Czy alternator naładuje akumulator ?
Dużo się mówi o “robieniu” gęstości elektrolitu, o tym że tanie ładowarki nie są w stanie “zrobić” gęstości, o niepełnym naładowaniu akumulatora, z resztą ja sam wielokrotnie to podkreślałem. Jednak producenci akumulatorów jak i ładowarek zapewniają że takie ładowanie – do napięcia 14,4V wystarczy. Skoro tak, to może faktycznie alternator który “podaje”
takie napięcie naładuje akumulator ?
Postanowiłem więc się przekonać, a może i przy okazji innych, czy faktycznie napięcie 14,4V “podane” na klemy akumulatora przez długi okres czasu naładują akumulator. Oczywiście nie będę jeździł samochodem przez ten czas, ale wykorzystam do tego celu moją przetwornicę DPS5020 która posiada funkcję utrzymywania stałego napięcia. Niestety, pomimo tego że dysponuje ona (jak na przetwornicę) sporym prądem 20A, to alternatory zazwyczaj mają dużo większą wydajność – rzędu 80A, więc podejrzewam że w pierwszej fazie napięcie
“przysiądzie” i popłynie maksymalny prąd.
“Pacjentem” standardowo będzie mój akumulator Arktis TU5530 rozładowany do gęstości elektrolitu na poziomie 1,19 g/cm3 – celowo nie rozładowywałem go całkowicie, żeby nie męczyć zbytnio akumulatora jak i przetwornicy. Nie planowałem go rozładować aż do tego poziomu, jednak przytrzymałem go zbyt długo na sztucznym obciążeniu i postanowiłem że już nie będę kombinował. Jaka pojemność pozostała w akumulatorze ? Trudno jednoznacznie oszacować, ale ponieważ rozładowywałem go do napięcia 11,5V a wtedy napięcie już dość szybko spada – liczę że ok. 4-6Ah.
Na wstępie standardowo, przeprowadziłem szereg pomiarów rozładowanego akumulatora – miernik oszacował prąd rozruchowy na poziomie 215A oraz rezystancję wewnętrzną 14,78mOhm, natomiast napięcie spoczynkowe wynosiło 12,26V. Jeżeli czytaliście poprzedni test – wpływ stanu naładowania akumulatora na jego parametry – to wiecie że przy całkowicie rozładowanym akumulatorze, miernik podał wyniki 135A prądu rozruchowego i rezystancję wewnętrzną 25,96mOhm. A więc faktycznie akumulator jeszcze dysponuje pewną pojemnością.
Następnie sprawdziłem spadek napięcia na akumulatorze podczas obciążenia:
Napięcie przez kilka sekund utrzymywało się na poziomie 9V, jednak po 10 sekundach obciążenia spadło do 7,5V – a więc znowu potwierdza się teza że
akumulator jeszcze dysponuje minimalnym potencjałem, ponieważ przy całkowitym rozładowaniu, napięcie spadło aż do 4,2V. Czy taki poziom naładowania wystarczyłby do uruchomienia samochodu – obawiam się że nawet gdyby silnik “odpalił” w co mocno wątpię, to akumulator na pewno dałby znać że to już jego “koniec”.
No i w końcu najważniejszy pomiar – gęstości elektrolitu. Jak już wiecie ze wstępu, ta wynosiła 1,19g/cm3.
Cały proces ładowania trwał 10 godzin – prąd ładowania pomimo że początkowo bardzo duży, już po godzinie spadł do akceptowalnego poziomu – co mnie trochę
zaskoczyło – sądziłem że będzie się dłużej utrzymywał. Ponieważ logi z przetwornicy są zapisywane z częstotliwością co 1 sekundę, obróbka pliku w celu wykonania wykresu to nie lada wyzwanie, ale dzięki temu obliczyłem pojemność jaka została “władowana” do akumulatora i wyniosła 22,85Ah. Poniżej prezentuję wykres z procesu ładowania.
Wykres prądu i pojemności podczas 10 godzinnego ładowania.
