih olovnih baterija je potrebno predvidjeti ventiliranje okolnog prostora (najčešće je dovoljna minimalna prirodna ventilacija).

Slika 5: Termički pobjeg zatvorenih baterija

Slika 5: Termički pobjeg zatvorenih baterija

Eksplozija baterije

Kada je baterija već potpuno puna, nastavak punjenja uzrokuje plinjenje. Svaka iskra unutar baterije tada  može izazvati eksploziju.  Ako puna baterija eksplodira u trenutku uključenja trošila  to može biti i rezultat da je dio ploča prethodno ostao suh , tj. bez elektrolita. U trenutku priključenja trošila u bateriji visoka početna struja trošila mogla je izazvati iskru koja je prouzročila eksploziju zapaljive smjese u bateriji.

Slika 6: Eksplozija olovne baterije

Stanje napunjenosti i stanje zdravlja baterije

Sve što smo opisali, a što se događa u procesu punjenja i pražnjenja ima posljedice prikazane na slici  7. U tijeku eksploatacije baterija želimo naime znati i stanje napunjenosti i stanje zdravlja baterije. Preduvjet za kvalitetno mjerenje je da prvo bateriju napunimo tako da uređaj kojim je punimo odradi cjeloviti ciklus punjenja kako smo to objasnili u prošlom nastavku o baterijama. Potom je potrebno odspojiti sva trošila i baterija sljedeća 2h ne smije imati niti punjenje niti pražnjenje. Preko mjerenja napona i tablice na slici 7.  možemo zaključiti i o stanju zdravlja baterije. Koliko je napunjenja, toliko je zdrava!

Ako se baterija ne da napuniti tj. napon nakon 2h cjelovitog punjenja padne ispod 12 V, onda je baterija “gotova”. Ako je napon viši od 12 V pokušajte s još jednim cjelovitim punjenjem.

Ako u ponovljenom pokusu nema promjena u naponu  nakon 2 h mirovanja u usporedbi s prvim pokusom, znači napon nije dostigao 13V, znači da je zdravlje baterije narušeno i njezin radni kapacitet je smanjen. A to ćete sigurno osjetiti i u ciklusima pražnjenja.

Slika 7. Razlika stanja napunjenosti i stanja zdravlja baterije

Slika 7. Razlika stanja napunjenosti i stanja zdravlja baterije

No ako već ne možemo jednostavno znati stanje zdravlja baterija bez odspajanja i mirovanja, ono što možemo činiti za zdravlje baterija je pratiti proces punjenja baterija. Pogotovo je to važno ako baterije povezujemo u serijski ili paralelni slog. Baterijama je zaista bitno dovesti u cijelosti napon koji osigurava punjač sa svojim inteligentnim algoritmima. Na slici 8. uočite kako spajanje baterija vodičima neprikladnog presjeka može dovesti do razlike u naponima punjenja baterije uslijed otpora priključnih kabela. Ovdje ne pomaže nikakav inteligentan algoritam punjenja! Ova situacija rješava se upotrebom sabirnica, kako je prikazano na slici dolje desno.

Slika 8. Priključni kabeli kao uzrok nejednakog punjenja (nejednakog životnog vijeka) baterija

Slika 8: Priključni kabeli kao uzrok nejednakog punjenja (nejednakog životnog vijeka) baterija

Pri spajanju više baterija u seriju pretpostavljamo da su one savršeno iste i da će se cijeli životni vijek jednako ponašati, a naravno i da su odmah po prvom uključenju potpuno jednako napunjene. To je naravno daleko od stvarnosti.
Kako će to utjecati na životni vijek sloga? Sigurno ne dobro jer će jedna baterija dobivati previše, druga premalo napona, jedna će pliniti i korodirati, druga će sulfatizirati…

Rješenje je uređaj za ujednačavanje baterija (engl. Battery Balancer). Osnova djelovanja prikazana je na slici 9.

Slika 9: Uređaj za ujednačavanje baterija

Slika 9: Uređaj za ujednačavanje baterija

Na slici 9 prikazan je slog od dvije baterije spojene u seriju na koji je priključen uređaj za ujednačavanje. Osim krajnjih izvoda sloga baterije, spojena je i takozvana srednja točka gdje se dvije baterije spajaju u slogu zajedno. Na taj način uređaj nadzire i jednu i drugu bateriju. Kada je u procesu punjenja napon sloga manji od 26,6V uređaj je neaktivan i sve svjeteleće diode su isključene. Kada se napon na slogu u procesu punjenja popne do 27,3V tada se pali zelena LED informirajući nas da je uređaj u stanju aktivnog nadzora. Ako primijeti odstupanje napona na jednoj bateriji veće od 50mV početi će proces ujednačavanja. To radi tako da bateriju s višim naponom zapravo prazni preko malog otpora strujom od 0,7A, čekajući da se za to vrijeme ona druga približi očekivanom naponu i da nestane razlike među naponima baterija. Ako pak razlika napona preraste 100mV pali se jedna od dvije narančaste LED pokazujući koja baterija ima viši napon.

