Regeneracja stacjonarnych baterii kwasowo-ołowiowych

W systemie zasilania gwarantowanym napięciem stałym lub przemiennym stacjonarna bateria akumulatorów jest sercem układu. Jest także magazynem, który zabezpiecza dostęp do energii w przypadku zaniku zasilania sieci podstawowej. Nawet najlepszy system, z najlepszymi parametrami prądu i napięcia wyjściowego, ale z wadliwą baterią, która nie jest w stanie zapewnić wymaganego czasu podtrzymania, nie spełni swojego zadania. Kondycja baterii i dbałość o jej parametry jest bardzo ważnym elementem, niezbędnym dla prawidłowego funkcjonowania układu zasilania napięciem gwarantowanym.

Kondycję baterii można porównać do zdrowia człowieka – nie tylko dlatego, że w baterii oraz w organizmie ludzkim zachodzą procesy elektrochemiczne. Przy tym porównaniu chodzi przede wszystkim o podejście mentalne. Jeżeli człowiek nie odczuwa poważnych, negatywnych sygnałów o zdrowiu, zwykle się nim nie interesuje i nie stosuje profilaktyki. Podobnie jest z baterią. Jeśli przechodzi ona testy pojemności z odpowiednim rezultatem, to nie próbujemy jej regenerować i poprawiać jej parametrów. Dopiero jeśli utraci pojemność w takim stopniu, że nie nadaje się do eksploatacji, najczęściej zostaje podjęta decyzja o pracach serwisowych. W takim momencie może być już za późno na skuteczne czynności naprawcze. Jeżeli sygnały o złej kondycji baterii przyjdą zbyt późno i system zasilania nie będzie działał poprawnie, to koszty takiej diagnostyki są zwykle bardzo wysokie. W dalszej części artykułu zostaną omówione sposoby zapobiegania awariom baterii i sposoby efektywnego poprawiania jej pojemności.

W artykule [1] opisano, jaką praktyczną żywotność osiągają kwasowo-ołowiowe akumulatory VRLA na stacjach energetyki zawodowej w Polsce. Z doświadczeń eksploatacyjnych wynika, że jest to zaledwie 50-60% żywotności katalogowej. Z tego powodu zastosowanie właściwych metod regeneracyjnych jest niezbędne dla uzyskania akceptowalnej przez użytkowników żywotności baterii kwasowo-ołowiowych.

Dotyczy to szczególnie baterii z rekombinacją gazów z zaworami bezpieczeństwa (typu VRLA). Dodatkowo metody regeneracji muszą być dostosowane do realiów eksploatacyjnych, czyli muszą być efektywne, przy minimalnym dodatkowym serwisowaniu.

Uszkodzenia baterii kwasowych 

Uszkodzenie baterii w końcu zawsze (najczęściej z jakimś interwałem czasowym) skutkuje obniżeniem się pojemności i skróceniem czasu przydatności akumulatora do pracy w systemie. Procesy starzeniowe baterii akumulatorów są nieuniknione i zachodzą w sposób naturalny. Te zmiany są uwzględnione w deklarowanej przez producenta żywotności katalogowej.

Na skrócenie żywotności mają też wpływ inne czynniki, wynikające z niewłaściwej eksploatacji baterii akumulatorów. Są to m.in.: termiczne warunki pracy baterii (szczególnie zbyt wysokie temperatury pracy), charakter pracy (np. szkodliwe są częste cykle ładowania i rozładowania), wysokie tętnienia prądów ładowania, płytkie rozładowania itp. Często uszkodzenia baterii wynikają ze złych parametrów ładowania. Klasyfikacja uszkodzeń, ze względu na miejsce ich powstania, została przedstawiona na rysunku 1. Ze względu na rodzaje uszkodzeń w akumulatorze, można je podzielić na:

• mechaniczne, czyli wszystkie ilościowe ubytki elementów akumulatora, takich jak elementy wsporcze, połączenia, sworznie, ubytki materiału aktywnego na płytach, parowanie elektrolitu,
• morfologiczne płyt – związane z powstawaniem miejscowej mikroformy krystalicznej siarczanów ołowiu, która powoduje nieodwracalne zasiarczenie płyt,
• chemiczne – związane ze zmianą rozkładu gęstości elektrolitu.