Jak można zauważyć z wykresu powyżej, po ok. 3 godzinach ładowania, pojemność wynosiła prawie 20Ah, a w kolejnych 7 godzinach ta wzrosła jedynie o niecałe 3Ah – wynika to ze znacznego prądu ładowania na początku. Ponieważ już po 3 godzinach prąd spadł poniżej 1A, ładowanie było mało efektywne. Pod koniec procesu (po 10 godzinach) prąd oscylował na poziomie 0,26A – ładowanie takim prądem praktycznie nie ma większego wpływu w dalszy proces, więc uznałem że nie ma najmniejszego sensu go kontynuować.
Po 12 godzinach po zakończeniu procesu nadszedł czas na pomiary – na “pierwszy ogień” poszedł miernik – i tu pierwsze zaskoczenie:
Jak widać bardzo wysokie napięcie spoczynkowe – to jeszcze nie zdążyło się ustabilizować, no i nie spodziewałem się takiego prądu rozruchowego i rezystancji
wewnętrznej. W pełni naładowanym akumulatorze, prąd rozruchowy w tym konkretnym egzemplarzu wynosił dokładnie tyle samo 390A.
No dobra, skoro miernik pokazał takie przyzwoite parametry, to ciekaw byłem jak się zachowa akumulator podczas obciążenia. Szybko podłączyłem opornicę i obciążyłem akumulator przez okres 10 sekund.
Napięcie obciążenia początkowo spadło do 11,5V ale po 10 sekundach spadło jeszcze niżej – do 10,9V – i ponownie, dokładnie tyle samo co w pełni
naładowanym akumulatorze – znowu odsyłam do poprzedniego doświadczenia, gdzie dokładnie widać w pierwszym badaniu jakie parametry miał ten akumulator.
Wszystko wskazywało na to że mam do czynienia z naładowanym akumulatorem, bo póki co nie ma najmniejszych oznak jego rozładowania – do czasu pomiaru gęstości elektrolitu – ta niestety wzrosła jedynie o 0,02 g/cm3 i wyniosła dokładnie 1,21g/cm3.
O dziwo wszystkie parametry wydają się być w normie, akumulator ma wysokie napięcie spoczynkowe, prąd rozruchowy na bardzo wysokim poziomie jak na ten
egzemplarz, no i nawet podczas obciążenia nie ma żadnych oznak jego niedoładowania.
A co z pojemnością ? No właśnie, przecież w akumulator zostało “wpompowane”
jedynie 22,85Ah, a trzeba wziąć pod uwagę jeszcze stosunkową niską sprawność akumulatorów – na poziomie 70-80%. Znów wracając do poprzedniego doświadczenia – jego oszacowana pojemność wtedy wyniosła ok 40Ah – przy czym w międzyczasie był wielokrotnie obciążany prądem z opornicy prawie 100A.
Postanowiłem więc ponownie rozładować akumulator aby zmierzyć jego obecną pojemność.
Jak to zwykle bywa podczas rozładowania, akumulator został obciążony prądem 20-godzinnym (2,75A) i ustawione zostało napięcie odcięcia na 10,5V.
Rozładowywał się przez prawie 9 godzin i “pochwalił” się pojemnością 25,38Ah.
Trochę to mało w porównaniu do 40Ah – tym bardziej że przecież akumulator całkowicie nie był rozładowany.
Jakie wnioski można wysunąć po tym doświadczeniu – okazuje się że podczas klasycznych badań akumulatora, czy to miernikiem, czy mierząc napięcie obciążenia, ten nawet gdy jest rozładowany może nie dać oznak jego zużycia.
Dopiero pomiar gęstości elektrolitu – najstarsza i najprostsza metoda pomiaru – a
zarazem najtańsza – obrazuje stopień naładowania akumulatora. No dobrze, a co z akumulatorami do których nie mamy dostępu do elektrolitu – niestety wtedy pozostaje pomiar jego pojemności poprzez całkowite rozładowanie.
Chciałbym jeszcze zwrócić uwagę na jedną rzecz – napięcie spoczynkowe.
