Kluczem do maksymalizacji efektywności zasilania elektrycznego, czasu pracy i trwałości akumulatorów trakcyjnych jest ich dokładna konserwacja – w tym prawidłowe ładowanie.
W artykule przedstawiamy 10 porad dotyczących konserwacji, umożliwiających osiągnięcie jak najwyższego zwrotu z inwestycji w akumulatory. Podane wskazówki dotyczą akumulatorów trakcyjnych kwasowo–ołowiowych, które dominują we współczesnych elektrycznych pojazdach przemysłowych. Większość z nich to „tradycyjne” jednostki kwasowo-ołowiowe, które wymagają uzupełnienia elektrolitu wodą. Inne, znane jako akumulatory kwasowo-ołowiowe regulowane zaworem (velve regulated lead acid – VRLA), nie wymagają uzupełniania elektrolitu.
Te hermetycznie zamknięte jednostki dzielą się na typowo żelowe i tzw. AGM (absorbed glass mate), czyli zbudowane z wykorzystaniem absorbujących mat szklanych. W kategorii AGM znajdują się także produkty z cienkiej płyty z czystego ołowiu (thin plate pure lead – TPPL) o znacznie niższych wymaganiach związanych z ładowaniem.
1️⃣ Znajomość instrukcji obsługi
Obok ogólnych zaleceń dotyczących konserwacji arkusz instrukcji obsługi akumulatora lub podręcznik instrukcji obsługi zawiera szczegółowe informacje dotyczące danego produktu i zalecane działania naprawcze. Nieprzestrzeganie określonych procedur może spowodować unieważnienie gwarancji.
2️⃣ Zapewnienie odpowiedniego poziomu elektrolitu
W akumulatorach zalewanych elektrody ołowiane są zawieszone w elektrolicie kwasu siarkowego, którego poziom z czasem obniża się i musi być uzupełniony wodą. Należy jednak pamiętać, że w ciągu pierwszych dziesięciu cykli ładowania/rozładowania nie powinno się dolewać wody. Przepełnienie może spowodować wyciek kwasu podczas następnego ładowania, ponieważ elektrolit ulega rozszerzeniu. Jednak zanik elektrolitu skraca czas pracy i może prowadzić do przegrzania – jest to główna przyczyna słabej wydajności, uszkodzenia i przedwczesnej awarii akumulatorów.
Należy stosować wyłącznie wodę dejonizowaną lub destylowaną w celu uzupełniania elektrolitu do wskazanego poziomu maksymalnego. Należy to zrobić natychmiast po naładowaniu lub 20 minut przed zakończeniem ładowania – czyli w momentach, gdy ryzyko przelania mija. Nie należy uzupełniać elektrolitu przed ładowaniem. Jeśli jednak powierzchnie płyt są odsłonięte, przed ładowaniem należy dolać wody tylko tyle, aby je zakryć. Warte rozważenia jest – jako opcja pozwalająca oszczędzać czas – zastosowanie automatycznych systemów uzupełniania wodą. W przypadku akumulatorów VRLA nie istnieje ryzyko wycieku elektrolitu czy potrzeba kontrolowania jego poziomu, elektrolit jest bowiem uwięziony w formie żelu.
3️⃣ Kontrola elektrolitu
Kontrole poziomu elektrolitu dotyczą tylko akumulatorów zalewanych i zazwyczaj są zaplanowane po ok. 10 ładowaniach. W miarę starzenia się baterii może ona wymagać częstszego uzupełniania poziomu elektrolitu. Należy częściej sprawdzać więcej niż tylko jedno ogniwo, aby upewnić się, czy uzupełnianie jest konieczne.
W serwisowaniu konwencjonalnym ciężar właściwy elektrolitu każdego ogniwa mierzy się co miesiąc. Silne zróżnicowanie pomiędzy ogniwami wskazuje na potrzebę ładowania wyrównawczego. Zmienność napięcia w ogniwach otwartych można najłatwiej zmierzyć za pomocą automatycznego urządzenia monitorującego.
