Gęstość elektrolitu akumulatora – o co właściwie w tym wszystkim chodzi ?
Gęstość elektrolitu pozwala określić stan naładowania akumulatora, a właściwie jego pojemność – im akumulator bardziej rozładowany, tym gęstość jest mniejsza. Charakterystykę spadku gęstości elektrolitu można zaobserwować w doświadczeniu dotyczącym wpływu stanu naładowania akumulatora, w którym dokonywałem pomiarów podczas rozładowania akumulatora. Już po kilku badaniach można zaobserwować, że gęstość spada liniowo w zestawieniu z pojemnością akumulatora.
Sytuacja jest z goła inna w procesie ładowania akumulatora, dlatego postanowiłem wykonać poprzednie doświadczenie, polegające na sprawdzeniu czy alternator naładuje akumulator. Jak można zauważyć w doświadczeniu tym, podczas ładowania akumulatora do napięcia 14,4V – jak to ma miejsce w samochodzie – pomimo że pojemność wzrasta, gęstość pozostaje na bardzo niskim poziomie.
Wróćmy jeszcze na chwilę do poprzedniego doświadczenia – zwróćcie uwagę, że podczas 10 godzin ładowania, do akumulatora została wprowadzona pojemność 22,85Ah – jak na akumulator który posiada realnie około 40Ah, to tylko trochę ponad połowa pojemności. Co zrobić więc, aby wprowadzić więcej energii elektrycznej ? Czy dłuższe ładowanie cokolwiek wniesie ? Niestety nie, jeszcze przy poprzednim doświadczeniu, po 12-tu godzinach od naładowania, podłączyłem przetwornicę i obserwowałem prąd ładowania – ten już po 10-ciu minutach spadł do poziomu 0,25A.
Z czystej teorii – można sobie policzyć – uwzględniając sprawność akumulatora – ile czasu trzeba by poświęcić aby prądem 0,25A uzupełnić brakującą pojemność – 15Ah. Przy 100% sprawności ładowania byłoby to 60 godzin – przy sprawności 80% – 75 godzin, a przecież prąd ładowania wciąż by spadał, więc trwałoby to jeszcze dłużej.
W filmie poniżej postanowiłem sprawdzić, czy gęstość elektrolitu wzrośnie podczas ładowania do napięcia 14,4V:
Kończąc teoretyzowanie, przejdźmy do praktyki, bo sprawa jest banalnie prosta – aby wymusić większy przepływ prądu, należy podnieść napięcie ładowania. No właśnie – napięcie ładowania – to temat który budzi chyba największe kontrowersje i obawy. W instrukcjach obsługi akumulatorów, za napięcie ładowania podaje się 14,4V, czasami 14,7V, za górną granicę napięcia uznaje się 15V – gdzie nie występuje jeszcze nadmierne gazowanie elektrolitu. Przecież nawet producenci ładowarek wypuszczają produkty, które podczas ładowania nie przekraczają napięcia 15V – choć zazwyczaj jest to tylko 14,4V.
Nie pozostaje nic innego jak sprawdzić, przy jakim napięciu gęstość elektrolitu zacznie wzrastać, co za tym idzie zwiększy się przepływ prądu i wzrośnie pojemność akumulatora.
“Pacjent” został przywrócony do stanu niepełnego naładowania – to znaczy ponownie ładowałem go do napięcia 14,4V, jednak tym razem ograniczyłem prąd do 5,5A gdyż akumulator był skrajnie rozładowany i nie chciałem go niepotrzebnie męczyć. Przywrócone zostały właściwości elektryczne – takie jak napięcie spoczynkowe (13,12V) czy prąd rozruchowy (380A), a gęstość elektrolitu pozostała nadal na niskim poziomie 1,19 g/cm3, a wprowadzona pojemność w tym czasie to ok. 25Ah.
Następnie będę dołączał przetwornicę z coraz to wyższym napięciem – aby wymusić przepływ prądu. W momencie kiedy prąd ładowania spadnie poniżej
0,01C (czyli 0,55A) przerwę proces i dokonam pomiaru gęstości elektrolitu.
Dlaczego akurat 0,55A – ponieważ ładowanie mniejszym prądem jest bardzo mało efektywne.
Jeśli jesteśmy już przy prądzie – zapamiętajcie sobie ważną kwestię – ładujemy prądem, nie napięciem. Aby wymusić przepływ prądu należy zwiększyć różnicę potencjałów, ponieważ podczas ładowania mamy do czynienia z dwoma źródłami napięcia.
W procesie ładowania ustawię ograniczenie prądowe – ponieważ to doświadczenie ma na celu badanie wzrostu gęstości elektrolitu, a nie pracy alternatora, ograniczenie zostanie ustawione na poziomie 0,1C – czyli 5,5A. Natomiast po przekroczeniu napięcia 15V – ze względu na nasilające się zjawisko intensywnego gazowania, ograniczenie prądowe będzie na poziomie 0,05C – czyli 2,75A.