Powtarzałem wielokrotnie, że napięcie w spoczynku może pośrednio dać obraz stanu naładowania akumulatora, gdyż w sytuacji kiedy akumulator jest ciągle doładowywany przez alternator – napięcie to nie zdąży się ustabilizować. W powyższym przypadku, napięcie nawet po 12-tu godzinach było na bardzo wysokim poziomie, co może zostać błędnie zinterpretowane.
Podsumowując – czy ładowanie alternatora jest w stanie naładować akumulator – chyba wszyscy się ze mną zgodzą – może i podniesie parametry rozruchowe rozładowanego akumulatora, ale pojemności, a co za tym idzie gęstości elektrolitu nie odbuduje. Jeżeli więc w skutek samorozładowania akumulatora, czy ujemnego bilansu energetycznego, gęstość elektrolitu będzie spadać – alternator nie da rady jej podnieść i niezbędne jest ładowanie akumulatora zewnętrznym źródłem.
A o co dokładnie chodzi z tą gęstością elektrolitu i kiedy ona zacznie rosnąć, pokażę w następnym doświadczeniu.
Sprawdzenie bilansu energetycznego w samochodzie (Citroen C5 X7 2.0 HDI)
Na wstępie śpieszę wytłumaczyć, co to ten cały bilans energetyczny – bo dla
niektórych może brzmieć dość dziwnie. Otóż bilans energetyczny instalacji samochodowej, to nic innego, jak zestawienie poboru energii przez odbiorniki z ilością energii dostarczonej przez alternator. To właśnie podczas ujemnego bilansu, dochodzi do rozładowania akumulatora – gdy ilość energii pobieranej przez odbiorniki jest większa nić ta dostarczona przez alternator.
Generalnie, akumulator samochodowy ma za zadanie uruchomić silnik spalinowy, ewentualnie podczas chwilowego ujemnego bilansu, zapewnić dostateczną ilość energii dla odbiorników. Za dostarczenie energii podczas pracy silnika odpowiada alternator, dlatego tak ważne jest aby okresowo badać jego sprawność. Niestety, prawda jest taka, że o niewydolności układu ładowania, dowiadujemy się kiedy zaczynają się problemy z uruchomieniem samochodu. Oczywiście do tej sytuacji może również dojść ze względu na niesprawność samego akumulatora.
W okresie jesienno-zimowym zapotrzebowanie energetyczne rośnie – dni są coraz krótsze – co wymaga częstszego używania świateł mijania, występują mgły, deszcze – co z kolei wymusza używania wycieraczek, ogrzewania tylnej szyby, lusterek, a każde z tych urządzeń jest odbiornikiem, które tą energię zużywa w większym bądź mniejszym stopniu.
Ze względu na coraz większe zapotrzebowanie energetyczne, producenci wyposażają swoje samochody w coraz wydajniejsze alternatory, przed przystąpieniem do badania, postanowiłem ustalić jaki model występuje w moim samochodzie.
Alternator Valeo o prądzie ładowania 180A
Po sprawdzeniu numerów OEM, okazuje się, że moim modelu jest zamontowany alternator Valeo, o prądzie ładowania 180A. Trzeba od razu zaznaczyć, że w praktyce, uzyskanie takiego prądu z alternatora jest praktycznie niemożliwe, mogę się jedynie domyślać, że prąd ten został uzyskany przez producenta w odpowiednich warunkach. Drugą sprawą jest, że gdyby alternator pracował ze swoją maksymalną mocą przez długi okres czasu, prawdopodobnie w krótkim czasie uległby uszkodzeniu.
Przejdźmy teraz do odbiorników. Aby odpowiednio przygotować się do doświadczenia, postanowiłem przeanalizować pobór prądu, od uruchomienia samochodu, do jego pracy na biegu jałowym.
Przed uruchomieniem silnika całość energii pochodzi z akumulatora. Za chwilę zobaczycie jak sporo jest tych odbiorników w omawianym modelu i w jaki sposób potrafią obciążyć akumulator. Ważne jest też, jak bardzo zmienia się obciążenie w okresie letnim i zimowym i jaki wpływ ma poziom naładowania akumulatora.
