Vozidlové akumulátory jsou koncipovány především jako akumulátory startovací, nároky na ně kladené se však stále zvyšují s rozvojem moderních soustav a funkcí strojů, pro které je třeba zajistit trvalé napájení. Na trhu se objevují nová provedení akumulátorů, která jsou těmto zvyšujícím se požadavkům lépe přizpůsobena. Znalost konstrukce a funkce akumulátorů a porozumění dějům, které v nich probíhají, jsou předpokladem jejich správného provozování a ošetřování.
Konstrukce startovacích akumulátorů
Konstrukce startovacích akumulátorů se za poměrně dlouhou dobu svého vývoje zřetelně měnila. Každá změna byla motivována snahou o vylepšení provozních vlastností akumulátoru a zároveň uplatněním stále přesnějšího porozumění dějům, které v akumulátoru probíhají v různých provozních situacích. Protože vývoj probíhal a stále probíhá po mnoha liniích, je výsledkem široký sortiment nabízených startovacích akumulátorů, přičemž jednotlivá provedení se liší nejen svými vlastnostmi, ale také požadavky na správné provozování.
Výhodnými vlastnostmi olověného akumulátoru jsou nízký vnitřní odpor, schopnost dodávat vysoký záběrový proud, relativně vysoká energetická účinnost, přijatelný poměr ceny a výkonu. Nevýhodami je omezená životnost a velká hmotnost.
Startovací akumulátor je tvořen nádobou s víkem, na němž jsou pólové vývody, plnící či odvětrací otvory se zátkami, někdy také indikátor stavu nabití (tzv. magické oko) a pojistné ventily. Vnitřní prostor nádoby je rozdělen nepropustnými přepážkami na sekce pro jednotlivé články akumulátoru. Vlastní články jsou tvořeny kladnou a zápornou elektrodou, každá je sestavena z několika vzájemně spojených desek. Desky kladné a záporné elektrody jsou do sebe zasunuty a jsou navzájem odděleny pro elektrolyt propustným separátorem. Celá sestava je ponořena do elektrolytu. Elektrolytem je čistá kyselina sírová (tzv. akumulátorová kyselina), zředěná na předepsanou hustotu. Aktivní hmotou kladné elektrody je jemnozrnný, pórovitý oxid olovičitý (PbO2). Aktivní hmotou záporné elektrody je houbovité olovo. Články jsou sériově zapojeny do baterie. Propojení článků uvnitř nádoby akumulátoru je provedeno článkovými spojkami, první a poslední elektroda celé série je jako pólový vývod vyvedena na horní stranu víka akumulátoru. Akumulátorová baterie o jmenovitém napětí 12 V má šest článků, baterie o jmenovitém napětí 6°V má tři články. Akumulátorové baterie pro jmenovité napětí 24 V jsou tvořeny dvěma stejnými bateriemi 12 V propojenými do série.
Funkce olověného akumulátoru
Elektrický proud, tj. proud elektronů, vzniká v článcích akumulátoru při chemických reakcích aktivních hmot. Při uzavření vnějšího elektrického obvodu reagují aktivní hmoty tak, že se přeměňují na síran (sulfát) olovnatý a uvolňují elektrony. Při odběru proudu z akumulátoru, tj. při jeho vybíjení, reaguje jedna molekula olova (na záporné elektrodě), jedna molekula oxidu olovičitého (na kladné elektrodě) a dvě molekuly kyseliny sírové (elektrolyt) tak, že vzniknou dvě molekuly síranu (sulfátu) olovnatého a dvě molekuly vody a uvolní se dva elektrony. Při odběru určitého množství elektrického proudu musí tedy zreagovat odpovídající množství aktivních hmot a vytvoří se odpovídající množství síranu olovnatého. Množství aktivních hmot v akumulátoru, tedy jeho velikost, určuje, kolik proudu je akumulátor vůbec schopen dodat, tj. jakou má kapacitu. Protože se při odběru proudu vážou síranové ionty elektrolytu do vznikajícího síranu olovnatého a uvolňuje se voda, klesá množství kyseliny sírové a roste množství vody v elektrolytu. Hustota elektrolytu se proto snižuje. Hustota elektrolytu je proto velmi dobrým ukazatelem stupně vybití (tj. množství přeměněných aktivních hmot).
Při nabíjení akumulátoru se průběh chemických reakcí obrátí, síran olovnatý přijímá dodávané elektrony a přeměňuje se zpět na původní aktivní hmoty. V důsledku toho se síranové ionty uvolňují zpět do elektrolytu a jeho hustota roste.