4️⃣ Obserwacja poziomu naładowania
Należy unikać rozładowywania akumulatora do poziomu poniżej 20% pojemności. Zbyt głębokie rozładowanie uszkadza akumulator, skraca jego żywotność i może spowodować przegrzanie poszczególnych elementów. Z drugiej strony ładowanie dużo wcześniej, zanim pojemność osiągnie 20%, skraca czas pracy baterii zbudowanej w tradycyjnych technologiach.
Akumulatory zamknięte i zalewane powinny być ładowane natychmiast po spadku do 20% stanu naładowania, czyli SoC (state of charge), ponieważ stały brak odpowiedniej pojemności sprzyja zasiarczeniu. Proces ten, podczas którego kryształy siarczanu tworzą się na płytach i zmniejszają ich pojemność, jest główną przyczyną uszkodzenia akumulatora. Z tego samego powodu należy naładować akumulator do pełna przed planowanym przestojem i dłuższym składowaniem.
Należy też pamiętać, że zaawansowane technologie kwasowo-ołowiowe, takie jak TPPL, wykazują lepszą wydajność przy stosowaniu częstego ładowania i podładowywania podczas pracy.
5️⃣ Obserwacja temperatury
Ekstremalne ciepło lub chłód podczas przechowywania, ładowania lub użytkowania ograniczają wydajność akumulatora i skracają jego żywotność. Przejrzysta definicja akceptowalnego i optymalnego zakresu temperatur znajduje się w szczegółowych instrukcjach obsługi produktu.
Ogólnie rzecz biorąc, nigdy nie należy ładować akumulatorów, których temperatura jest niższa niż 10°C lub wyższa niż 45°C. Jeśli podczas pracy lub ładowania wydziela on nadmierne ciepło lub silny zapach siarki, trzeba zatrzymać ładowanie i zasięgnąć porady specjalisty. Po pełnym naładowaniu należy pozostawić akumulator na kilka godzin przed użyciem w celu schłodzenia. Akumulatory powinno się przechowywać w chłodnym miejscu, aby zminimalizować ryzyko samowyładowania.
Niektóre technologie akumulatorów, zarówno zalewane, jak i VRLA, ze specjalnymi profilami ładowania, zostały przystosowane do eksploatacji w określonych warunkach chłodniczych, np. w chłodniach spożywczych. Zalecany jest kontakt z lokalnym dostawcą tych produktów w sprawie porady na temat doboru najlepszych rozwiązań do takich zastosowań.
6️⃣ Utrzymanie akumulatora w czystości
Małe wycieki kwasów z baterii zalewanych należy usuwać za pomocą zatwierdzonego przez producenta płynu czyszczącego. Rozlany kwas nie tylko powoduje korozję styków i innych struktur, ale może również tworzyć obwody przewodzące, które odprowadzają ładunek. Wilgoć może mieć podobny wpływ zarówno na zalewane, jak i uszczelnione/zamknięte jednostki, dlatego akumulator, jego skrzynia i otoczenie powinny być czyste i suche.
Należy regularnie sprawdzać gniazda akumulatora i wtyczki prostownika, złącza i kable pod kątem korozji, zużycia i uszkodzeń, w tym odsłonięte przewody i luźny osprzęt. Kontrole powinny być przeprowadzane przez elektryka co najmniej raz w roku i muszą obejmować pomiar rezystancji izolacji zarówno samego pojazdu elektrycznego, jak i akumulatora.
7️⃣ Kontrola czasu ładowania akumulatorów
Pojemność akumulatora spada wraz z wiekiem. Jego żywotność to liczba cykli ładowania i rozładowania, które można zrealizować, zanim jego pojemność stanie się nieefektywna. Każde ponowne naładowanie oznacza kolejny cykl i przybliża koniec żywotności akumulatora. W przypadku standardowych akumulatorów kwasowo–ołowiowych sensowne jest zatem opóźnianie ładowania do momentu osiągnięcia 20% poziomu naładowania.
W przypadku większości akumulatorów niepełne ładowanie, np. podładowanie w przerwie między zmianami, marnuje część potencjalnej żywotności. Jeśli akumulator jest również szybko ładowany, dodatkowe wytwarzanie ciepła może jeszcze bardziej skrócić jego żywotność. Takie działania powinny mieć miejsce wyłącznie w sytuacjach awaryjnych. Wyjątek stanowią akumulatory TPPL. Technologia TPPL umożliwia szybkie ładowanie – podładowanie bez uszkodzenia lub skrócenia żywotności, pod warunkiem że akumulator jest regularnie przywracany do stanu pełnego naładowania.