Rys. 1. Rodzaje uszkodzeń w akumulatorach kwasowo-ołowiowych, ze względu na miejsce wystąpienia

Uszkodzenia mechaniczne można zrekompensować tylko przez wymianę zniszczonych elementów. W obecnie produkowanych akumulatorach klasycznych jest to praktycznie niemożliwe. W przypadku ubytków mechanicznych można uzupełnić poziom elektrolitu, ale też nie zawsze, gdyż nie dotyczy to akumulatorów VRLA z rekombinacją gazów (w których ich szczelna konstrukcja oraz uwięzienie elektrolitu w matach szklanych lub w żelu takie czynności wyklucza).

Niekiedy można wymienić zewnętrzne elementy akumulatora, np. złączki międzyogniwowe lub sworznie. Inne elementy mechaniczne są nie do naprawienia. W akumulatorach produkowanych do końca lat 80. w słojach szklanych można było wykonywać bardziej skomplikowane naprawy mechaniczne [2], jednak takich prac serwisowych już się nie wykonuje.

Regeneracja może natomiast wpływać na poprawę parametrów morfologicznych płyt i chemicznych elektrolitu. Można to uzyskać przez zwiększenie efektywności odsiarczania materiału aktywnego płyt. Efekt utraty części materiału aktywnego – PCL (permanent capacity lost) został opisany w [1]. W czasie normalnej eksploatacji baterii PCL jest niemożliwy do zlikwidowania. Jeżeli zachodzące w akumulatorze zmiany chemiczne nie będą szybko korygowane, to w konsekwencji staną się przyczyną mechanicznych uszkodzeń akumulatora.

Zmiany parametrów morfologicznych i chemicznych w akumulatorze

 W akumulatorze może wystąpić zmiana parametrów chemicznych elektrolitu oraz materiału aktywnego płyt. Powoduje to obniżenie pojemności dyspozycyjnej akumulatora. Mechanizm powstawania oraz przebieg tych procesów można wyjaśnić na podstawie [3] i [4].

Zmiany zachodzące w elektrolicie

 W trakcie pracy akumulatorów klasycznych z elektrolitem ciekłym w trybie buforowym oraz ładowania i rozładowania baterii, elektrolit ma tendencję do miejscowej zmiany gęstości, czyli do rozwarstwiania się (stratyfikacji). Zjawisko to nie występuje w akumulatorach z elektrolitem uwięzionym VRLA.

Uformowany fabrycznie akumulator zwykle ma stały rozkład gęstości, natomiast podczas eksploatacji stan ten zostaje zakłócony. W trakcie pracy buforowej zjawisko stratyfikacji jest konsekwencją opadania cięższych cząstek kwasu (zgodnie z prawem ciążenia). Podczas ładowania akumulatora i po rozładowaniu gęstość w obszarze między płytami zwiększa się, natomiast powyżej i poniżej (czyli poza obrysem płyt) gęstość będzie taka, jak przed ładowaniem. W wyniku tych procesów podczas eksploatacji baterii następuje rozwarstwienie się gęstości kwasu – od najniższej na górze, do bardzo wysokiej na dole akumulatora. Taki stan jest niebezpieczny, ponieważ w miejscach o zwiększonej gęstości elementy akumulatora są bardziej podatne na korozję i uszkodzenia mechaniczne. Ponadto akumulator, w którym występuje zjawisko stratyfikacji elektrolitu, ma niższą pojemność, niższą siłę elektromotoryczną i nierównomierny (związany z rozkładem gęstości kwasu) rozkład prądów międzyelektrodowych. Bateria wykazuje także większą podatność do samorozładowania.

Osiągnięcie jednorodnej gęstości kwasu jest łatwe – można ją uzyskać przez mechaniczne lub elektryczne wymieszanie elektrolitu. Mieszanie mechaniczne (przez pompy powietrzne) nie jest stosowane przy akumulatorach stacjonarnych. Dla tego typu ogniw wystarczy wykonywać mieszanie elektryczne, czyli doprowadzenie akumulatorów do gazowania przez podniesienie napięcia ładowania do 2,30/2,40 V na ogniwo. Jest to zabieg prosty, wręcz obowiązkowy, po teście pojemności. Często jednak nie jest on przeprowadzany i stosuje się standardowe ładowanie IU, tj. prądem stałym co do wartości (ograniczonym do prądu dziesięciogodzinnego baterii) oraz stałym napięciem buforowym. Po wymieszaniu elektrolitu przez gazowanie należy pamiętać o sprawdzeniu poziomu elektrolitu i w razie konieczności dolaniu wody destylowanej.

