Konstrukcja pojazdu samochodowego wymaga zastosowania w nim źródła zmagazynowanej energii elektrycznej. Konieczne jest ono zwłaszcza przy uruchamianiu silnika (do zasilania rozrusznika oraz układu zapłonowego) oraz do zasilania licznych odbiorników energii (świateł czy urządzeń audio) przy unieruchomionym silniku. Tego typu źródłem energii w samochodzie jest akumulator.
W celu zapewnienia dostatecznej ilości energii elektrycznej o wymaganych parametrach konieczne jest zapewnienie stałego doładowywania akumulatora przez generator energii, jakim jest alternator. Wynika to z faktu, że akumulator ulega rozładowywaniu każdorazowo przy uruchamianiu silnika. Alternator, poza funkcją doładowywania akumulatora, przyjmuje na siebie zadanie dostarczania energii dla wszystkich odbiorników w pojeździe przy pracującym silniku. Zasada działania akumulatora oparta jest na zamianie dostarczonej do niego energii elektrycznej na energię chemiczną, magazynowania jej i oddawania ponownie w postaci prądu elektrycznego. Dotychczas najbardziej rozpowszechnioną konstrukcją akumulatora samochodowego było rozwiązanie oparte na ogniwach ołowiowych. Tego typu akumulator stanowi zestaw ogniw połączonych ze sobą elektrycznie i zamkniętych w odseparowanych celach wewnątrz obudowy. W skład każdego ogniwa wchodzi płyta dodatnia i ujemna. Płyty posiadają tzw. kratkę, która jest nośnikiem masy czynnej, a zarazem kolektorem prądu. Pomiędzy płytami znajduje się porowaty separator, mający na celu zapobieganie stykaniu się ich ze sobą, co doprowadzić by mogło do zwarcia. W takim akumulatorze anodą jest ołów, natomiast katodą dwutlenek ołowiu. Obie elektrody zanurzone są w elektrolicie, czyli 30-40% roztworze kwasu siarkowego. Każde ogniwo akumulatora wytwarza napięcie ok. 2,12 V, więc akumulator samochodowy ze względu na wartość napięcia zasilania instalacji elektrycznej pojazdu wynoszącej 12 V posiada 6 takich ogniw. W dwóch skrajnych ogniwach akumulatora osadzone są końcówki biegunów, czyli tzw. zaciski.
Stosowane przez lata tego typu rozwiązania konstrukcyjne akumulatorów samochodowych posiadały pewnego rodzaju niedoskonałości w działaniu. Wadą tego typu akumulatorów jest fakt, że zarówno podczas ładowania, jak i rozładowywania następuje proces odparowywania wody z elektrolitu, co wymusza konieczność regularnego jej uzupełniania. Dlatego też tego typu akumulatory zwane są obsługowymi.
Ponadto na skutek zachodzących w ogniwach reakcji elektrochemicznych występuje proces stopniowego osadzania się na płytach siarki, zmniejszając aktywną ich powierzchnię, a w związku z tym również pojemność akumulatora oraz wartość prądu rozruchowego.
Kolejną niedoskonałością tego typu rozwiązania konstrukcyjnego akumulatora jest zbyt intensywny ruch elektrolitu w celach spowodowany ruchami pojazdu i powodujący cykliczne odsłanianie płyt narażonych w ten sposób na korozję. Poza tym niezbyt duża przewodność elektryczna ołowiu wywołuje wewnętrzne opory powodujące straty energii przy ładowaniu i rozładowywaniu oraz nadmierne nagrzewanie się akumulatora.
Akumulator, jako źródło zasilania w energię elektryczną, w trakcie rozruchu silnika powinien charakteryzować się następującymi właściwościami:
- maksymalną pojemnością,
- brakiem obsługi,
- jak najmniejszą masą i wymiarami,
- trwałością,
- odpornością na bardzo wysokie i niskie temperatury otoczenia,
- jak najmniejszą wartością rozładowania w trakcie postoju pojazdu.
