Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej

Wydział Budowy Maszyn i Informatyki

Studia: stacjonarne, MiBM, I stopnia, sem. 6

Specjalność: Samochody i Silniki

LABORATORIUM

Elektrotechniki i Elektroniki Samochodowej

Temat Ćwiczenia: Badanie Akumulatorów

Drzewiecki Michał

Cienkus Tomasz

Cel Ćwiczenie:

Celem Ćwiczenia było zapoznanie się z budową i zasadą działania akumulatora oraz przeprowadzenie jego diagnostyki.

Budowa akumulatora i zasada działania:

Typowy akumulator do samochodu osobowego jest zbudowany z 6 ogniw ołowiowo-kwasowych połączonych szeregowo. Każde ogniwo generuje siłę elektromotoryczną (SEM) równą 2,1 V. Cały akumulator generuje zatem napięcie znamionowe równe 12,6 V. Rezystancja wewnętrzna akumulatora jest bardzo mała, umożliwiając przepływ bardzo dużych prądów. Z tego powodu znalazły zastosowanie jako akumulatory rozruchowe silników spalinowych. W samochodach ciężarowych stosowane są baterie akumulatorów złożone z 12 ogniw o nominalnym napięciu 24 V. Akumulatory 6 V były stosowane w motocyklach, a dawniej w także samochodach (np. trabant do roku 1983).

Każde ogniwo składa się z:

1. anody wykonanej z metalicznego ołowiu: (−) w trakcie poboru prądu i (+) w trakcie ładowania

2. katody wykonanej z PbO2: (+) w trakcie poboru prądu i (−) w trakcie ładowania

3. elektrolitu, którym jest ~37% wodny roztwór kwasu siarkowego z rozmaitymi dodatkami

• Sposoby ładowania akumulatorów

• Ładowanie pierwsze formujące.

• Akumulator suchy nie ładowany (elektrolit 1,265 g/cm3)

• Akumulator suchy ładowany (elektrolit 1,28 g/cm3)

• Ładowanie jednostopniowe.

• Ładowanie dwustopniowe.

• Ładowanie przyśpieszone.

• Ładowanie prądem przy stałym napięciu.

Ładowanie regeneracyjne (odsiarczające).

Rozładowywanie

W trakcie poboru prądu z akumulatora, na elektrodach zachodzą następujące reakcje chemiczne:

anoda – utlenianie:

Pb0 + SO42− ⇌ PbIISO4 + 2e− ε0 = 0,356 V

katoda – redukcja:

PbIVO2 + SO42− + 4H+ + 2e− ⇌ PbIISO4 + 2H2O ε0 = 1,685 V

Na obu elektrodach w trakcie poboru prądu wydziela się siarczan ołowiu(II) (PbSO4). W trakcie ładowania zachodzą dokładnie takie same reakcje, tyle że w drugą stronę.

W naładowanym akumulatorze gęstość elektrolitu wynosi 1,26–1,28 g/cm3. Proces rozładowywania powoduje zmniejszenie stężenia elektrolitu oraz gęstości. Kiedy w rozładowanym akumulatorze napięcie na biegunach spadnie do 1,8 V na ogniwo (10,8 V w akumulatorze samochodowym 12V), a gęstość elektrolitu do 1,18 g/cm3, akumulator należy niezwłocznie naładować. Stan naładowania można zmierzyć areometrem.

Stan całkowitego rozładowania akumulatora polega na całkowitym przekształceniu obu elektrod w stały siarczan ołowiu i jest nieodwracalny. Siarczan ołowiu po pewnym czasie przechodzi w stan krystaliczny, będący elektrycznym izolatorem i trudno reagującym, powodującym spadek pojemności akumulatora. W praktyce zapobiega się tzw. zasiarczeniu elektrod stosując specjalną ich konstrukcję, która utrudnia osadzanie się na ich powierzchni nieprzenikalnej warstwy kryształów siarczanu ołowiu. Akumulatory samochodowe nie są jednak generalnie zaprojektowane do częstego całkowitego rozładowania, lecz raczej do funkcjonowania w stanie całkowitego naładowania.

