Akumulatory

Jaki powinien być idealny akumulator?

Idealny akumulator użyty do budowy pakietów w latarce nurkowej powinien cechować się:

- dużą pojemnością
- niewielkim ciężarem
- długą żywotnością
- łatwym ładowaniem
- dużym prądem wyładowania
- małą zależnością od temperatury (pojemność, ładowanie)

Ponadto dobrze byłoby, gdyby był tani i łatwy do utylizacji. 

Taki akumulator jest nie istniejącym jeszcze ideałem, poniższy tekst pozwoli jednak przyjrzeć się jakimi rozwiązaniami technicznymi w dziedzinie akumulatorów dysponuje rynek.
Ze względu na przydatność, producenci systemów oświetlenia podwodnego decydują się na wybór jednego z trzech typów akumulatorów. Może to być akumulator ołowiowy - żelowy, niklowo - kadmowy (NiCd), niklowo - metaliczno - wodorkowy (NiMH).

Akumulatory ołowiowe - żelowe

Są stosunkowo wiekową konstrukcją. Pierwszy akumulator ołowiowy został wynaleziony w 1860 r. Obecnie ten typ akumulatora jest najpopularniejszym źródłem energii w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych niektórych typów (komputerowe systemy zasilania awaryjnego tzw. UPS oraz instalacje alarmowe). Stosowany jest również w niezbyt zaawansowanych konstrukcjach oświetlenia podwodnego wykonywanych metodą chałupniczą („Groza”). Akumulatory ołowiowe - żelowe są bardzo ekonomicznym rozwiązaniem, ponieważ cena żelowego akumulatora o przyzwoitej pojemności 7 - 10 Ah to koszt ok. 30 - 50 zł. Akumulatory żelowe są również odporne na ciężkie warunki pracy. Dobrze znoszą duże prądy wyładowania, dlatego często są stosowane w konstrukcjach z żarówką halogenową o dużej mocy. Są również odporne na dużą ilość cykli ładowania i rozładowania.

Niestety ołów, z którego wykonane są elektrody wiąże się z dużym ciężarem akumulatora.

Dodatkowo przy porównywalnych pojemnościach akumulatory żelowe mają trzykrotnie większe rozmiary niż akumulatory NiCd i NiMH. Obecnie produkowane akumulatory żelowe są akumulatorami bezobsługowymi.

Każde ogniwo akumulatora (6 woltowy - 3 ogniwa, 12 woltowy - 6 ogniw) posiada jednokierunkowy, samouszczelniający się zawór, który otwiera się w przypadku wzrostu ciśnienia wewnątrz akumulatora (np. przy przeładowaniu) i wypuszcza gazy na zewnątrz chroniąc pojemnik przed rozsadzeniem. Akumulatory wykorzystują proces rekombinacji czyli reakcji chemicznych, dzięki którym tlen i wodór powstające przy przeładowaniu i w klasycznym ogniwie wydalane do atmosfery, pozostają w akumulatorze w postaci wody i eliminują konieczność jej uzupełniania.

Znamionowa temperatura pracy akumulatorów żelowych wynosi 20 °C. Praca akumulatorów bezobsługowych w podwyższonych temperaturach powoduje dramatyczne skrócenie ich żywotności. Żywotność zmniejsza się o połowę przy każdym wzroście temperatury o 8 °C powyżej znamionowej temperatury pracy. Oznacza to, że akumulator eksploatowany w 28 °C zachowa 50 % a w 36 °C tylko 25 % projektowanej żywotności.

Podczas pracy w niskich temperaturach należy uwzględnić spadek pojemności akumulatora i dobierać ją z odpowiednim zapasem. W temperaturze 0 °C pozostaje do dyspozycji ok. 85 % a w minus 10 °C i minus 20 °C odpowiednio 75 % i 65 % pojemności znamionowej.


Ładowanie

Akumulator ołowiowy-żelowy nie wymaga użycia drogich zaawansowanych technicznie ładowarek.

Ładuje się go stałym napięciem, czyli ze zmieniającą się wartością prądu. Elektrody ołowiowe i elektrolit, składający się z kwasu siarkowego w postaci żelu, dają napięcie ogniwa 2 V. Ogniwa te łączy się najczęściej w baterie, składające się z 3 lub 6 ogniw. Jeżeli akumulator używany jest do pracy cyklicznej, tj. ładowanie i rozładowanie odbywa się na przemian, napięcie ładowania powinno wynosić 2,40 - 2,50 V/ogniwo, co oznacza 14,4 - 15,0 V dla akumulatora 12 - woltowego. Ładowarka powinna zapewniać optymalne warunki ładowania, tj. prąd ładowania przy pracy cyklicznej nie powinien przekraczać ok. 10 % pojemności akumulatora (0,1C*).