Prąd ładowania przy napięciu 14,4 V
Zdaję sobie sprawę że do takiego napięcia był już ładowany akumulator, ale postanowiłem sprawdzić jak szybko prąd spadnie poniżej założonego poziomu – czyli 0,55A.
Prąd już po niecałych 2 minutach spadł poniżej założonego poziomu, biorąc pod uwagę że akumulator był ładowany jakieś 12 godzin temu to stosunkowo szybko.
Nie będzie tutaj pomiaru gęstości elektrolitu, bo po takim czasie nie ma prawa się nic zmienić – trzeba podnieść napięcie aby wymusić większy przepływ prądu.
Prąd ładowania przy napięciu 14,7 – 15 V
Ponieważ akumulator miał stosunkowo wysokie napięcie spoczynkowe (13,12V) – różnica potencjałów jest mniejsza niż gdyby miał np. 12,6V. Ponadto przez chwilę był ładowany napięciem 14,4V co jeszcze je podniosło. Dlatego podniesienie napięcia ładowania do 14,7V czy nawet 15V spowodowała że prąd już po kilku sekundach spadł poniżej zakładanych 0,55A – wykresu więc nie będę wstawiał bo mija się to z celem. To samo tyczy się pomiaru gęstości elektrolitu.
Prąd ładowania przy napięciu 15,4V
Zgodnie z założeniem, ustawiłem ograniczenie prądowe na poziomie 2,75A. Po ustawieniu napięcia 15,4V przez chwilę ograniczenie zadziałało i napięcie się obniżyło, ale znów prąd ładowania w bardzo szybkim tempie (po ok. 2 minutach)
spadł poniżej poziomu.
Prąd ładowania przy napięciu 15,8V
Dopiero po ustawieniu napięcia 15,8V akumulator zaczął stawiać opór – to znaczy prąd ładowania nie spadł tak szybko do niskiego poziomu. Wprawdzie już po 7 minutach obniżył się do 0,7A, ale od tego momentu spadek prądu był bardzo powolny. Cały proces trwał prawie 4 godziny.
Obliczyłem że w ciągu tych 4 godzin ładowania przy napięciu 15,8V, pojemność która została wprowadzona do akumulatora to zaledwie 2,45Ah, a sprawność ładowania będzie teraz tylko spadać. Ale co z gęstością elektrolitu ?
Po upływie 12 godzin od ładowania przy napięciu 15,8V gęstość wyniosła dokładnie 1,22 g/cm3.
Prąd ładowania przy napięciu 16 V
To napięcie którego większość się strasznie boi – z resztą jeszcze całkiem nie tak dawno, sam raczej starałem się nie przekraczać tego progu, jednak po konsultacji z bardziej doświadczonymi i przeprowadzonych kilku ładowaniach – zmieniłem zdanie.
Ponieważ wzrost napięcia w odniesieniu do przedniego był niewielki, prąd ładowania w dość szybkim tempie spadł poniżej 0,55A. Ładowanie trwało niewiele
ponad godzinę a ładunek jaki został w tym czasie przekazany to znikome 0,7Ah
Pomimo że ładowanie przy napięciu 16V trwało stosunkowo krótko, gęstość elektrolitu wzrosła o kolejne 0,02 g/cm3 i wyniosła 1,24 g/cm3.
Prąd ładowania przy napięciu 16,2 V
Postępując analogicznie, aby zwiększyć przepływ prądu zwiększyłem napięcie do 16,2V. Ponownie, akumulator zaczął stawiać widoczny opór i prąd po szybkim spadku do 0,7A bardzo powoli malał. Po dwunastu godzinach ładowania postanowiłem jednak przerwać proces, pomimo że prąd nie spadł do poziomu 0,55A, ale biorąc pod uwagę że bardzo długi okres czasu ten oscylował na poziomie 0,6A oraz fakt że efektywność ładowania jest już na zdecydowanie niskim poziomie – dalsze ładowanie byłoby po prostu zbyt czasochłonne.
W ciągu tych dwunastu godzin, pojemność która została wprowadzona do akumulatora wyniosła ok. 8,2Ah, a gęstość elektrolitu wzrosła do 1,26g/cm3.
Ładowanie przy napięciu 16,4V
Aby zwiększyć prąd ładowania postanowiłem jeszcze bardziej podnieść napięcie – do 16,4V – zazwyczaj tego nie robię, ale chciałem się przekonać jaki będzie prąd ładowania. Dla zwiększenia bezpieczeństwa, ustanowiłem ograniczenie prądowe na poziomie 0,03C – czyli 1,65A dla tego akumulatora. Niestety podniesienie napięcia o kolejne 0,2V niewiele wniosło – prąd ładowania ponownie spadł do poziomu 0,6A i bardzo długo się utrzymywał na tym poziomie.