Ładowanie

Proces ładowania polega na podłączeniu akumulatora do odpowiednich biegunów źródła prądu stałego (np. zasilacza lub prostownika) i trwa on około 10 godzin (akumulatory samochodowe ładowane są sukcesywnie podczas pracy silnika, np. za pomocą alternatora). Prąd ładowania powinien wynosić 10% pojemności akumulatora. Możliwe jest ładowanie przyśpieszone według zaleceń producenta. Podczas ładowania napięcie ogniwa wzrasta powoli od ok. 2 V do 2,35 V, potem szybciej. Gęstość elektrolitu rośnie. Po przekroczeniu napięcia 2,4 V zaczyna się rozkład wody na tlen i wodór (tzw. gazowanie akumulatora). Po osiągnięciu napięcia 2,5 V należy przerwać ładowanie, w przeciwnym razie dochodzi do przeładowania akumulatora. Skutkuje to wydzieleniem dużych ilości wodoru. Wodór w połączeniu z powietrzem tworzy mieszankę wybuchową, która może eksplodować pod wpływem iskry elektrycznej. Stąd ładowanie akumulatorów należy przeprowadzać w dobrze wentylowanych wnętrzach lub na otwartym terenie i unikać iskrzenia przy odłączaniu zacisków prostownika. W czasie ładowania w elektrolicie wydziela się ciepło, które przy temperaturze powyżej 40 °C działa szkodliwie na płyty akumulatora. Nieużywany akumulator trzeba okresowo doładowywać aby nie dopuścić do zasiarczenia spowodowanego samo rozładowywaniem się akumulatora.

Pojemność

Pojemność akumulatorów ołowiowych podaje się w amperogodzinach (Ah). Pojemność zależy od sposobu rozładowywania, dlatego wprowadzono pojęcie pojemności 10-godzinnej. Dla przykładu, aby rozładować w ciągu 10 godzin akumulator 40 Ah, należy czerpać z niego prąd o natężeniu 4 A. Niektórzy producenci stosują inne pojęcia pojemności akumulatora, np. pojemność 5-godzinną (5HR) lub 20-godzinną (20HR).

W ujemnych temperaturach pojemność maleje, co może powodować trudności z uruchomieniem pojazdów. Przy dużych mrozach w rozładowanym akumulatorze może dojść do zamarznięcia elektrolitu, doprowadzając do jego uszkodzenia. Dawniej zalecane było wyjmowanie akumulatora z samochodu, przechowywanie w ciepłym miejscu i zamontowanie przed uruchomieniem silnika.

Parametry Akumulatorów:

Przeładowanie
System ładowania akumulatora w nowoczesnych samochodach umożliwia doładowanie małym prądem, gdy akumulator jest naładowany. W przypadku uszkodzenia obwodu alternatora, akumulator będzie ładowany dużym prądem przez cały czas, gdy samochód pracuje. Przepływ dużego prądu spowoduje szybką utratę wody w akumulatorze, zniszczy charakterystyki bezobsługowe oraz zredukuje czas eksploatacji akumulatora poprzez uszkodzenie dodatnich kratek.

Ciemnobrązowy/czarny kolor na spodzie korków odgazowania jest
wyraźnym sygnałem przeładowania akumulatora.

Jeżeli napięcie z alternatora przekracza 14,8 V w normalnym zakresie temperatur, jest to na ogół symptom uszkodzenia układu ładowania. Uszkodzenie diody wspólnej w prostowniku spowoduje, że napięcie ładowania będzie wynosić około 16 V na akumulatorze. Należy natychmiast naprawić alternator, aby zapobiec uszkodzeniu akumulatora.