Po rozpoczęciu ładowania tradycyjnego akumulatora ołowiowo-kwasowego nie należy przerywać tego procesu. Za każdym razem trzeba wykonać pełne naładowanie. Przed odłączeniem prostownika należy go wyłączyć i najlepiej pozostawić na 5 minut. Przeładowanie – z wyjątkiem ładowania wyrównawczego – jest nieekonomiczne i szkodliwe.
8️⃣ Wyrównywanie, odsiarczanie i odświeżanie
Ogniwa baterii mogą mieć nierówne napięcia, co prowadzi do zaniżonej pojemności. Można je zrównoważyć za pomocą ładowania wyrównawczego, czyli celowego i chwilowego podania napięcia wyższego niż normalne, zazwyczaj raz na 5–10 cykli ładowania.
W przypadku akumulatorów zalewanych proces ładowania wyrównawczego pomaga wymieszać elektrolit, tj. przywrócić bardziej spójne i efektywne rozprowadzenie kwasu, oraz usuwa niektóre kryształy siarczanu z płyt. Baterie wyposażone w system cyrkulacji elektrolitu mają wpompowywane powietrze do ogniw.
Ładowania wyrównawcze są często dokonywane w weekendy, ponieważ wydłużają proces ładowania i wymagają dłuższego czasu na schłodzenie. Należy zapoznać się z indywidualnymi instrukcjami dotyczącymi akumulatorów i zwracać uwagę na nadmierne temperatury podczas ładowania wyrównawczego. Trzeba też pamiętać, że niektóre prostowniki automatycznie uruchamiają ładowanie wyrównawcze.
Niektóre prostowniki mają funkcję ładowania odsiarczającego, które należy stosować przed standardowym ładowaniem – ale tylko wtedy, gdy jest to konieczne. Istnieją również specjalne urządzenia dostarczające impulsów elektronicznych o wysokiej częstotliwości, które usuwają kryształy siarczanu, chociaż nie ma możliwości odwrócenia wysokiego poziomu zasiarczenia. Akumulatory znajdujące się w magazynie lub rozładowujące się podczas postoju wymagają regularnego ładowania odświeżającego, aby utrzymać ich dobry stan.
9️⃣ Wybór właściwego prostownika
Aby zapewnić maksymalnie dobry stan i wydajność akumulatorów, akumulatory i prostowniki muszą być w pełni kompatybilne pod względem kabli i złączy, wartości znamionowych napięcia i prądu, profili ładowania i ustawień. Najprościej można to zapewnić dzięki zastosowaniu kombinacji zalecanych przez producenta i dostawcę (które niekiedy są warunkiem gwarancji akumulatora).
Zaleca się zwiększenie efektywności akumulatora dzięki zastosowaniu prostowników wysokiej częstotliwości HF (high frequency). Takie urządzenia są bardziej wydajne; dostosowują prąd do potrzeb akumulatora w każdym momencie. Modularna konstrukcja pewnych prostowników typu HF jeszcze bardziej zwiększa wydajność baterii.
Nowoczesne prostowniki HF to urządzenia inteligentne, które potrafią zminimalizować możliwość popełnienia błędu przez operatora. Urządzenia te automatycznie rozpoznają typ akumulatora, mierzą napięcie, pojemność, stan naładowania i temperaturę, potrafią dobrać profil ładowania oraz mają opcję włączania się i wyłączania w odpowiednim czasie.
? Automatyzacja zarządzania akumulatorami
Urządzenia monitorujące stanowią zautomatyzowane wsparcie do zarządzania pracą akumulatorów oraz ich ochrony. W czasie rzeczywistym informują one o takich parametrach, jak temperatura, równowaga napięciowa i poziom elektrolitu. Przekazują również ostrzeżenia i dostarczają przydatne raporty na temat pracy akumulatorów w celu analizy. Dostępne są również kompleksowe systemy zarządzania pracą akumulatorów, które zapewniają ich efektywne wykorzystanie.
Yanis Lounnas jest inżynierem ds. zastosowań w firmie EnerSys®.