Na popsaný ideální průběh však nepříznivě působí několik skutečností.
Proces vybíjení a nabíjení neprobíhá bezztrátově, takže pro nabití do původního stupně je třeba dodat asi o 15 až 20 % více elektronů (náboje), než bylo odebráno. Jinak řečeno, energetická účinnost startovacího akumulátoru je asi 80 až 85 %.
Do chemických reakcí vstupují především povrchové vrstvy aktivních hmot na deskách článků. Vnitřní vrstvy nemají tak dobrý kontakt s elektrolytem, proto reagují zpomaleně a v menší míře. Tím jsou povrchové vrstvy více namáhány a rychleji se poškozují.
Síran olovnatý je krystalická látka. Při vybíjení vzniká síran olovnatý ve formě velmi jemně krystalické, téměř amorfní, velmi rychle se však uspořádává do krystalů větších. Při dobíjení se však větší krystaly přeměňují na původní látky obtížněji než krystaly jemné či forma amorfní. Nenásleduje-li tedy dobíjení ihned po vybití, zvětšují se krystaly síranu tak, že se zpětně již zcela nepřemění. To se v dalších cyklech stupňuje, výsledkem je stálé zvětšování krystalů. Vznik velkých, již zpětně nerozložitelných krystalů je označován jako sulfatace a je nejčastější příčinou zkázy olověných startovacích akumulátorů.
V postupně rostoucích krystalech je vázáno stále více aktivních hmot, tedy se snižuje potenciální maximální kapacita akumulátoru.
Síran olovnatý má vyšší elektrický odpor. S jeho přibývajícím množstvím se zvyšuje vnitřní odpor článků, proto se snižuje jejich schopnost poskytnout rychle velký proud.
Krystaly síranu olovnatého mají poněkud větší objem než původní aktivní hmota. To vyvolává mechanický tlak v povrchových vrstvách, které postupně praskají a odlamují se z nich částečky hmoty. U starších konstrukcí akumulátorů tyto částice postupně propadávají ke dnu článkových komor, kde tvoří postupně narůstající vrstvu kalu. V krajním případě může tato vrstva zcela zaplnit odkalovací prostor a zkratovat desky – to znamená úplné zničení akumulátoru. U modernějších konstrukcí akumulátorů jsou kladné desky článků vsunuty do uzavřené obálky, která plní funkci separátoru a zadržuje uvolněné částice na jejich místě. Proto není nutný odkalovací prostor a do stejně velké akumulátorové nádoby lze umístit větší celkovou plochu desek a získat větší kapacitu akumulátoru.
U akumulátorů se zaplavenými elektrodami může docházet k hustotní stratifikaci (rozvrstení) elektrolytu. To může vést k nerovnoměrnému namáhání desek a jejich sulfataci.
Akumulátory na současném trhu
Během vývoje startovacích akumulátorů se jejich výrobci snažili odstranit nebo alespoň zmírnit uvedené nepříznivé skutečnosti. Tak vznikala řada konstrukcí a provedení akumulátorů, z nichž se v současnosti ustálila a nejčastěji se používají dále uvedená provedení. Výrobci je často označují jako „bezúdržbové”. To je ovšem přehnaně eufemistické – žádné současné provedení olověného startovacího akumulátoru není zcela bezúdržbové v pravém smyslu toho slova.
Současné akumulátory jsou založeny na tzv. vápníkové technologii. Nosné mřížky jejich desek jsou vyráběny z olova s přísadou vápníku (u historických akumulátorů se používala přísada antimonu, dnes je antimon z větší části nahrazován vápníkem, používají se i další přísady, např. stříbro, cín, selen). Používají se také separátory z materiálů s lepší iontovou vodivostí. Tím je umožněna zpětná rekombinace kyslíku a vodíku přímo v článcích, takže je snížena až odstraněna potřeba doplňování destilované vody. Dalším příznivým důsledkem je snížené samovybíjení. Díky tomu jsou některé současné akumulátory hermeticky uzavřené, bez potřeby doplňování po celou dobu jejich životnosti.
Klasické akumulátory se zaplavenými deskami a odvětrávacími zátkami
Vyrábějí se již pouze v provedení s obálkovými separátory a nádobami bez odkalovacích prostorů. Vyžadují kontrolu množství elektrolytu a doplňování destilované vody – hladina se má udržovat asi 15 mm nad horním okrajem. Umožňují snadnou kontrolu stupně nabití měřením hustoty elektrolytu, která má být u plně nabitého článku 1,28 až 1,285 g.cm–3, při teplotě elektrolytu 25 °C. Hustota 1,14 g.cm–3 signalizuje úplné vybití.