Głębokie rozładowania
Współczesne układy ładowania utrzymują akumulator w stanie wysokiego naładowania podczas pracy w większości warunków eksploatacyjnych. Jednakże akumulator może zostać rozładowany w nienormalnych warunkach lub jeśli samochód pozostawi się w np. z włączonymi światłami.

Akumulatory samochodowe są zaprojektowane na określoną liczbę cykli ładowania/rozładowania, lecz nie są zaprojektowane do zastosowań, w których ciągle występuje głębokie rozładowanie i ładowanie.

Ciągłe głębokie rozładowywanie akumulatora samochodowego spowoduje jego uszkodzenie, ponieważ masa aktywna z płyty dodatniej będzie stopniowo odpadać na dno akumulatora redukując zdolność płyt do magazynowania energii.

Duża ilość małych czarnych/brązowych cząsteczek w elektrolicie
wskazuje, że akumulator poddawany jest głębokim rozładowniom.

Zasiarczenie
Zasiarczanie jest normalnym elementem pracy akumulatora i występuje zawsze, kiedy akumulator jest rozładowywany. Podczas ładowania akumulatora siarczek ołowiu z powrotem przemienia się w masę aktywną. 

Jeśli akumulator pozostawiony jest przez jakiś okres czasu, siarczki powoli przybierają formę, która nie może z powrotem przemienić się w masę aktywną podczas ładowania. Czyli, po naładowaniu, akumulator nie osiągnie swoich pierwotnych parametrów. Jeżeli zasiarczenie osiągnie wysoki stopień, samochodu nie będzie można uruchomić.

Niedoładowanie
Niedoładowanie występuje, gdy akumulator nie otrzyma wystarczającego ładunku, aby powrócić do stanu pełnego naładowania. Również to zjawisko będzie przyczyną powolnego zasiarczania. Zjawisko to występuje, gdy samochód jest używany rzadko, do krótkich przejazdów lub podczas jazdy po mieście. Niedoładowanie wystąpi również, gdy napięcie ładowania z alternatora zawiera się w zakresie od 13,6 do 13,8 V.

Przyrządy stosowane do pomiarów:

Multimetr – zespolone urządzenie pomiarowe posiadające możliwość pomiaru różnych wielkości fizycznych. Termin stosowany najczęściej w elektrotechnice do opisania urządzenia zawierającego co najmniej: amperomierz, woltomierz, omomierz.

Cechą charakterystyczną jest sposób prezentacji pomiaru – zawsze na tym samym elemencie wyjściowym.

Areometr - urządzenie służące do mierzenia gęstości cieczy, w którym wykorzystuje się siły wyporu, z jaką ciecz działa na zanurzone w niej ciało stałe.

Przebieg Ćwiczenia:

Na początku zrobiliśmy badania dwóch akumulatorów których wyniki zamieszczone są poniżej:

	Nr korka od lewej strony	Wskazanie na Areometrze $\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack$	Wskazanie na Multimetrze [V]
Akumulator 1	1	1,22	12,4
	2	1,22
	3	1,22
	4	1,22
	5	1,22
	6	1,22
Akumulator 2 (BOSCH)	1	Ponad skalą	10,9
	2	Ponad skalą
	3	Ponad skalą
	4	Ponad skalą
	5	Ponad skalą
	6	Brak elektrolitu

W przypadku pomiarów w akumulatorze Boscha Ta część płyt, która jest odsłonięta, pokrywa się siarczanem, czasem nieodwracalnie. Takie akumulatory można próbować regenerować. A pozostałych pomiarów nie można było dokładnie zmierzyć z powodu zbyt małej skali na Areometrze.

Akumulator pierwszy był naładowany mniej więcej do połowy co można odczytać z tabeli. Natomiast akumulator Boscha był naładowany prawie do pełna oprócz ostatniej płyty która najprawdopodobniej uległa już nieodwracalnemu zasiarczeniu co wpłynęło na zbyt niskie napięcie an tym akumulatorze.