Rys. 2. Rozwarstwienie elektrolitu w bateriach akumulatorów:

Zmiany zachodzące w materiale aktywnym płyt

 W trakcie rozładowania następuje zamiana energii chemicznej na elektryczną oraz (w konsekwencji tego) przemiana materiału aktywnego płyt na siarczan ołowiu (PbSO₄). Kryształy siarczanów – przy pełnym rozładowaniu – pokrywają całą powierzchnię elektrod. W wyniku ładowania elektrycznego akumulatora kwasowego i procesów chemicznych siarczany zmieniają się na materiał aktywny elektrod. Siarczany ołowiu powstałe w wyniku rozładowania są małe, ale pozostawione przez dłuższy czas na płytach mają tendencję do wzajemnego łączenia się, tworząc duże kryształy.

Zjawisko krystalizacji i powstawania dużych kryształów na płytach może być konsekwencją pozostawienia baterii rozładowanej po jej pracy autonomicznej. Takie kryształy mogą tworzyć się także w trakcie długiego rozładowania, np. prądem 8-10-godzinnym lub mniejszym (siarczany, które powstały w pierwszej fazie rozładowania, długo pozostają na płytach). Powstawanie takich kryształów w ogniwach starszych technologii z kratkami płyt wysokoantymonowych, występowało w dużo mniejszym stopniu i nie było aż tak groźne. Wprowadzenie innych dodatków w miejsce antymonu do stopów kratek płyt, takich jak wapń i selen, ograniczyło gazowanie akumulatorów, ale wpłynęło negatywnie na procesy morfologiczne związane z powstawaniem dużych kryształów. Dodatkowo w typach ogniw wysoko antymonowych duży prąd ładowania buforowanego rozpuszczał takie kryształy i powodował rekrystalizację.

We współczesnych technologiach akumulatorów kwasowych z kratkami elektrod ze stopów niskoantymonowych oraz bezantymonowych zjawisko powstawania dużych kryształów jest bardzo groźne. W końcowej części ładowania dla charakterystyki stałonapięciowej prąd jest bardzo mały. Z tego powodu część dużych kryształów siarczanu zostaje nierozpuszczona na płytach i jest powodem permanentnej utraty pojemności ogniw, gdyż takie kryształy siarczanu ograniczają powierzchnię czynną płyt. Duże kryształy są termodynamicznie stabilniejsze (trudno je zlikwidować), zaś kinetycznie mają gorszą proporcję owierzchni do masy, a więc trudniej ulegają procesom elektrochemicznym. Przy rekrystalizacji współczynnik rozpuszczania jest związany ze stężeniem jonów. Taki widok – tylko częściowo odsiarczonej elektrody dodatniej – przedstawiono na rysunku 3 (na elektrodzie obok PbO₂ widać duże kryształy PbSO₄).

Rys. 3. Częściowo odsiarczona płyta akumulatora

Likwidację dużych kryształów można wykonać przez zastosowanie specjalnej strategii ładowania lub przez dodanie specjalnych związków do elektrolitu. Ta druga metoda ma zastosowanie tylko dla ogniw z elektrolitem ciekłym.

Metody regeneracji akumulatorów kwasowo-ołowiowych 

 Regeneracji podlegają tylko zmiany chemiczne i morfologiczne akumulatora. Zlikwidowanie rozwarstwienia elektrolitu jest dość proste – jak wspomniano, wystarczy zapewnić elektryczne mieszanie elektrolitu. Można to uzyskać przez zastosowanie ładowania wyrównawczego (ładowania stałonapięciowego – wyższym napięciem niż buforowe lub ładowania stałoprądowego).