Klasické akumulátory se zaplavenými deskami, hermeticky uzavřené
Jsou to v současnosti nejpoužívanější akumulátory u motorových vozidel a mobilních strojů. Jsou obvykle označovány jako MF akumulátory (z angličtiny Maintenance Free = bezúdržbové). To je však pouze označení, i tyto akumulátory vyžadují údržbu – zejména kontrolu a dle potřeby dobíjení.
Jsou to akumulátory v provedení s obálkovými separátory a nádobami bez odkalovacích prostorů. Nádoba akumulátoru je plastová, zpravidla průsvitná. Víko nádoby je svařeno s nádobou, akumulátor bývá hermeticky uzavřený, bez odvětrávacích zátek. Někteří výrobci dříve opatřovali akumulátory indikátorem stupně nabití, tzv. magické oko, což je ve svém principu hustoměr. V současnosti se magické oko již nepoužívá – indikuje stupeň nabití pouze jednoho článku, na kterém je namontováno, což může vést k mylným závěrům o stavu akumulátoru s příslušnými ekonomickými dopady. Akumulátory mohou být opatřeny bezpečnostními pojistkami (ventily) pro případ nadměrného zvýšení vnitřního tlaku.
AGM VRLA akumulátory
Jsou to moderní akumulátory, které mají veškerý elektrolyt zasáknutý do mikroporézní skelné tkaniny (z angličtiny Absorbed Glass Mat). Akumulátory jsou hermeticky uzavřené, nemají žádné odvětrávací otvory a nemívají ani žádné zátky. Pokud na akumulátoru tohoto typu zátky jsou, slouží jen k prvotnímu naplnění elektrolytem před uvedením do provozu a po jejich uzavření se již nikdy neotevírají. Oproti akumulátorům se zaplavenými deskami mají AGM akumulátory vyšší účinnost, dodávají vyšší proud při nižších teplotách a tím ulehčují zimní starty. V současnosti se používají zejména u automobilů využívajících tzv. stop – start systém. Jsou ovšem dražší než akumulátory klasické. Dle údajů výrobců jsou AGM akumulátory vhodné pro extrémně vysoké energetické nároky a mají delší životnost než akumulátory klasické. Evropští výrobci většinou vyrábějí tyto akumulátory s deskovými elektrodami, z USA se rozšiřuje provedení s elektrodami spirálovitě svinutými.
AGM akumulátory jsou většinou provedeny zároveň jako VRLA akumulátory (z angličtiny Valve Regulated Lead Acid batteries = ventilem řízené akumulátory). VRLA akumulátory jsou opatřeny ventily, které slouží k regulaci tlaku uvnitř článků akumulátoru a zároveň působí jako bezpečnostní přetlakové ventily. Vnitřní tlak se zvyšuje při zpětné rekombinaci kyslíku a vodíku přímo v článcích.
Protože AGM akumulátory nemají žádný volně tekoucí elektrolyt, mohou být umístěny v jakékoliv poloze a také u nich nemůže dojít k hustotní stratifikaci elektrolytu. Oproti tomu mají zvýšené nároky na správné nabíjení. Napětí na jeden článek v závěru nabíjení nesmí překročit 2,3 V, tj. 13,8 V u 12 V akumulátoru, tj. musí být s dostatečnou rezervou pod hodnotou tzv. plynovacího napětí (hranice plynovacího napětí je 2,4 V na článek, tj. 14,4 V u 12 V akumulátoru). Překročení této hranice způsobí silný vývin plynů a růst teploty, může dojít k tzv. teplotnímu zkratu, při kterém se může akumulátor roztrhnout anebo explodovat. To prakticky znamená, že AGM akumulátory je nutno nabíjet pouze elektronicky řízenými nabíječkami, které mají funkci zajišťující dodržení této podmínky.
Gelové VRLA akumulátory
Jsou to moderní akumulátory s vlastnostmi a parametry obdobnými jako akumulátory AGM. Jsou rovněž vybaveny technologií VRLA. Konstrukčně je gelový akumulátor podobný akumulátoru se zaplavenými elektrodami, ale elektrolyt je v něm obsažen v tixotropním křemičitém gelu. Nehrozí tedy vylití elektrolytu ať už při náklonu nebo převržení, nedochází také k hustotní stratifikaci. Gelové akumulátory jsou ze všech olověných akumulátorů nejodolnější proti otřesům a změnám polohy (náklonům). Proto jsou doporučovány pro zemědělské stroje, traktory, stavební stroje, vojenskou techniku, terénní vozidla a motocykly. Jsou méně citlivé na vyšší provozní teplotu, ostatní provozní vlastnosti i použití jsou obdobné jako u AGM akumulátorů. Dle údajů výrobců jsou AGM akumulátory vhodné pro extrémně vysoké energetické nároky, mají delší životnost než akumulátory klasické a lépe než akumulátory AGM snášejí hlubší vybíjení.