Akumulator 1 jest zdatny do dalszego użytkowania natomiast akumulator Boscha należało by poddać próbie regeneracji, ponieważ jest on nie zdatny do użytku.

Na obu akumulatorach były wypisane parametry:

Akumulator 1:12V-Napięcie akumulatora

46Ah-pojemnść akumulatora -Jest to ilość ładunku elektrycznego wyrażonego w amperogodzinach[Ah] który można pobrać z akumulatora przy wyładowaniu prądem znamionowym aż do napięcia końcowego 1,75V na ogniwo i przy temp.298K oraz początkowej gęstości elektrolitu 1,28g/cm³ , 420A(EN)-prąd rozruchowy akumulatora

Akumulator BOSCH: 12V-Napięcie akumulatora, 100Ah-pojemnść akumulatora, 760A(EN)-prąd rozruchowy akumulatora

Następnie przeszliśmy do ładowania 3 Akumulatora o pojemności 4Ah na początku ładowania na prostowniku wyświetlony stan natężenia prądu I=2A a Na końcu I=0A. Już po chwili od rozpoczęcia ładowania można było zaobserwować gazowanie akumulatora.

Dodatek stopu srebra zdecydowanie wydłuża czas eksploatacji akumulatora. Akumulator srebrowo-wapniowy to jest całkowicie bezobsługowy. Bateria napełniona elektrolitem jest szczelnie zamknięta - nie trzeba uzupełniać jej wodą ani mierzyć poziomu elektrolitu. Dodatek wapnia, pozwala osiągać trzykrotnie lepsze charakterystyki niż akumulatory konwencjonalne na bazie antymonu.

Rezystancja wewnętrzna:

Najczęściej przyczyną istnienia oporu wewnętrznego są różne niekorzystne zjawiska i procesy chemiczne zachodzące w ogniwie. Ogniwo chemiczne działa na zasadzie reakcji chemicznych w nim zachodzących. Przy dużej ilości czerpanego prądu reakcje nie są w stanie dostarczyć ładunków niezbędnych do pracy ogniwa. Im większy jest opór wewnętrzny ogniwa, tym mniej energii da się z tego ogniwa czerpać. Największą wartość energii wydzielanej na zewnętrz występuje dla sytuacji, w której opór zewnętrzny jest równy wartości oporu wewnętrznego ogniwa. Rezystancja wewnętrzna akumulatora zależy od rezystancji elektrolitu, prądu obciążenia

oraz rezystancji elektrod. Rezystancja elektrolitu jest odwrotnie proporcjonalna do jego temperatury. Zmniejsza się również ze wzrostem stopnia naładowania akumulatora. Rezystancja elektrod jest odwrotnie proporcjonalna

do chwilowej pojemności elektrycznej akumulatora. Aby uzyskać lepszy akumulator należy jak najbardziej zmniejszyć rezystancje wewnętrzną, ponieważ zmniejsza ona napięcie na akumulatorze i by je zwiększyć zachodzi konieczność zwiększenia powierzchni elektrod i ilości elektrolitu co z kolei przekłada się na wielkość całego akumulatora.

Wnioski

- Zanim przystąpimy do ładowania akumulatorów należy sprawdzić jego oznakowanie

- W przypadku napełnienia elektrolitem akumulatora suchego-po napełnieniu należy go odstawić na kilka godzin, aby płyty dobrze wchłonęły elektrolit

- Dla użytkowników znacznie wygodniejsze są akumulatory bezobsługowe

- Stopień naładowania akumulatora można ocenić mierząc areometrem gęstość elektrolitu w ogniwach

- Regeneracja samochodowych akumulatorów w chwili obecnej jest nieopłacalna ponieważ istnieje duże prawdopodobieństwo niepowodzenia, a cena nowego akumulatora nie jest wysoka