Rozładowanie

Największą zaletą akumulatora ołowiowego jest możliwość rozładowania dużymi prądami w krótkim czasie. Akumulator ołowiowy może być krótkotrwale (<5 sek.) obciążony prądem odpowiadającym 15 krotnej pojemności akumulatora. Maksymalny ciągły pobór prądu nie powinien przekraczać 3 krotnej pojemności.

Żywotność

Akumulatory żelowe mogą pracować nawet do 10 -ciu lat. Często czas życia najlepiej charakteryzuje liczba cykli, które akumulator może wytrzymać zanim pojemność jego spadnie do 60 % wartości początkowej. Na liczbę cykli duży wpływ ma sposób eksploatacji, tj. jaka część pojemności jest wykorzystywana przy każdym rozładowaniu (głębokość rozładowania). Wartością standardową jest 500 cykli, kiedy wykorzystuje się 50 % pojemności przy każdym rozładowaniu.
Podsumowanie
Ciężar jest wyraźnym minusem konstrukcji akumulatora ołowiowego, również jego duże wymiary, ze względu na przydatność w konstrukcji latarek, są wadą akumulatora żelowego. Czas eksploatacji jest różny w zależności od wykonania i sposobu eksploatacji, lecz może być uważany jako długi w stosunku do innych typów akumulatorów. Pojemność często porównuje się z ciężarem, co nie wypada dla tego typu korzystnie. Jednak produkcja akumulatorów ołowiowych o większych pojemnościach jest relatywnie prosta i tania.

Sposób ładowania jest ich wyraźną zaletą, ponieważ jest bardzo łatwy i nie wymaga złożonych obwodów sterowniczo - kontrolnych. Niestety akumulator ołowiowy, nawet przy najlepszych chęciach, nie może być określony jako korzystny dla środowiska, ponieważ zawiera znaczne ilości niebezpiecznego dla środowiska ołowiu. Parametry akumulatora nie są w szczególny sposób zależne od temperatury przy rozładowaniu (chociaż niska temperatura zmniejsza pojemność akumulatora, podczas nurkowań jest zawsze dodatnia i wpływa na obniżenie pojemności w stosunkowo niedużym stopniu).

Ładowanie powinno przebiegać w temperaturze pokojowej, w przeciwnym wypadku wartość napięcia ładowania musi być skorygowana w górę dla osiągnięcia pełnego naładowania.

Akumulatory niklowo - kadmowe

Protoplastą akumulatora niklowo – kadmowego był skonstruowany w roku 1899 zasadowy akumulator NiFe (niklowo - żelazowy). Dopiero w 1932 roku akumulator zasadowy otrzymał elektrody z niklu i kadmu, a w latach 60 -tych zaczęto go produkować na skalę przemysłową.

Dzisiaj akumulatory NiCd są bardzo popularne również jako zasilanie systemów oświetlenia podwodnego.
Akumulatory te charakteryzują się dużą gęstością zgromadzonej energii (ilość energii w stosunku do ciężaru), możliwością poborów dużych prądów, długim czasem eksploatacji i dużą ilością cykli ładowania i rozładowania.

Ze względu na przydatność w różnych konstrukcjach latarek podwodnych używa się akumulatorów NiCd o pojemności od 1,5 Ah do kilkunastu Ah.
Ogniwo zbudowane jest z elektrody ujemnej z kadmu i dodatniej z niklu. Elektrolitem jest wodny roztwór wodorotlenku potasu. Aby uniknąć zwarcia, elektrody są przedzielone porowatym separatorem, wykonanym najczęściej z tworzywa sztucznego. W ogniwach cylindrycznych (z których budowane są pakiety zasilające do latarek nurkowych), w celu uzyskania możliwie dużej powierzchni elektrod (duża pojemność akumulatora) nawija się je spiralnie, z możliwie najcieńszym separatorem (niska wewnętrzna rezystancja, a więc wysoki prąd rozładowania). Procesy elektrochemiczne w akumulatorze są tak dobrane, by powstające przy ładowaniu gazy (tlen powstaje poprzez elektrolizę wody) były pochłaniane. Naturalnie wszystkie ogniwa są wyposażone w zawór bezpieczeństwa, który zapobiega powstawaniu nadciśnienia przy silnym przeładowaniu.