Provoz a údržba startovacích olověných akumulátorů
Současné startovací akumulátory jsou již téměř bez výjimky svými výrobci prohlašovány za MF (bezúdržbové). To je poněkud nadsazené, jejich nároky na údržbu hodně závisí na provozních podmínkách a způsobu provozu.
Pokud je akumulátor do daných provozních podmínek vhodně zvolen a pravidelně provozován, je skutečně na údržbu poměrně nenáročný. Pokud je však akumulátor provozován pouze sezonně nebo s delšími provozními přestávkami, potřebuje pravidelnou, správně prováděnou péči. Pro akumulátor je provoz náročný také v případě, že je umístěn v moderním vozidle vybaveném tzv. komfortními systémy, které však má delší provozní přestávky. Komfortní systémy vyžadují trvalé připojení na zdroj proudu a také proud trvale odebírají, i když zpravidla velmi malý. V takové situaci se nepříznivě projevuje jednak vliv samovybíjení, jednak trvalý nepatrný odběr proudu.
K samovybíjení dochází u každého akumulátoru. I při nečinnosti probíhají v akumulátoru stejné reakce jako při vybíjení vnějším odběrem proudu. Ztrátu samovybíjením je nutno u nečinných (skladovaných, odstavených) akumulátorů nahradit dobitím. Protože by akumulátor neměl být nikdy ponechán vybitý pod 80 %, lze jednoduchým výpočtem stanovit interval dobíjení nečinných akumulátorů. Rychlost samovybíjení se zvyšuje se stářím akumulátoru a s teplotou elektrolytu. Proto by nečinné akumulátory měly být vždy uskladněny v chladném prostředí, při teplotě nižší než 20 °C.
Údržba (i tzv. bezúdržbových) akumulátorů spočívá tedy jednak ve správném provozování, jednak ve správném ošetřování v závislosti na charakteru provozu. Správným provozováním v konkrétním stroji se rozumí především udržování akumulátoru v suchu a čistotě. Důležitá je také čistota a dobrý elektrický kontakt připojovacích svorek. Správným ošetřováním v závislosti na charakteru provozu se rozumí především dobíjení akumulátoru. Moderní akumulátory ve vozidlech se správně fungující dobíjecí soustavou a pravidelně provozovaných dobíjení mimo vozidlo prakticky nepotřebují, přesto je vhodná občasná kontrola. Při provozu tzv. městského typu, tj. časté starty a relativně krátké jízdy nebo pokud je vozidlo mimo provoz v delších intervalech (týdny až měsíce) je nutné pravidelné vnější dobíjení nebo trvalé udržování plného nabití akumulátoru.
Nabíjení startovacích olověných akumulátorů
Při vybíjení akumulátoru klesá i jeho svorkové napětí. To se měří buď naprázdno, kdy není ke svorkám akumulátoru připojen žádný uzavřený elektrický obvod, nebo při zatížení, kdy je z akumulátoru současně odebírán proud, nebo při nabíjení, kdy je k akumulátoru připojena pracující nabíječka. Plně nabitý šestičlánkový akumulátor v dobrém stavu má ustálené svorkové napětí naprázdno 12,6 až 12,8 V. Při vybíjení hodnota tohoto napětí klesá, při poklesu na 11,8 V je akumulátor vybitý, při poklesu na 10,5 je hluboce vybitý.
Při dobíjení akumulátoru musí být připojeno vnější napětí (napětí nabíječky) poněkud vyšší, aby mohl akumulátorem protékat nabíjecí proud. Jestliže napětí při nabíjení dosáhne hodnoty 2,4 V na článek, tj. 14,4 V na celý akumulátor, začíná se kromě žádoucí přeměny síranu olovnatého na původní aktivní hmoty také rozkládat voda v elektrolytu – článek začne tzv. plynovat. Proto jsou regulátory dobíjecí soustavy na vozidlech nastaveny na tuto hodnotu napětí.
