Acumulatori - testare - egalizare - intretinere

* Explicatii, teste si analiza acumulatorilor ... *

 articol creat de Florin Fleseriu  

      Am publicat acest articol pentru o  informare exacta a beneficiarilor care utilizeaza baterii de acumulatori in sistemele cu energie solara, eoliana si hidro. Sper ca acest articol va fi util fiecarui utilizator de acumulatori si va prevenii distrugerea lor prematura. 

Acumulatorii se defecteaza de cele mai multe ori din doua cauze majore. Exploatarea gresita corelata cu o lipsa de intretinere adecvata si alegerea incorecta a marcii, tipului si a capacitatii acumulatorilor in sistemul utilizat.  Daca in primul caz vina este exclusiv a celui care utilizeaza acumulatorii, in cel de al doilea se datoreaza proiectantului si/sau furnizorului de echipamente. In acest caz motivatia alegerii incorecte a bateriilor este data de pret si/sau incompetenta.

Acumulatori deep-cycle (cu descarcare adanca) 

    Bateriile AGM (Absorbed Glass Mat) sunt un model relativ nou de acumulatori fara intretinere. Denumirea lor provine din tehnologia utilizata pentru realizarea materialului chimic introdus intre placi. Aceasta este o pulbere fina din fibre de Silicat Bor si sticla. Electrolitul (acid sulfuric) este introdus intre straturi succesive de fibre de sticla si nu va curgein exterior nici daca carcasa bateriei este sparta. Acest fenomen face acumulatorii AGM sa fie usor de transportat cu costuri mici fiind acceptati inclusiv la transport aerian. Deoarece nu exista un lichid in stare fluida care poate ingheta, acesti acumulatori sunt relativ imuni la temperaturi scazute si inghet. 

    Cu toate acestea temperatura scazuta diminueaza semnificativ capacitatea de stocare disponibila. In acumulatorii AGM practic nu exista un lichid care sa se extinda (fenomen existent in acumulatorii cu GEL), iar in conditii de supraincarcare emisia de hidrogen este mult sub 4%. Aceasta conditie fin impusa de standardele de transport aerian si emisia de H2 in spatii inchise. De asemenea placile AGM sunt foarte bine impachetate si montate rigid astfel incat rezista la socuri si vibratii mult mai bine decat oricare alta baterie standard.

Atentie ! Aproape toate bateriile AGM sunt fabricate cu recombinare, ceea ce înseamnă că oxigenul și hidrogenul se recombina în interiorul bateriei. Acest proces utilizeaza tranzitul in faza gazoasa a oxigenului la plăcile negative, pentru a-l recombina înapoi în apă în timpul încărcării și pentru a preveni pierderea apei prin electroliza. Acest proces de recombinare este atat de eficient, incat în mod obișnuit randamentul este de 99% si deci aproape nu se pierde apă in acest ciclu. 

Tensiunile de incarcare la bateriile AGM sunt similare cu bateriile standard, dar rezistenta lor interna este extrem de scazuta. Practic nu apare niciodata o incalzire a acumulatorilor chiar daca se lucreaza cu curenti mari la incarcare si descarcare. Acumulatorii AGM au o pierdere tipică de 1% până la 3% pe lună ceea ce este foarte putin in comparatie cu alte tipuride acumulatori. Acest lucru permite ca bateria să poata fi tinuta în depozit pentru perioade mult mai lungi, fără o încărcare regulata, necesara pentru bateriile standard.  

    Acumulatorii cu electrolit lichid au cateva avantaje care le pun intr-o pozitie oarecum favorabila fata de acumulatorii cu AGM sau GEL. 

  • Suporta "maltratarea" mai usor decat acumulatorii cu GEL sau AGM.

  • Procesul determinarii unor elemente de 2V slabite este mai rapid si mai simplu.

  • Controlul incarcarii elementelor de 2V independente este mai precis.

  • Sunt mai ieftini pentru aceleasi performante decat acumulatorii similari cu GEL sau AGM.  

     Ca dezavantaje fata de acumulatorii cu AGM sau GEL putem mentiona : 

  • Necesită intretinere regulată si uneori necesită personal calificat pentru evaluare.

  • Sunt mai sensibili la temperaturi negative.