Ładowanie

Akumulatory niklowo - kadmowe ładuje się stałym prądem. Elektrody z niklu i kadmu, oraz elektrolit z wodorotlenku potasu dają napięcie ogniwa ok. 1,2 V. W czasie ładowania należy doprowadzać więcej energii niż otrzymuje się przy wyładowaniu. Przyjmuje się, że energia doprowadzona wynosi 140 % energii następnie odzyskiwanej, tzn. że współczynnik ładowania jest 1,4. Normalny prąd ładowania akumulatora NiCd wynosi 0,1 C w czasie 14 - 16 h. Ładowanie można określić zależnością:
I = Q x 1,4 / t
gdzie:
I = Prąd ładowania w A
Q = Pojemność w Ah
1,4= Współczynnik ładowania
t = Czas ładowania w godzinach
Napięcie ogniwa w trakcie ładowania stopniowo rośnie, dochodząc do 1,45 - 1,5 V w końcowym etapie. Dla prądów ładowania poniżej 0,2 C nie ma potrzeby nadzoru nad procesem ładowania.
Ładowanie szybkie (0,5 - 1,5 C)
Akumulatory niklowo - kadmowe mają bardzo korzystną właściwość, polegającą na możliwości przyjęcia dużego ładunku w krótkim czasie. Im krótszy jest czas ładowania, tym ściślejsza musi być kontrola ładowania. Napięcie ogniwa NiCd w czasie ładowania sukcesywnie wzrasta, aby w końcowym etapie nieco zmaleć, gdy ogniwo w pełni jest naładowane. W tym czasie temperatura ogniwa silnie wzrasta.
Nowoczesne ładowarki do szybkiego ładowania wykorzystują metodę -ΔV (minus delta V) tzn., że wykrywają one zmniejszenie się napięcia i przerywają ładowanie. Należy unikać nadmiernego wzrostu temperatury ogniw, gdyż skraca on znacznie okres ich żywotności. Dlatego zaleca się używanie jako dodatkowego zabezpieczenia wyłączników bimetalowych. Temperatura ogniwa, po szybkom naładowaniu wynosi ok. 45 °C. Wyłącznik bimetalowy powinien być włączony szeregowo w obwód ładowania i umieszczony na obudowie ładowanego ogniwa. Gdy temperatura przekroczy 45 °C ładowanie zostaje przerwane. Szybkie ładowanie <1C można również prowadzić przy użyciu wyłącznika czasowego, zgodnie z wcześniej podaną zależnością, lecz również wtedy należy stosować wyłącznik bimetalowy, w celu uniknięcia przegrzania ogniw. 

Rozładowanie

Ogniwo NiCd znosi dobrze duże pobory prądu. Można je obciążać przez bardzo krótkie okresy prądem aż do 100 C. Przy rozładowaniu ciągłym, maksymalny pobór prądu nie powinien przekraczać 8 - 10 C w czasie 4 - 5 minut.
Ogniwo NiCd charakteryzuje się również stałym napięciem (1,2 V) w czasie całego okresu rozładowywania. Za napięcie końcowe (gdy ogniwo jest wyładowane) przyjmuje się wartość 1,0 V. Wadą akumulatorów niklowo - kadmowych jest duży prąd samorozładowania, ok. 1% na dobę. Efektem tego jest niska sprawność przy ładowaniu podtrzymującym.
Żywotność
Najczęściej podawanym parametrem ogniw NiCd jest ilość cykli ładowania i rozładowania, który osiąga wartość 1000. Wartość ta zależy jednak w dużym stopniu od sposobu ich eksploatacji. Gdy następuje przeładowanie ogniwa, o czym wspomniano wcześniej, rośnie jego temperatura wewnętrzna przyśpieszająca degradację materiałów składowych. Podobnie dzieje się przy silnym wyładowaniu.

Gdy akumulator składający się z wielu ogniw jest rozładowany, istniejące różnice pojemności mogą spowodować, że niektóre ogniwa osiągną napięcie końcowe wcześniej przed innymi. To spowoduje, że część ogniw będzie nie w pełni naładowana, a część przeładowana, co w konsekwencji skróci czas żywotności całego akumulatora. Przy silnym rozładowaniu, kiedy napięcie ogniwa spada do 0,2 V zdarza się, że może nastąpić odwrócenie polaryzacji. Ogniwa NiCd mają optymalne warunki, gdy są rozładowane do 1,0 V przed powtórnym ładowaniem. W ten sposób unika się różnic pojemności poszczególnych ogniw i osiąga najlepsze funkcjonowanie akumulatora.