W omawianym modelu samochodu, nie zaobserwowałem większego spadku napięcia po przekręcenia kluczyka – biorąc pod uwagę fakt, że temperatury
zewnętrzne aktualnie są dość wysokie (ok. 22 stopni) można się domyślać że w wyższych temperaturach świece żarowe nie biorą udziału w uruchomieniu silnika.
Dlatego też nie mogłem zmierzyć prądu pobieranego przez świece, ale ogólnie przyjmuje się że jedna świeca żarowa zaraz po uruchomieniu pobiera ok 20A, natomiast po nagrzaniu się, ok. 8-10A.
Kolejnym odbiornikiem który obciąża akumulator, biorąc pod uwagę fakt iż samochód posiada zawieszenie HydroActive, jest pompa wysokiego ciśnienia. Dla niebędących w temacie – przód samochodu na postoju obniża się, podczas jego otwarcia, pompa uruchamia się aby ustawić zawieszenie “do jazdy”. Jaki prąd pobiera pompa, dowiecie się za chwilę.
Najbardziej prądożernym odbiornikiem energii w instalacji samochodowej jest oczywiście rozrusznik – na szczęście pobór prądu przez rozrusznik jest krótkotrwały. Prąd z akumulatora pobierany jest do momentu uruchomienia silnika. Z pomiarem prądu rozruchowego jest pewien problem, gdyż ten w ułamku sekundy jest bardzo duży – sięgający nawet 900A. Dzieje się tak, ponieważ w pierwszej chwili gdy zostaje podane napięcie na rozrusznik, występuje prąd równy zwarciowemu, dopiero gdy ten zaczyna się kręcić, prąd spada. Dlatego za prąd rozruchowy uznaje się prąd średni. Postanowiłem więc sprawdzić, jaki rozrusznik mam zamontowany w samochodzie:
Rozrusznik Valeo o mocy 2,5kW
Zamontowany rozrusznik w moim samochodzie to Valeo o mocy rozruchowej 2,5kW – czyli teoretycznie, nominalny prąd rozruchowy będzie rzędu 208A.
Oczywiście ten zależy od wielu czynników – od temperatury zewnętrznej – im niższa tym prąd będzie większy, od stanu technicznego silnika, od jego pojemności, itd. Ogólnie, przyjmuje się, że prąd rozruchowy (średni) w silnikach diesla sięga 250-300A natomiast w silnikach benzynowych w okolicy 100-150A.
Zajmijmy się zatem pomiarem pozostałych odbiorników w momencie gdy silnik już pracuje. Może dla niektórych będzie to zaskoczeniem, ale często największym obciążeniem dla alternatora jest … akumulator. Jeżeli ten jest niedoładowany, to prądy płynące do akumulatora mogą sięgać kilkadziesiąt amperów.
Kolejnym odbiornikiem którego na chwilę obecną nie jestem w stanie zmusić do działania, to elektryczna grzałka zamontowana w nagrzewnicy – ta też aktywuje się po wykryciu niskich temperatur zewnętrznych. Nie udało mi się również znaleźć jej parametrów elektrycznych – czyli mocy grzałki. Być może uda mi się przeprowadzić taki sam test w okresie zimowym i porównać wyniki.
Myślę że dość teorii, przejdźmy do badania – na czym ono będzie polegać ?
Doświadczenie będzie polegać na pomiarze prądu i napięcia na zaciskach akumulatora. Prąd będzie mierzony zarówno na przewodzie z alternatora jak i na przewodzie głównym, zasilającym odbiorniki. Pomiary będą wykonywane na biegu jałowym silnika. Kolejno będą dołączane odbiorniki i sprawdzany pobór prądu.
Różnica pomiędzy prądem płynącym z alternatora a tym pobieranym przez odbiorniki to właśnie bilans który chcę sprawdzić – jeżeli będzie dodatni, tzn.
jeżeli prąd płynący z alternatora będzie większy niż prąd pobierany przez odbiorniki, to znaczy że akumulator jest ładowany – czyli mamy do czynienia z normalną sytuacją. Jeżeli będzie odwrotnie, to oznacza że energia dostarczana przez alternator jest niewystarczająca i część energii jest pobierana z akumulatora – czyli ten jest w tym momencie rozładowywany.