Obecnie konstrukcje akumulatorów, dzięki wyeliminowaniu lub ograniczeniu wszystkich tych wad, są rozwiązaniem znacznie bardziej doskonałym i określane są mianem akumulatorów bezobsługowych. Tego typu konstrukcje nie wymagają dolewania wody do elektrolitu nawet przez okres 5 lat eksploatacji. W akumulatorach tych zredukowane zostało znacznie wydzielanie się gazów (wodoru i tlenu) dzięki zastosowaniu kratek ze stopu ołowiu z wapniem lub innym materiałem (cyną, aluminium czy antymonem). Najnowszym rozwiązaniem jest stosowanie stopu ołowiu ze srebrem. Dzięki zastosowaniu drobnokrystalicznego stopu ołowiu i srebra w sposób istotny udało się zmniejszyć rezystancję wewnętrzną. Tego typu stop jest również znacznie bardziej odporny na zużycie masy aktywnej płyt oraz drgania. Akumulatory bezobsługowe posiadają odpowiednio skonstruowane otwory odpowietrzające, pozwalające na ubytek powstających w czasie elektrolizy i parowania gazów oraz wyrównanie ciśnień, a zarazem zabezpieczające przed wyciekiem. Jedną z najnowocześniejszych konstrukcji akumulatorów samochodowych są akumulatory żelowe, w których elektrolit występuje w postaci żelu. Eliminuje to negatywne skutki swobodnego przepływu elektrolitu w celach. Zaletą tej konstrukcji są bardzo dobre właściwości odprowadzania ciepła oraz odporność na wstrząsy i wibracje.
Jeszcze inną konstrukcję nowoczesnych rozwiązań akumulatorów samochodowych stanowią tzw. akumulatory AGM, w których stosuje się specjalne separatory wykonane z włókna szklanego o znacznej porowatości, dzięki czemu wchłaniają one cały elektrolit. Ma to na celu również ograniczenie ciągłego przepływu elektrolitu w celach. Mają one stosunkowo niski opór wewnętrzny, co umożliwia wydłużenie czasu ich pracy, zwłaszcza przy obciążeniu prądem rozruchowym. Wszystkie rodzaje akumulatorów samochodowych, bez względu na ich konstrukcje, wymagają ładowania. Proces ten polega na dostarczeniu do niego odpowiedniej ilości ładunku elektrycznego w postaci prądu stałego. Przy ładowaniu akumulatorów samochodowych źródło prądu ładowania musi mieć napięcie wyższe od napięcia akumulatora i przy akumulatorach 12 V powinno wynosić od 13,2 do 16,2 V. W praktyce stosowane są następujące sposoby ładowania tradycyjnego akumulatora:
a) doładowanie – stosowane jako normalne uzupełnienie ładunku, przy tego typu ładowaniu dobiera się wartość prądu ładowania zgodnie z wzorem:
I = 0,1 x Qzn [A],
gdzie:
Qzn – pojemność znamionowa akumulatora;
b) podładowanie – stosowane w sytuacji konieczności szybkiego doprowadzenia energii do akumulatora jedynie w celu uruchomienia pojazdu; wartość prądu ładowania dobiera się zgodnie z wzorem:
I = 0,8 x Qzn [A],
do chwili rozpoczęcia procesu gazowania, a następnie zmniejsza się prąd ładowania do wartości:
I = 0,1 x Qzn [A]
c) ładowanie wyrównawcze – stosowane do wyrównania stanu naładowania poszczególnych ogniw akumulatora, polega ono na powolnym ładowaniu akumulatora, a następnie przeładowaniu prądem o wartości:
I = 0,05 x Qzn [A]
d) ładowanie odsiarczające – wykonywane cyklami 12-godzinnymi z przerwami 2-godzinnymi prądem o wartości:
I = (0,02-0,05) x Qzn [A]
Ze względu na znaczną różnorodność konstrukcyjną dostępnych na rynku akumulatorów bardzo ważne jest, aby dostosować charakterystykę procesu ładowania, czyli wartość napięcia i prądu na zaciskach akumulatora w funkcji czasu, do rodzaju konkretnego akumulatora.
Wymagany ładunek elektryczny można dostarczyć do akumulatora na wiele różnych sposobów, regulując wartość prądu ładowania i czasu trwania tego procesu. Przy najbardziej popularnej charakterystyce ładowania „W” w trakcie ładowania akumulatora rośnie napięcie na jego zaciskach, a w związku z tym zmniejsza się prąd ładowania.
Wśród stosowanych w praktyce sposobów ładowania wyróżnić można również inne charakterystyki:
- „I” – ze stabilizacją prądu ładowania,
- „U” – ze stabilizacją napięcia ładowania,
- „IUI” – z przemienną stabilizacją prądu i napięcia ładowania,
- „WU” – z charakterystyką „W” w początkowej fazie ładowania oraz stabilizacją napięcia ładowania w pozostałej fazie procesu,
- „WoW” – z samoczynną regulacją ładowania w dwóch fazach, przy określonych wartościach napięcia.