Dużo trudniejsza jest rekrystalizacja, czyli zlikwidowanie dużych kryształów siarczanu ołowiu PbSO₄ występujących na elektrodach baterii. Rozpuszczenie tych kryształów nie jest możliwe za pomocą klasycznych metod ładowania, stosowanych dla baterii stacjonarnych. Można to uzyskać przez następujące czynności:

• dolanie do elektrolitu specjalnych związków przyśpieszających rozpuszczenie dużych kryształów siarczanów ołowiu,
• zastosowanie specjalnej strategii ładowania odsiarczającego, przyśpieszającego rozpuszczenie dużych kryształów siarczanów ołowiu.

Pierwsza metoda polega na wprowadzeniu do elektrolitu związków chemicznych przyśpieszających rozpuszczenie kryształów. Są to związki zawierające silne utleniacze, najczęściej perhydrol (czyli 30-procentowy roztwór nadtlenku wodoru H₂O₂). Firmy świadczące takie usługi mają pełną certyfikację bezpieczeństwa, zapewniającą że w trakcie zabiegów nie zostaną uszkodzone inne elementy akumulatora. Skład takich mieszanek jak np. PowerBatt jest ścisłą tajemnicą handlową przedsiębiorstw, natomiast skuteczność tej metody została wielokrotnie potwierdzona w praktyce. Metody tej nie można zastosować do akumulatorów z elektrolitem uwięzionym VRLA i AGM, gdyż elektrolit jest uwięziony i zamknięty wewnątrz ogniwa. W przypadku ogniw stacjonarnych jest to duża uciążliwość, ponieważ większość niedomagań i uszkodzeń dotyczy właśnie ogniw VRLA z elektrolitem uwięzionym.

Druga metoda polega na zastosowaniu w ostatniej fazie ładowania baterii charakterystyki stałoprądowej, dla której prąd jest ograniczony do 10-20% prądu 10-godzinnego. Ładowanie prądowe w fazie, kiedy akumulator ma już wysoką gęstość elektrolitu, skutecznie rozpuści duże kryształy i zregeneruje materiał aktywny na płytach. Ograniczenie prądu ładowania do zaledwie 10-20% prądu 10-godzinnego daje możliwość zastosowania tej metody dla ogniw z zaworami typu VRLA (dla tak małej wartości prądu system wewnętrznej rekombinacji powinien sobie poradzić z cyklem reprodukcji wody i zawory bezpieczeństwa nie powinny się otworzyć, a ogniwa nie powinny ulec wysuszeniu). Rozpuszczając kryształy przy użyciu tej metody w akumulatorach klasycznych, można podnieść wartość prądu ładowania.

Rys. 4. Schemat układu do realizacji odsiarczania

W latach 70. i 80. przy odsiarczaniu akumulatorów samochodowych stosowano bardzo pracochłonne zabiegi, przedstawiane w prasie motoryzacyjnej z lat 80., a także w obecnie dostępnych portalach [5]. Dziś taki zestaw zabiegów i takie działanie wydaje się trudne do zastosowania ze względów ekonomicznych.

Dla akumulatorów samochodowych z lat 80. wykonywano:

• ładowanie kontrolne (informacja o rodzaju zasiarczenia płyt),
• pomiar gęstości elektrolitu,
• wylanie elektrolitu i napełnienie akumulatora wodą destylowaną,
• wstępne ładowanie 1 godz. prądem Q10,
• wylanie elektrolitu i napełnienie akumulatora wodą destylowaną,
• właściwe pierwsze ładowanie odsiarczające (26-48 godzin) prądem Q5,
• pomiar gęstości elektrolitu,
• próbę akumulatora – pomiar napięcia pod obciążeniem,
• wylanie elektrolitu i napełnienie akumulatora wodą destylowaną,
• drugie ładowanie odsiarczające (8-12 godzin) prądem Q5,
• pomiar gęstości elektrolitu,
• wylanie elektrolitu i napełnienie akumulatora elektrolitem 1,26,
• ładowanie (30 minut) prądem Q10,
• wylanie elektrolitu i napełnienie akumulatora elektrolitem 1,26,
• ładowanie (3-4 godziny) prądem Q10,
• pomiar gęstości elektrolitu.