Podsumowanie

Waga jest ich dużą zaletą, szczególnie jeżeli przeliczy się ją w stosunku do pojemności. Czas eksploatacji, a przede wszystkim podatność na pracę cykliczną są dla tych akumulatorów bardzo dobre.

Ładowanie wymaga ścisłego przestrzegania parametrów procesu (wykorzystanie odpowiednich ładowarek), o ile chce się ładować akumulator szybko z dużym prądem bez skracania jego żywotności. Warunek ten nie jest specjalnie kłopotliwy. Parametry ogniwa NiCd są zależne od temperatury, ponieważ rezystancja wewnętrzna wzrasta ze spadkiem temperatury. Praca przy wysokiej temperaturze otoczenia jest możliwa, jeżeli używa się akumulatorów wykonanych specjalnie do tego celu.
Akumulatory NiCd zawierają silnie szkodliwy kadm, którego stężenie należy w przyrodzie ograniczać. Obecnie nie istnieje alternatywa dla tego typu akumulatora. W krajach UE dąży się do tego, aby wszystkie wyeksploatowane akumulatory NiCd były zwracane ich dostawcom.

Akumulatory NiMH (niklowo - metaliczno - wodorkowe)

Akumulatory NiMH znane są od połowy lat 70 -tych. Ten typ akumulatorów ma pewne zalety w stosunku do akumulatorów NiCd, ale również liczne wady. W wielu dzisiejszych urządzeniach będzie można zastąpić nimi szkodliwe akumulatory NiCd, ale w wielu innych zastosowaniach, gdzie wykorzystuje się charakterystyczne ich własności, trzeba będzie jeszcze z tym poczekać. Jak wiadomo nie dotyczy to systemów oświetlenia podwodnego. Akumulatory NiMH wykorzystuje wielu producentów.
Zasada działania ogniwa opiera się na magazynowaniu gazowego wodoru w stopie metalu (wcześniej ogniwo to nazywano niklowo - wodorowym). Płytka niklowa stanowi elektrodę dodatnią, a elektrodą ujemną jest specjalny stop metali ziem rzadkich, niklu, manganu, magnezu, aluminium i kobaltu. Żaden z producentów nie chce dzisiaj ujawnić jego składu procentowego, gdyż decyduje on o własnościach akumulatora. Separator wykonuje się z poliamidu lub polietylenu. Elektrolit jest zasadowy. Przy ładowaniu i rozładowywaniu wodór przemieszcza się między elektrodami. Zdolność pochłaniania wodoru przez stop decyduje o pojemności akumulatora. Największym problemem, który wymaga nowoczesnego rozwiązania jest to, że wzrost pojemności powoduje zmniejszenie szybkości reakcji fizyko-chemicznej procesów ładowania, co z kolei ogranicza prąd rozładowania i czas ładowania. Akumulatory NiMH, podobnie jak NiCd, wyposażone są w zawór bezpieczeństwa, który zapobiega powstawaniu nadmiernego ciśnienia w ogniwie.
Ładowanie

Akumulatory NiMH posiadają wyższą pojemność w proporcji do objętości niż NiCd. Oznacza to istnienie większej ilości aktywnych substancji w tej samej objętości. Substancje te mają więc mniej miejsca do rozszerzania się obudowie, więc spada szybkość reakcji fizyko-chemicznych.

W związku z tym akumulatory NiMH muszą być ładowane wolniej niż NiCd, a proces ładowania wymaga dokładniejszej kontroli w celu uniknięcia przeładowania. Oba typy akumulatorów mają napięcie ogniwa 1,2 V.

Ładowanie normalne odbywa się w taki sam sposób, to znaczy prądem ładowania o wartości ok. 0,1 C w czasie 14 - 16 godzin. Oznacza to, że również współczynnik ładowania, jest taki sam dla obu typów tj. 1,4. Podobnie również wzrasta napięcie ogniwa, by w końcowej fazie ładowania osiągnąć 1,45 - 1,5 V. Przy ładowaniu prądem o wartości <0,2 C nie trzeba żadnej kontroli ładowania, poza pomiarem czasu.