  • Emană gaze si necesită o cameră specială pentru exploatare

 Pentru a testa sănătatea bateriei și de a determina dacă o celulă nu poate fi incarcata corect, se poate efectua o verificare de tensiune pe toate bateriile din șirul de acumulatori existent in sistem, atunci când începe descărcarea si numai după ce au fost aduse la o încărcare completă. În cazul în care o baterie conține o celulă a defecta, veți observa o diferență în tensiune in sarcină atunci când se compară citirile de tensiune de la o baterie la alta. Sistemul Schneider denumit Conext Battery Monitor este cel mai avansat sistem de management al acumulatorilor exitent. Daca va intrebati de ce, explicatia se regaseste in modul de calcul a incarcarii. Intr-o baterie intodeauna trebuie sa "introducem" mai multi amperi-ora decat am consumat. Sistemul Conext Battery Monitor evalueaza inclusiv pierderea de densitate pe acumulatorii cu electrolit lichid, printr-un calcul matematic si afiseaza starea de 100% incarcata doar daca si densitatea este corecta . De aceea va recomandam cu caldura sa utilizati acest dispozitiv. Nici un alt dispozitiv similar nu face acest lucru.

Performanța bateriei scade treptat si se deteriorează cu timpul din cauza unor reacții chimice nedorite și modificările fizice ale substanțelor chimice active.  Acest proces nu este, în general, reversibil  în cele din urmă și rezultatele duc în final la pierderea bateriei.

   Este temperatura un factor important pentru baterii?

   - Da! Este foarte important !

Capacitatea totala disponibila a unei baterii de acumulatori și modul ei de reîncărcare, se bazează  exclusiv pe controlul acestui proces pentru  fiecare celulă in parte cu o temperatură a electrolitului la  25°C. Temperaturile sub 25°C reduc capacitatea disponibila a bateriei și prelungeste timpul de a aduce bateria la încărcare completă. Temperaturile de peste 25°C,  vor crește ușor capacitatea disponibila, dar vor scurta durata de viață a bateriei.

 Problemele majore apar la temperaturi  extreme. Acesta este intervalul de mai  jos de  +4°C și cel de peste +38°C.  Electrolitul dintr-o baterie complet încărcată cu o densitate corecta, are un punct de inghet  de aproximativ  -65 °C, iar electrolitul  într-o baterie descărcată complet, cu greutate specifică redusă are un punct de îngheț mult mai mare, imediat sub 0°C. O baterie complet descărcată, este în pericol de inghet  la o temperatura mai mica  +4°C și bateria trebuie să fie incarcata imediat, sau vom avea ca rezultat, distrugerea ei iremediabila.

    La o temperatura scazuta  - vom avea o capacitate mai mică, adancimea de descarcare va fi mai dramatica pentru fiecare ciclu aplicat acumulatorului

    La o temperatura mai mare - vom dispune de o capacitate mai mare, gradul de auto-descărcare este mai ridicat iar  uzura bateriei este mai intensa.

Utilizarea Acumulatorilor la Temperaturi mai mici  < +4°C

Temperaturile pe celulele unei baterii,  sub +4°C genereaza intr-un acumulator o rezistență internă ridicată pe timpul încărcarii. Tensiunea in volti  pe celule,  va urca rapid și o dată ce trecem peste  2,35V/Celula, va începe procesul de evacuare a gazelor. Bateriile "fierb" !  Aceast eveniment  cauzează pierderi de apă în exces și coroziuni in placile acumulatorului. Pentru a controla acest proces, setarea de tensiune in cadrul regulatoarelor si redresoarelor, trebuie să fie modificată in sens crescator pentru temperaturi ambiante mai reci. În cazul în care tensiunea redulatorului  nu este crescuta corespunzator,  bateria nu va fi reincarcata, iar in timp apare efectul de memorie si pierdere a capacitatii. Bateria va fi mai mult decât probabil utilizată într-o stare parțial reîncărcată. Acest lucru crește riscul de sulfatare a bateriei, care cauzează probleme de reîncărcare  accelerata în continuare si pierderea capacitatii.

Utilizarea Acumulatorilor la Temperaturi mai mari > +38°C

La temperaturi de funcționare ambientale calde, cel mai important factor este evitarea utilizarii acumulatorilor la temperaturi mai mari de  +43°C.  O baterie aflata in faza pe încărcare va experimenta o crestere de aproximativ  (10ºC) a temperaturii celulei,  într-o gamă ambientală de 35ºC. Încărcarea ar trebui să fie mai atent monitorizata la temperaturi > +38°C.  La aceste temperaturi curenții de incarcare trebuie redusi sau încărcarea trebuie oprita până când bateria  se raceste .

 Cea mai mare deteriorare a acumulatorilor considerata foarte gravă poate avea loc la temperaturi de peste +52°C, unde procesele chimice sunt atat de accelerate incat bateria se distruge iremediabil.