Pro nabíječku představuje připojený akumulátor zátěž s proměnlivým odporem, který se mění se stupněm nabití. Způsob, jakým nabíječka reaguje na měnící se odpor zátěže, je dán tzv. nabíjecí charakteristikou. Moderní nabíječky jsou vybaveny řídicími obvody, které v závislosti na svorkovém napětí automaticky mění nabíjecí charakteristiku a ukončují nabíjení. Tak může být nastaven různý časový průběh nabíjení. Některé nabíječky používají pulzní průběh nabíjecího proudu, který umožňuje rychlé počáteční nabití, u akumulátorů se zaplavenými deskami umožňuje „promíchat” elektrolyt a tím odstranit jeho hustotní stratifikaci, umožňuje také elektronicky řízené trvalé udržování akumulátoru ve stavu plného nabití.
Nabíjecí charakteristiky se označují písmenem nebo kombinací písmen, které charakterizují základní vlastnosti nabíječky. Základní druhy nabíjecích charakteristik jsou:
- charakteristika klesajícího proudu „W”
- charakteristika konstantního proudu „I”
- charakteristika konstantního napětí „U”
Základní možnosti automatického řízení nabíjení jsou:
- automatické vypínání „a”
- samočinné přepínání na jinou charakteristiku „o”
Nabíjení AGM a gelových akumulátorů
Akumulátory AGM nebo gelové se nabíjejí tak, aby napětí nikdy nepřekročilo napětí plynovací, to je u šestičlánkového akumulátoru 14,4 V. Někteří výrobci připouštějí u AGM akumulátorů až 14,6 V. Přebíjení AGM a gelových akumulátorů znamená zkracování jejich životnosti a může způsobit i nevratné poškození. Pro jejich bezpečné nabíjení je vhodná IU nabíjecí charakteristika, kterou také používají nabíječky určené pro nabíjení těchto akumulátorů. Tyto nabíječky jsou řízené mikroprocesorem, často používají pulzní proud, mívají také funkci trvalého udržování akumulátoru ve stavu plného nabití.
Manipulace s akumulátory při nabíjení
Akumulátory jsou potenciálně nebezpečná zařízení a při manipulaci s nimi je třeba znát a dodržovat zásady bezpečné práce, jak z hlediska osob, tak z hlediska akumulátorů.
Z hlediska bezpečnosti osob je nutno si uvědomit, že elektrolyt je silně žíravá látka, která může způsobit těžké poleptání kůže i úplnou ztrátu zraku. V akumulátorových článcích a jejich blízkém okolí se může vytvořit třaskavá směs, k jejíž iniciaci stačí i nepatrná elektrická jiskra. Z hlediska bezpečnosti akumulátorů, případně vozidel, je vhodné dodržovat několik jednoduchých pravidel:
- 1. Před demontáží akumulátoru z vozidla je vhodné se přesvědčit, zda je vozidlo vybaveno systémy, které vyžadují trvalé napájení. Pokud ano, je nutný speciální postup odpojení akumulátoru (zálohování napájení, záloha nastavení atp.).
- 2. Při odpojování akumulátoru z vozidla se jako první odpojí ukostřený pól (zpravidla – pól).
- 3. Při zapojování akumulátoru do vozidla se ukostřený pól připojuje jako poslední.
- 4. Při připojování nabíječky na akumulátor se připojuje + pól nabíječky na + pól akumulátoru, - pól nabíječky na – pól akumulátoru. Správnost připojení je vždy nutno kontrolovat, přestože moderní nabíječky bývají vybaveny ochranou proti přepólování.
- 5. Nabíječku je možno zapnout až po připojení na akumulátor. Nikdy se nesmí připojovat zapnutá nabíječka.
- 6. Při ukončení nabíjení se nejprve musí vypnout nabíječka, teprve potom se mohou odpojit vodiče od pólových nástavců akumulátoru.
Literatura
[1] Bezpečnostní předpisy pro uzavřené olověné baterie naplněné elektrolytem. Dostupné na http://d26maze4pb6to3.cloudfront.net
[2] Bureš, J.: Nabíjení automobilových akumulátorů. Diplomová práce, TF ČZU v Praze, 2014. invenio.nusl.cz/record/183480t
[3] Marconi: Skoro vše o akumulátorech a nabíjení. Dostupné na http://www.motola.cz/UserFiles/Diskuzni_clanky/akumulatory.pdf">www.motola.cz
[4] Nabíječe a nabíjení. Dostupné na www.eprona.cz/cz/clanky.html
[5] Nabíjení baterií. Dostupné na www.autobaterie-pktechnik.cz
[6] Olověný akumulátor. Dostupné na www.cs.wikipedia.org/wiki/Olověný_akumulátor
[7] T 3 Spouštěcí akumulátory, funkce, druhy, vlastnosti, zásady údržby a péče o akumulátory. Dostupné na www.publi.cz