Najnowsze charakterystyki ładowania wykorzystują również parametr czasowy procesu ładowania. Tego typu charakterystyki określane są jako pulsacyjne, czyli okresowe i polegają na przeprowadzeniu ładowania cyklami 20-sekundowymi z 10-sekundowymi przerwami, prądami o wartościach większych niż w pozostałych charakterystykach. Zaletą tego typu charakterystyk jest z pewnością skrócenie sumarycznego czasu ładowania.
Przy ładowaniu akumulatorów samochodowych należy opierać się przede wszystkim na danych technicznych podawanych przez producenta akumulatora. Niemniej obowiązują niżej wymienione zasady ich ładowania. W przypadku akumulatorów obsługowych z odkręcanymi korkami dopuszczalne napięcie na zaciskach może wynosić 16 V, a prąd ładowania osiąga wartość 0,5 pojemności akumulatora (np. przy akumulatorze 60 Ah prąd wynosi 30 A). Przy akumulatorach bezobsługowych (żelowych, AGM) napięcie na zaciskach nie może przekraczać w trakcie ładowania wartości 14,4-14,7 V, w zależności od zalecanego prądu ładowania.
mgr Andrzej Kowalewski
Stosowane przez lata tego typu rozwiązania konstrukcyjne akumulatorów samochodowych posiadały pewnego rodzaju niedoskonałości w działaniu. Wadą tego typu akumulatorów jest fakt, że zarówno podczas ładowania, jak i rozładowywania następuje proces odparowywania wody z elektrolitu, co wymusza konieczność regularnego jej uzupełniania. Dlatego też tego typu akumulatory zwane są obsługowymi.
Ponadto na skutek zachodzących w ogniwach reakcji elektrochemicznych występuje proces stopniowego osadzania się na płytach siarki, zmniejszając aktywną ich powierzchnię, a w związku z tym również pojemność akumulatora oraz wartość prądu rozruchowego.
Kolejną niedoskonałością tego typu rozwiązania konstrukcyjnego akumulatora jest zbyt intensywny ruch elektrolitu w celach spowodowany ruchami pojazdu i powodujący cykliczne odsłanianie płyt narażonych w ten sposób na korozję. Poza tym niezbyt duża przewodność elektryczna ołowiu wywołuje wewnętrzne opory powodujące straty energii przy ładowaniu i rozładowywaniu oraz nadmierne nagrzewanie się akumulatora.
Akumulator, jako źródło zasilania w energię elektryczną, w trakcie rozruchu silnika powinien charakteryzować się następującymi właściwościami:
- maksymalną pojemnością,
- brakiem obsługi,
- jak najmniejszą masą i wymiarami,
- trwałością,
- odpornością na bardzo wysokie i niskie temperatury otoczenia,
- jak najmniejszą wartością rozładowania w trakcie postoju pojazdu.
Obecnie konstrukcje akumulatorów, dzięki wyeliminowaniu lub ograniczeniu wszystkich tych wad, są rozwiązaniem znacznie bardziej doskonałym i określane są mianem akumulatorów bezobsługowych. Tego typu konstrukcje nie wymagają dolewania wody do elektrolitu nawet przez okres 5 lat eksploatacji. W akumulatorach tych zredukowane zostało znacznie wydzielanie się gazów (wodoru i tlenu) dzięki zastosowaniu kratek ze stopu ołowiu z wapniem lub innym materiałem (cyną, aluminium czy antymonem). Najnowszym rozwiązaniem jest stosowanie stopu ołowiu ze srebrem. Dzięki zastosowaniu drobnokrystalicznego stopu ołowiu i srebra w sposób istotny udało się zmniejszyć rezystancję wewnętrzną. Tego typu stop jest również znacznie bardziej odporny na zużycie masy aktywnej płyt oraz drgania. Akumulatory bezobsługowe posiadają odpowiednio skonstruowane otwory odpowietrzające, pozwalające na ubytek powstających w czasie elektrolizy i parowania gazów oraz wyrównanie ciśnień, a zarazem zabezpieczające przed wyciekiem. Jedną z najnowocześniejszych konstrukcji akumulatorów samochodowych są akumulatory żelowe, w których elektrolit występuje w postaci żelu. Eliminuje to negatywne skutki swobodnego przepływu elektrolitu w celach. Zaletą tej konstrukcji są bardzo dobre właściwości odprowadzania ciepła oraz odporność na wstrząsy i wibracje.