Myślę że należy dodać, że mój samochód posiada światła do jazdy dziennej LED oraz reflektory wyposażone w żarniki ksenonowe – dlatego też pominąłem pomiar prądu pobieranego po włączeniu świateł drogowych. Oto wyniki:
Pomiar prądu i napięcia podczas obciążenia.
Co można wywnioskować z powyższych wyników ? Otóż najważniejsza informacja jest taka, że bilans w każdym przypadku jest dodatni – nawet przy włączeniu wszystkich odbiorników jednocześnie – co występuje raczej rzadko – akumulator jest ładowany. Kolejną istotną informacją jest fakt, że napięcie ładowania jest
prawidłowe, nawet przy maksymalnym obciążeniu mieści się w granicach normy (dla przypomnienia 13,8-14,4V).
Ciekawą informacją jest również fakt, że pomimo wyłączenia wszystkich możliwych odbiorników, pobór prądu jest na poziomie 12,7A – czyli całkiem sporo.
To właśnie zapotrzebowanie wszystkich modułów sterujących, systemów, wyświetlaczy, zegarów itd. Jak widać również maksymalne obciążenie alternatora sięgało 116A – biorąc pod uwagę fakt że ten posiada wydajność rzędu 180A, wynik ten można uznać za poprawny, gdyż pozostaje spory zapas mocy.
Zauważcie, że wraz ze wzrostem obciążenia, dodatni bilans malał – jednak nie jest to spowodowane obciążeniem lecz akumulatorem. W przypadku naładowanego akumulatora, prąd ładowania bardzo szybko spada. Jak widać, już przy drugim pomiarze (po ok. 1 minucie) prąd spadł do 5,6A, co w przypadku posiadanego akumulatora jest prądem mniejszym niż 1/10 jego pojemności. Ponadto, wprawdzie tego nie pokazałem, ale po ponownym wyłączeniu odbiorników, prąd ładowania nadal pozostał na poziomie ok 2A. Posiadając powyższe wyniki, policzyłem jakie prądy pobierają poszczególne odbiorniki:
Pobór prądu przez odbiorniki
Należy zaznaczyć że dość znaczny pobór prądu po włączeniu klimatyzacji nie jest spowodowany samym kompresorem, ale wentylatorem chłodnicy który się włącza na pierwszym biegu wraz ze sprężarką no i silnikiem dmuchawy – akurat ten
podczas włączenia klimatyzacji pracował na najniższych obrotach. W przypadku włączenia nadmuchu na szybę, silnik dmuchawy pracował na najwyższych obrotach, stad też zdecydowany (19,9A) wzrost poboru prądu. Pomimo tego, że pompa zawieszenia pobiera najwięcej prądu, jej praca nie jest ciągła jak w przypadku klimatyzacji.
Oczywiście trzeba wziąć pod uwagę, że sytuacja, kiedy wszystkie odbiorniki włączone są jednocześnie występuje albo krótkotrwale, albo w ogóle. Jednak doświadczenie miało na celu pokazać, czy i kiedy występuje ujemny bilans energetyczny. Okazało się że ten, w tym konkretnym przypadku i w tych konkretnych warunkach atmosferycznych nie występuje, co jest dobrą wiadomością. Jednak trzeba wziąć pod uwagę fakt, że nie wszystkie odbiorniki udało się włączyć, oraz to że w niższych temperaturach spada zarówno sprawność akumulatora, spada również wydajność alternatora jak i samego procesu ładowania.
Myślę że powtórzę pomiary w okresie zimowym, przy okazji spróbuję zmierzyć prąd pobierany przez świece żarowe oraz grzałkę w nagrzewnicy. Chodzi mi po głowie również wykonanie pomiarów z włączonym modułem szacowania pojemności akumulatora, być może pomiary będą z goła inne. Na razie to tyle, trochę chyba się rozpisałem, ale chciałem aby Ci co z prądem niewiele mają do czynienia zrozumieli o to tyle hałasu.