Wykonanie tak skomplikowanej obsługi na obiektach przemysłowych jest niemożliwe. Zastąpienie tych wszystkich zabiegów ładowaniem z charakterystyką stałoprądową znacznie ułatwia zadanie (taką metodę obsługi akumulatorów opisał prof. Uwe Sauer w referacie [4], przedstawionym na konferencji w Kozienicach w 2006 roku). Metoda ta zapewnia uzyskanie rekrystalizacji dużych kryształów, ale może spowodować większą korozję kratki wsporczej elektrody dodatniej.

Regeneracja baterii akumulatorów stacjonarnych w obiektach energetycznych

Ładowanie odsiarczające dla aplikacji przemysłowych trzeba wykonać tanio, jednocześnie przy łatwej realizacji tego zabiegu, z jak najmniejszą liczbą godzin serwisowych – tak, aby było to ekonomicznie uzasadnione. W związku z tym regenerację należy wykonać automatycznie (z minimalnym czasem nadzoru) na pracującej instalacji przemysłowej (bez konieczności wypięcia akumulatorów z układu i podstawienia baterii zastępczej). Większość instalacji stacyjnych w Polsce ma jedną baterię (wyjątkiem są systemowe stacje PSE), dlatego w dalszej części artykułu zostanie przedstawiony sposób obsługi akumulatorów dla takiej konfiguracji systemu. Układ do regeneracji akumulatorów (rys. 4) zawiera dwa główne elementy: prostownik oraz przetwornicę.

Wymagania prostownika do ładowania baterii

Prostownikiem może być urządzenie będące na wyposażeniu obiektu lub serwisowe, czyli dostarczone specjalnie dla zabiegu odsiarczania, które powinno zapewnić automatyczne ładowanie odsiarczające (najlepiej bez ingerencji służb eksploatacyjnych). Musi także spełniać wszystkie wymagania zapewniające długą żywotność baterii (w tym wymogi normy EUROBAT [6] oraz zalecenia producentów baterii dotyczące stabilizacji napięcia ładowania, pulsacji napięcia i prądu ładowania, kompensacji termicznej napięcia buforowania itp.). Użytkownik powinien mieć możliwość odpowiedniego modelowania charakterystyki, gdzie przełączenia pomiędzy każdym trybem ładowania powinny być wykonywane automatycznie.

Wymagania dla przetwornicy DC/DC separującej odbiory od wysokiego napięcia

W końcowej fazie ładowania odsiarczającego należy zastosować ładowanie stałoprądowe bez ograniczania napięcia, celowe wydaje się zatem zabezpieczenie odbiorów przed zbyt wysokim napięciem przez zastosowanie przetwornicy DC/DC. Ponieważ takie wyposażenie nie jest standardem na obiektach przemysłowych, urządzenie musi być dostarczone przed rozpoczęciem prac. Przetwornica powinna być dobrana prądowo do prostownika oraz mieć przeciążalność około 150% In, w celu zapewnienia prawidłowego zadziałania zabezpieczeń. Jeżeli na obiekcie są dwie baterie (jedną można odłączyć) lub zostanie podstawiona bateria zastępcza albo odbiory mogą pracować przy wysokim napięciu, wtedy przetwornica nie jest konieczna.

Charakterystyki ładowania regeneracyjnego

Dla przykładu zostanie opisane ładowanie baterii, dla której po teście pojemności stwierdzono spadek pojemności, a jednocześnie istnieje podejrzenie, że może to być skutkiem wytworzenia się dużych kryształów siarczanów na płytach (wiek baterii nie wskazuje na możliwość wystąpienia starzenia z powodów mechanicznych). Podczas regeneracji do baterii należy dostarczyć ładunek na poziomie ok. 130-180% pojemności nominalnej (w zależności od stanu baterii trzeba ustalić, czy regeneracja ma być dłuższa czy krótsza).

● Wariant odsiarczania baterii z zapewnieniem szybkiego odzyskania pojemności dyspozycyjnej (ok. 70-80%) dla zapewnienia bezpieczeństwa odbiorów. 

W celu zapewnienia bezpieczeństwa układu, który rezerwuje bateria, przed wystąpieniem właściwej fazy odsiarczającej trzeba w miarę szybko odbudować pojemność dyspozycyjną akumulatorów. W tym przypadku nawet jeżeli wystąpi przerwa w zasilaniu w trakcie przeprowadzania odsiarczania, bateria zapewni rezerwowanie układu napięciem gwarantowanym.