Kiedy zastanawiałem się o co chodzi – skąd tak mały prąd ładowania – wpadłem na kilka artykułów w temacie kompensacji temperaturowej – o co w tym wszystkim chodzi napiszę innym razem. Ale okazuje się że z powodu niskiej temperatury w warsztacie (12oC), napięcie powinno być wyższe 0,25V, niż gdyby ładowanie odbywało się przy temperaturze 25oC.
Ponieważ nie chciałem już podnosić napięcia – pozostało mi długie i żmudne ładowanie i częsta kontrola elektrolitu.
Cały proces trwał prawie 20 godzin, w tym czasie “wpompowałem” do
akumulatora około 12,3Ah i dopiero po tym czasie gęstość wzrosła do 1,27 g/cm3 – po czym postanowiłem przerwać ładowanie.
W kwestii wysokiego napięcie i intensywnego gazowania elektrolitu – bo czuję już jak niektórzy z Was łapią się za głowę, myśląc co on tutaj wyprawia. Mówiłem o tym na początku, ale powtórzę jeszcze raz – akumulatory ładuje się prądem, a nie napięciem – to przepływający prąd powoduje gazowanie elektrolitu.
Z resztą postanowiłem nagrać krótki filmik, który pokaże jakie gazowanie występuje przy ładowaniu prądem 0,57A i napięciu 16,4V po kilkunastu godzinach ładowania:
Przy takim ładowaniu, nawet akumulatory które nie posiadają dostępu do elektrolitu (nie posiadają korków/zaślepek) poradzą sobie z odprowadzeniem gazów przez odpowietrzniki. Nawet temperatura akumulatora wzrosła zaledwie o 2oC w stosunku do temperatury otoczenia. Po tych 20-tu godzinach ładowania akumulator osiągnął temperaturę 14oC !
Wracając do doświadczenia – przez cały okres ładowania, pojemność która została umieszczona w akumulatorze to niecałe 50Ah. Wypadałoby przy okazji sprawdzić jaką pojemność uda się uzyskać podczas procesu rozładowania. Standardowo – akumulator został obciążony prądem 20-godzinnym (2,75A) i pomiar wykazał pojemność 34,4Ah.
Wykres napięcia i pojemności podczas rozładowania
Szybko można sobie policzyć że sprawność tego procesu to 68% – ale o sprawności powiem jeszcze za chwilę.
Podsumowanie
Początkowo chciałem uzyskać gęstość na poziomie 1,28g/cm3, ale ze względu na niską temperaturę, która utrudnia proces ładowania oraz znikomą sprawność na tym etapie ładowania muszę się tym zadowolić, bo podejrzewam że aby uzyskać wyższą gęstość musiałbym przy tym prądzie ładować akumulator kolejne 24 godziny. Poza tym “pacjent” coraz gorzej ze mną współpracuje – będę musiał się rozejrzeć za innym.
Co tutaj chciałem pokazać – otóż chciałem przedstawić w jaki sposób gęstość elektrolitu wzrasta w procesie ładowania w zależności od wprowadzonej pojemności. Początkowo gęstość rośnie w bardzo wolnym tempie – pomimo umieszczenia pojemności rzędu 25Ah, gęstość wzrasta jedynie o 0,02g/cm3. Po tym występuje gwałtowny wzrost gęstości do ok. 1,25g/cm3 . Dalszy wzrost, ze względu na spadek sprawności jest bardzo powolny, dokładnie obrazuje to poniższa charakterystyka.
Analizując sprawność ładowania w tym doświadczeniu, gdzie wynosiła ona 68% i w poprzednim, potwierdza się powyższa charakterystyka, gdyż poprzednio pojemność wprowadzona wynosiła ok. 27Ah a uzyskana podczas rozładowania 25Ah – a więc sprawność jest wysokim poziomie ok. 92%.
Wracając jeszcze do gęstości i ładowania – okazuje się że podczas ładowania, uzyskanie gęstości na poziomie 1,25g/cm3 nie jest specjalnie czasochłonne, jednak taka gęstość w temperaturze 12oC odpowiada za ok. 80% pojemności akumulatora. Aby w pełni naładować akumulator trzeba poświęcić dużo więcej czasu niż na uzyskanie tych 80% – oczywiście zależy to przede wszystkim od prądu ładowania, ale aby ograniczyć intensywne gazowanie i wzrost temperatury akumulatora zalecane jest ładowanie małym prądem co ponownie wydłuża czas ładowania.
Zastanawiam się, jaka jest różnica pomiędzy różnymi typami ładowania, w kwestii czasu, pojemności wzrostu temperatury – myślę że kolejne doświadczenie będzie właśnie o tym, jak efektywnie naładować akumulator.