Jeszcze inną konstrukcję nowoczesnych rozwiązań akumulatorów samochodowych stanowią tzw. akumulatory AGM, w których stosuje się specjalne separatory wykonane z włókna szklanego o znacznej porowatości, dzięki czemu wchłaniają one cały elektrolit. Ma to na celu również ograniczenie ciągłego przepływu elektrolitu w celach. Mają one stosunkowo niski opór wewnętrzny, co umożliwia wydłużenie czasu ich pracy, zwłaszcza przy obciążeniu prądem rozruchowym. Wszystkie rodzaje akumulatorów samochodowych, bez względu na ich konstrukcje, wymagają ładowania. Proces ten polega na dostarczeniu do niego odpowiedniej ilości ładunku elektrycznego w postaci prądu stałego. Przy ładowaniu akumulatorów samochodowych źródło prądu ładowania musi mieć napięcie wyższe od napięcia akumulatora i przy akumulatorach 12 V powinno wynosić od 13,2 do 16,2 V. W praktyce stosowane są następujące sposoby ładowania tradycyjnego akumulatora:
a) doładowanie – stosowane jako normalne uzupełnienie ładunku, przy tego typu ładowaniu dobiera się wartość prądu ładowania zgodnie z wzorem:
I = 0,1 x Qzn [A],
gdzie:
Qzn – pojemność znamionowa akumulatora;
b) podładowanie – stosowane w sytuacji konieczności szybkiego doprowadzenia energii do akumulatora jedynie w celu uruchomienia pojazdu; wartość prądu ładowania dobiera się zgodnie z wzorem:
I = 0,8 x Qzn [A],
do chwili rozpoczęcia procesu gazowania, a następnie zmniejsza się prąd ładowania do wartości:
I = 0,1 x Qzn [A]
c) ładowanie wyrównawcze – stosowane do wyrównania stanu naładowania poszczególnych ogniw akumulatora, polega ono na powolnym ładowaniu akumulatora, a następnie przeładowaniu prądem o wartości:
I = 0,05 x Qzn [A]
d) ładowanie odsiarczające – wykonywane cyklami 12-godzinnymi z przerwami 2-godzinnymi prądem o wartości:
I = (0,02-0,05) x Qzn [A]
Ze względu na znaczną różnorodność konstrukcyjną dostępnych na rynku akumulatorów bardzo ważne jest, aby dostosować charakterystykę procesu ładowania, czyli wartość napięcia i prądu na zaciskach akumulatora w funkcji czasu, do rodzaju konkretnego akumulatora.
Wymagany ładunek elektryczny można dostarczyć do akumulatora na wiele różnych sposobów, regulując wartość prądu ładowania i czasu trwania tego procesu. Przy najbardziej popularnej charakterystyce ładowania „W” w trakcie ładowania akumulatora rośnie napięcie na jego zaciskach, a w związku z tym zmniejsza się prąd ładowania.
Wśród stosowanych w praktyce sposobów ładowania wyróżnić można również inne charakterystyki:
- „I” – ze stabilizacją prądu ładowania,
- „U” – ze stabilizacją napięcia ładowania,
- „IUI” – z przemienną stabilizacją prądu i napięcia ładowania,
- „WU” – z charakterystyką „W” w początkowej fazie ładowania oraz stabilizacją napięcia ładowania w pozostałej fazie procesu,
- „WoW” – z samoczynną regulacją ładowania w dwóch fazach, przy określonych wartościach napięcia.
Najnowsze charakterystyki ładowania wykorzystują również parametr czasowy procesu ładowania. Tego typu charakterystyki określane są jako pulsacyjne, czyli okresowe i polegają na przeprowadzeniu ładowania cyklami 20-sekundowymi z 10-sekundowymi przerwami, prądami o wartościach większych niż w pozostałych charakterystykach. Zaletą tego typu charakterystyk jest z pewnością skrócenie sumarycznego czasu ładowania.
Przy ładowaniu akumulatorów samochodowych należy opierać się przede wszystkim na danych technicznych podawanych przez producenta akumulatora. Niemniej obowiązują niżej wymienione zasady ich ładowania. W przypadku akumulatorów obsługowych z odkręcanymi korkami dopuszczalne napięcie na zaciskach może wynosić 16 V, a prąd ładowania osiąga wartość 0,5 pojemności akumulatora (np. przy akumulatorze 60 Ah prąd wynosi 30 A). Przy akumulatorach bezobsługowych (żelowych, AGM) napięcie na zaciskach nie może przekraczać w trakcie ładowania wartości 14,4-14,7 V, w zależności od zalecanego prądu ładowania.
mgr Andrzej Kowalewski
Komentarze (0)