Ładowanie powinno składać się z trzech faz:

1 faza: ładowanie prądem stałym I10 (10-godzinnym) – zakończenie fazy i przełączanie regulowane kryterium napięciowym, tj. osiągnięcie napięcia ok. 2,3-2,4 V/ogniwo. Zgodnie z doświadczeniem eksploatacyjnym faza ta trwa ok. 6-8 godzin.

2 faza: ładowanie stałym podwyższonym napięciem – zakończenie fazy i przełączanie regulowane kryterium prądowym, tj. do osiągnięcia prądu ok. 0,1 do 0,2 I10. Zgodnie z doświadczeniem eksploatacyjnym ta faza będzie trwała także ok. 6-8 godzin.

3 faza: ładowanie stałym prądem I = (0,1-0,2) I10 – zakończenie fazy i przełączanie powinno być regulowane kryterium czasowym. Czas powinien być tak wyliczony, aby do baterii wtłoczyć 130-180% pojemności dyspozycyjnej.

Rys. 5. Krzywa ładowania akumulatora kwasowego, charakterystyka IUI

Przykład: Dla baterii o pojemności C10 = 75 Ah (przy Uk=1,8 V/ogniwo, T = 20oC), charakterystyka
może być dobrana w następujący sposób:

1 faza: ładowanie prądem stałym. Ograniczenie prądowe nastawione dla prądu 10-godzinnego, czyli I10 = 7,5 A – przełączenie przy osiągnięciu napięcia 2,4 V/ogniwo. W tej fazie do baterii wprowadzimy 6 h × 7,5 A = 45 Ah.

2 faza: ładowanie napięciem (2,4 V/ogniwo). Przełączenie nastąpi, jeżeli prąd osiągnie 20% I10, czyli 2 A. W tej fazie do baterii wprowadzimy 6 h × średnio 3 A = 18 Ah. 

3 faza: ładowanie prądem stałym 2 A – przełączenie kryterium czasowym. Wyliczenie czasu: (150% × 75 Ah – (45 Ah + 18 Ah)) /2 A = 24,75 h.

Wyjaśnienie formuły: 150% × 75 Ah – tyle ładunku trzeba wprowadzić do baterii, czyli 150% pojemności nominalnej. Odejmujemy (45 Ah+18 Ah), ponieważ tyle Ah zostało wprowadzone już do baterii w fazie 1 i 2. Wynik zostaje podzielony przez 2 A, ponieważ przy takim prądzie odsiarczającym wykonujemy fazę 3.

● Wariant charakterystyki do odsiarczenia baterii obejmuje tylko 1 fazę: ładowanie stałym prądem 1 A, przełączenie kryterium czasowym. Wyliczenie czasu: (130% × 75 Ah)/1 A = 97,5 h (ok. 4 dni). Wyjaśnienie formuły: 130% × 75 Ah – tyle ładunku chcemy wprowadzić do baterii, czyli 130% pojemności nominalnej. Wynik zostaje podzielony przez 1 A, ponieważ przy takim prądzie odsiarczającym wykonujemy tę fazę.

TABELA I. Wyniki napięć z testu pojemności 1:

Przykład odsiarczania baterii akumulatorów kwasowo-ołowiowych wycofanej z obiektu z powodu utraty pojemności

W celu potwierdzenia skuteczności opisywanej strategii ładowania, przeprowadzono odsiarczanie baterii złomowanej z obiektu PKP, typu VRLA-AGM, o pojemności 10-godzinnej 75 Ah i napięciu nominalnym 220 V DC. Bateria składała się z 17 bloków, każdy o napięciu 12 V. Akumulatory zostały wycofane z eksploatacji pięć lat temu, z powodu utraty pojemności dyspozycyjnej (stwierdzono wtedy zaledwie ok. 50% pojemności znamionowej). Podjęto decyzję o zastąpieniu baterii nową i po wycofaniu z eksploatacji przez kolejne lata używano tej baterii jako rezerwowej. Akumulatory stały w magazynie i tylko sporadycznie były ładowane. Z tego powodu zasiarczenie baterii było bardzo wysokie.