Baterii pe descarcare vor genera căldură.  Această generare de căldură este moderată in cele mai multe cazuri și nu este o problemă în condiții normale de descărcare a bateriei. Cu toate acestea, atunci când bateriile sunt descărcate la rate foarte ridicate ( mai mici de C5) trebuie evitate condițiile de temperatură ambientală ridicate. O rată ridicată de descarcare va duce la drenarea rapidă a bateriei, ajungand la descarcare totala  în 1-2 ore. Combinația de temperaturi ridicate +38°C,  și ratele ridicate ale descarcarii ( sarcina mare pe invertoare )  pot cauza deteriorări grave a bateriei. Aceste rate ridicate de descarcare  pot fi evitate prin utilizarea unui acumulator de capacitate mai mare, asigurata numai din proiectare !!

Ambalarea termica

Rata la care reactile chimice se dubleaza este obtinuta pentru fiecare crestere de 10°C a temperaturii. Fluxul de curent printr-o celulă determină temperatura să crească.  Pe măsură ce temperatura crește reatile electro-chimice cresc in intensitate și în același timp impedanța celulei este redusă ducand  la curenți mai mari și temperaturi și mai ridicate, care ar putea duce la distrugerea celulelor dacă nu se iau măsuri de precauție.

  Cauzele de sulfatare a bateriilor :

a) Bateriile care stau prea mult timp între doua încărcări succesive, adica cele  care sau mai mult de 24 de ore intr-un mediu cu temperatura caldă și/sau  câteva zile intr-un mediu cu temperatura  rece.

b) Bateria care este pusa in conservare  fără energie. Practic va fi neincarcata.

c) Încărcarea unei baterii de acumulatori, la doar 90% din capacitatea totala,  va duce la o sulfatare a bateriei.

d) Nivelul scăzut al lichidului de electrolit - plăcile bateriei expuse la aer vor fi imediat sulfatate.

e) Nivel și setări incorecte de încărcare a acumulatorilor. Toti producatorii seriosi  recomandă un ciclu de încărcare în trei faze  (Bulk, Absorption & Float).  Consultați-ne privitor la informațiile privind starea de încărcare a bateriei și informațiile necesare pentru a fi setate pentru încărcarea acumulatorior .

f) Cu cât o baterie sta mai mult timp fara a fi utilizată si nu este reîncărcată periodic, cu atat pot aparea simptome de sulfatare in placi.

Studiile si testele au arătat că aproape jumătate din capacitatea unei baterii poate fi pierdută dacă tensiunea de incarcare este prea mică iar timpul dintre doua  încărcări totale este prea lung.

Cum functioneaza procesul  fizic ?

În timpul utilizării normale, plăcile acumulatorului se sulfateaza tot timpul.  Atunci când o baterie este descărcată,  materialul din plumbul activ de pe plăci, va reacționa cu sulfatul din electrolit care formează la randul lui un sulfat de plumb pe plăci. Dacă nu există material activ de plumb și nici sulfat de la electrolit rămas, acumulatorul va fi complet descărcat. După ce bateria atinge această stare, trebuie să fie reîncărcată din  nou. În timpul reîncărcării, sulfatul de plumb se reconverteste în material activ de plumb, iar sulfatul se întoarce in electrolit.

 Când sulfatul este îndepărtat din electrolit, greutatea specifică a electrolitului este redusă și inversarea are loc atunci când sulfatul este returnat la electrolit. De aceea, starea de încărcare poate fi determinată prin utilizarea unui hidrometru.

Dacă o baterie este lăsată într-o stare descărcată, sulfatul de plumb se va durifica și va avea o rezistență electrică ridicată. Aceasta este ceea ce se numește în mod normal o baterie sulfatată.  Sulfatul de plumb poate deveni atât de greu si dur,  încât reîncărcarea normală nu o va rupe. Cele mai multe surse de încărcare, regulatoare și alte încărcătoare de baterii sunt reglate in tensiune pentru a obtine un proces optim.  Curentul de încărcare este controlat de starea de încărcare a bateriei.  În timpul încărcării, tensiunea bateriei crește până când atinge tensiunea reglată de încărcător, scăzând curentul de ieșire de-a lungul acestui proces.

 Atunci când este prezent un sulfat dur pe placi, bateria prezintă o tensiune "falsă", de obicei mai mare decât tensiunea adevărată, făcând ca regulatorul de tensiune să creadă că bateria este încărcată complet.  Acest lucru face ca regulatorul  să-și reducă prematur puterea si curentul  furnizat, lăsând acumulatorul partial descărcat.  Încărcarea la o tensiune mai mare decât cea normală și la un curent scăzut pot fi necesare pentru a descompune sulfatul întărit pe placi. Din acest motiv avem densitati diferite intre diferite intre elementele de 2V din cadrul unei baterii si de aceea trebuie sa facem aceste egalizari OBLIGATORIU!