Ładowanie szybkie

O ile akumulator NiCd można  naładować szybko w czasie 15 minut, to minimalny czas ładowania dla NiMH wynosi ok. 1 godziny. Wzrost temperatury, gdy ogniwo jest bliskie naładowania następuje dużo szybciej w NiMH. Występujące przy tym obniżenie napięcia jest jednak znacznie mniejsze, dlatego dokładność układów kontrolnych, wykrywających jego spadek, musi być wyższa. Przy szybkim ładowaniu akumulatorów NiMH, zaleca się używanie co najmniej dwóch systemów zabezpieczeń (-ΔV, temperatura powierzchni >45 °C, timer). Należy tu podkreślić, że czas eksploatacji akumulatorów NiMH wyraźnie się skraca przy przegrzaniu ogniwa niż NiCd.

Zaletą ogniw NiMH jest to, że nie podlegają "efektowi pamięciowemu". Jest to zjawisko, które czasami występuje w ogniwach NiCd pracujących w układach, w których wykorzystuje się niewielką część pojemności. Gdy cykl niepełnego rozładowania i ładowania powtarza się następuje zmniejszenie maksymalnej pojemności. Zjawisku temu można zapobiec przeprowadzając kilka (3 - 4) cykli pełnego rozładowania i ładowania. 
 
Rozładowanie

Jak wspomniano wcześniej, aktywne materiały w ogniwie NiMH mają mniej miejsca na rozszerzanie się wewnątrz ogniwa. Powoduje to zmniejszenie aktywności reakcji. Jest więc naturalne, że również maksymalny prąd rozładowania jest niższy niż w ogniwach NiCd. Zwykle nie zaleca się prądów rozładowania większych od 3 do 5 C. Nie ma natomiast żadnej różnicy między końcowym napięciem dla obu typów, które wynosi ok. 1,0 V. Baterie NiMH mają wyższe prądy samorozładowania ok. 1,5 % dziennie, w stosunku do 1,0 % dla NiCd. Wynika z tego, że czas przechowywania w pełni naładowanego akumulatora NiMH jest krótszy niż odpowiednika typu NiCd.

Żywotność

Ponieważ NiMH jest stosunkowo nowym typem akumulatorów, brak jest długoletnich obserwacji pozwalających na dokładne określenie żywotności. Według informacji dostarczanych przez producentów sprzedających swoje akumulatory w Szwecji, żywotność nie powinna być krótsza niż dla akumulatorów NiCd, tzn. ok. 1000 cykli. Należy zwrócić uwagę, że liczba ta dotyczy idealnych warunków np. ładowania z 0,1 C w czasie 14 godzin i temperatury pokojowej przy każdym ładowaniu. Nie wzięto pod uwagę ewentualnego przeładowania. Realna liczba cykli w normalnych warunkach eksploatacji wynosi prawdopodobnie ok. 500 - 800.

Podsumowanie

NiMH jest jedynym typem akumulatora, który nie zawiera metali ciężkich, zanieczyszczających otoczenie i dlatego jest znacznie korzystniejszy dla środowiska niż inne typy. Stosunek ciężaru do pojemności jest jego ważną zaletą. Jest to też ogniwo o największej gęstości energii. Czas eksploatacji jest dobry przy pracy pełnymi cyklami ładowania i rozładowania, ale nie wypada korzystnie przy ładowaniu podtrzymującym. Ładowanie wymaga bardziej precyzyjnej kontroli niż przy innych typach akumulatorów. Podobnie jak w akumulatorach NiCd parametry ogniwa NiMH zależą od temperatury, dlatego powinna być bezwzględnie przestrzegana znamionowa temperatura pracy.

 

Cechy: 

- Akumulatory NiMH charakteryzują się wyższą pojemnością w proporcji do objętości niż NiCd. 

- Napięcie ogniwa 1,2 V

- Normalne ładowanie prądem 0,1 C (około 14 - 16 godzin)

- Napięcie w końcowej fazie ładowania 1,45 V - 1,5 V

- Ładowanie prądem mniejszym niż 0,2 C nie wymaga kontroli ładowania, poza pomiarem czasu

- Minimalny czas szybkiego ładowania około 1 godziny

- Nie jest obciążony "efektem pamięciowym" - przy pracy z niepełnym ładowaniem i rozładowaniem nie tracą nominalnej pojemności

- Przegrzanie podczas ładowania temp.>45 °C skraca żywotność bardziej niż dla NiCd

- Prąd rozładowania zalecany nie większy niż 3 - 5 C.

- Końcowe napięcie rozładowania ok. 1,0 V.

- Wyższy prąd samorozładowania tj. 1,5 % dziennie

- Duża zależność parametrów ogniwa od temp. - warunki ładowania! i ograniczenia w prądzie rozładowania!