Odstupanje veće od 200mV će uklopiti interni relej, odnosno beznaponski uklopni kontakt. Ovaj kontakt možemo iskoristiti za dojavu alarmnog stanja. Na ovaj način baterije će odmah od početka raditi uravnoteženo, a detektirati će se odmah i slučaj ispada pojedine baterije u radu. Na taj način se može poduzeti akcija prije nego se slijedno oštete druge baterije u slogu. Također dobit ćemo signal približavanja kraja životnog vijeka baterija, odnosno barem one koja ne može pratiti punjenje. 

Kako se uređaj koristi na složenijim baterijskim slogovima gdje ima i paralelnih grana prikazno je na slici 10. Na toj slici vidi se i spoj nadzornika baterije koji također ima spojenu zajedničku točku i mjeri i prikazuje napon zajedničke točke. O nadzorniku baterije smo pisali već u Majstoru 11-12/2013. Nadzornik može preko svojega internog releja dojaviti da je odstupanje veće od u parametrima nadzornika unaprijed slobodno zadane vrijednosti odstupanja.

Slika 10: Baterijski slog 24V odnosno 48V opremeljen uređajem za ujednačavanje baterija i nadzornikom baterija

Stratifikacija ploča

Slika 4: Stratifikacija ploča baterije

Ako se baterija s tekućim elektrolitom puni premalom strujom, odnosno ako se baterija nikada ne  puni preko 60% kapaciteta dolazi do preslabog “miješanja” elektrolita. Voda i kiselina se razdvajaju, teža kiselina pada dolje dok voda kreće prema gore. Gornji dio će biti tako s premalom koncentracijom elektrolita, a donji s prevelikom. To će imati za posljedicu da će gornji dio ploča sulfatizirati, a donji dio ploča će  biti podložen jakoj koroziji i trošenju, odnosno otpadanju aktivnog materijala. Kod baterija s tekućim elektrolitom stratifikacija se izbjegava namjernim kraćim impulsom punjenja pri višem naponu kada dolazi do namjerno izazvanog intenzivnog plinjenja. Mjehurići plina tako promiješaju elektrolit. Kod VRLA (engl. Valve Regulated Lead-Acid) zatvorenih baterija s elektrolitom u obliku gela ova pojava se ne događa.

Slika 10: Baterijski slog 24V odnosno 48V opremeljen uređajem za ujednačavanje baterija i nadzornikom baterija

Slika 10: Baterijski slog 24V odnosno 48V opremeljen uređajem za ujednačavanje baterija i nadzornikom baterija

Upotrebom uređaja za ujednačavanje baterija  omogućeno je serijsko i paralelno spajanje baterija bez rizika gubitka životnog vijeka baterijskog sloga. Možemo se samo pitati koliko baterija danas radi u takvim slogovima u brodovima u našim marinama i ubrzano, ubrzano stari…

Upoznavanjem uređaja za ujednačavanje baterija zapravo smo se predznanjem približili za predstavljanje LI-ion baterija koje bez uređaja za održavanje napona pojedinih ćelija uopće ne mogu raditi bez rizika eksplozije. Specifična gustoća spremljene energije olovnog akumulatora je 35-40 Wh/kg, koliko je ta gustoća za  Li-ion baterije? Ali o tome i o ostalim karakteristikama tih baterija u sljedećem nastavku serije. 

Ukoliko imate dodatna pitanja slobodno nas kontaktirajte:

Josip Radin
j.radin(at)schrack.hr
mob.: 099/3173-700

Josip Zdenković
j.zdenkovic(at)schrack.hr
mob.: 099/2280-035

Pretraživali ste prema ovim riječima: baterija, akumulator, punjenje baterije, punjenje akumulatora, životni vijek baterije, sulfatizacija, VRLA baterija, termički pobjeg, regulator punjenja akumulatora, eksplozija baterije, olovni akumulator, Battery Balancer, ujednačavanje baterija, nadzor baterija