 Sulfatul durificat se formează de asemenea si într-o baterie care este în mod constant incarcata ciclic în mijlocul intervalului său de capacitate (undeva între 80% încărcat și 80% descărcat) și nu este niciodată reîncărcata la 100%. În timp, o parte din materialele active ale plăcii se transformă în sulfat dur. Dacă bateria este în mod continuu ciclată, va pierde din ce în ce mai mult capacitatea sa, până când nu va mai avea suficientă capacitate pentru a îndeplini sarcina pentru care a fost destinată.  O încărcare de EGALIZARE , aplicată în mod obișnuit la fiecare trei până la patru săptămâni, ar trebui să împiedice întărirea sulfatului pe placi si pastreaza bateria in conditii optime de functionare.

 În ambele cazuri, faptul că bateria "nu se va încărca" este rezultatul unor proceduri de încărcare/descarcare  necorespunzătoare si care au permis durificarea sulfatului. În majoritatea cazurilor, este totusi posibilă salvarea unei baterii cu sulfat întărit. Bateria trebuie încărcată de la o sursă externă de la 2,6 la 2,7 V pe celulă (16V la sisteme de 12V/ 32V la sisteme de 24V/ 64V la sisteme de 48V) și o rată scăzută a curentului (aproximativ 5A pentru baterii mici și 10A pentru cele mai mari) până când greutatea specifică a electrolitului începe să crească.  (Acest lucru indică faptul că sulfatul se descompune.)  ATENTIE ! Aveți grijă să nu lăsați temperatura internă a bateriei să crească peste 45 - 50°C !!   În caz contrar, opriți încărcătorul și lăsați bateria să se răcească. Apoi, continuați  procedura de încărcare până când fiecare celulă din baterie este adusa in starea de "plin" si până la încărcarea completă care se obtine atunci cand densitatea nominală  este 1,265 sau mai mare.  Timpul necesar pentru a finaliza această reîncărcare depinde de durata descărcare a bateriei și cât de dur a devenit sulfatul.

 In aceste sisteme recomandam utilizarea Conext Battery Monitor care ofera indicatii tehnice pentru a utiliza o baterie in conditii foarte bune si posibilitatea de a aplica masuri corective din timp. Nici un dispozitiv similar de pe piata nu ofera informatile pe care le ofera acest dispozitiv.

Daca in continuare descoperiti ca bateriile nu par să se încarce complet, verificați imediat densitatea specifică cu ajutorul unui hidrometru. Dacă toate celulele sunt cu densitate scăzuta, chiar și după un timp mai îndelungat de încărcare, este posibil să aveți niște sulfat durificat care sa acumulat pe plăci. Daca veti urmarii instrucțiunile descrise mai sus, problema poate fi corectată.

Proiectarea corecta a aplicației

Primul pas este acela de a ne asigura că bateria de acumulatori aleasa este adecvata pentru aplicatia noastra. Proiectarea modului de functionare si alegerea corecta a acumulatorului este esentiala pentru succesul unui sistem cu energie solara, eoliana sau hidro,  fiind dependenta atat de consumatori si productia energiei.

Calificarea si performanta recunoscuta a fabricantului de acumulatori

Al doilea pas este de a selecta un furnizor de acumulatori recunoscut de piata si cu o experienta mare,  pentru a oferi un produs de încredere în condiții de siguranță.  Vom descoperii foarte usor acesti fabricanti prin faptul ca au in general cele mai performante baterii si un pret ridicat al acumulatorilor in comparatie cu alti producatori.  Fabricantii Rolls, Hoppecke si Exide Tehnologies sunt cei  trei lideri recunoscuti de piata acumulatorilor deep-cycle.

Performanta acumulatorilor

Următorul pas este de a verifica daca bateria de acumulatori aleasa îndeplineste specificațiile dorite sub orice condiție prevăzută de utilizare .Testul de capacitate va releva daca dispunem de un acumulator performant.

Prevenirea problemelor -  Opinii de proiectare

 Va recomandam sa utilizati in sisteme doar acumulatori care au o mare vechime in fluxul de productie a fabricantului.

Verificari periodice

Solicitati periodic personanului cu experienta si expertiza in utilizarea acumulatorilor, teste de capacitate si teste de functionarea a acumulatorilor. Aceste teste pot prevenii probleme care pot duce la o deteriorare completa a bateriei de acumulatori.