Na wstępie bateria została naładowana charakterystyką IU i pozostawiona na ładowaniu buforowym. Po tygodniu przeprowadzono pomiar pojemności przez rozładowanie prądem 10-godzinnym (7,5 A). Pierwszy blok został wyłączony z pomiaru po 15 minutach, gdyż osiągnął napięcie końcowe rozładowania poniżej 10 V, czyli 1,66 V na ogniwo 2 V. Kolejny blok został wyłączony po godzinie. Jednocześnie bateria uzyskała napięcie końcowe 187 V DC, tj. 15% poniżej napięcia nominalnego. Z tego wynika, że pojemność dyspozycyjną baterii można ocenić na zaledwie 10% pojemności oczekiwanej.

Wyniki tego wstępnego pomiaru zostały przedstawione w tabeli I. Można z nich wyciągnąć następujące wnioski: ogniwo nr 14 jest bardzo zasiarczone, co wskazuje na trwałe uszkodzenie (pojemność dyspozycyjna wynosi zaledwie 10% wartości znamionowej). Ponadto bateria wykazywała duży rozrzut napięć podczas pracy buforowej. Przy średnim napięciu buforowania2,25 V na ogniwo 2 V, blok nr 14 (jest to blok zniszczony) miał bufor 2,18 V na ogniwo 2 V, natomiast pozostałe ogniwa miały rozrzut od napięcia minimalnego 2,18 V na ogniwo 2 V (nr 16, 17) do 2,30 V na ogniwo 2 V (nr 12, 15). Procentowy rozrzut następował od -4 do +2% (liczony od wartości średniej). Następnie przez 4 dni bateria była formowana ładowaniem odsiarczającym, czyli prądem stałym 1 A. 

Podczas ładowania bateria osiągnęła napięcia przedstawione w tabeli II. Można zauważyć, że na koniec pierwszego dnia ładowania średnie napięcie na ogniwo 2 V, liczone dla całej baterii, wzrosło do 2,460 V, a potem zaczęło nieznacznie spadać. W ostatnim dniu ładowania napięcie końcowe ładowania osiągnęło średnią wartość 2,403 V na ogniwo.

Po ładowaniu regeneracyjnym baterię pozostawiono przez tydzień na ładowaniu buforowym, a następnie przeprowadzono ponownie rozładowanie kontrolne. Wyniki z tego rozładowania zestawiono w tabeli III. 

Jaki był efekt tego działania? Odsiarczanie nie zmieniło pojemności ogniwa nr 14, które było kompletnie zniszczone i także po 15 minutach było już rozładowane. Wszystkie pozostałe ogniwa zwiększyły swoją pojemność 3-krotnie. Pojemność baterii wzrosła do 30% pojemności znamionowej. Ponadto bateria wykazywała mniejszy rozrzut napięć podczas pracy buforowej. Przy średnim napięciu buforowania 2,29 V na ogniwo 2 V, blok nr 14 (tj. zniszczony) miał bufor 2,21 V na ogniwo 2 V, natomiast pozostałe ogniwa miały rozrzut od napięcia minimalnego 2,24 V na ogniwo 2 V (nr 17) do 2,32-2,33 V na ogniwo 2 V (nr 12, 15). Procentowy rozrzut był więc mniejszy: od -2 do +1% (liczony od wartości średniej). 

TABELA II. Wyniki napięć z formowania odsiarczającego baterii prądem 1 A:

Rys. 6. Ładowania akumulatora kwasowego opisane w artykule [4]

TABELA III. Wyniki napięć z testu pojemności 2:

Z badania można wyciągnąć jeszcze jeden wniosek. Przy analizie nie powinno się brać pod uwagę bloku nr 14, ponieważ jest to akumulator zniszczony mechanicznie i żadna regeneracja nie zmieni jego parametrów. Bez tego bloku w początkowym badaniu pojemności (zgodnie z tabelą I) najszybciej napięcie obniżył blok nr 3. Po regeneracji (zgodnie z tabelą III) najszybciej napięcie obniżył blok nr 10. Wniosek jest prosty – regeneracja dla bloku 10 nie przebiegła należycie. Dlaczego? Odpowiedź na to pytanie znajduje się w tabeli II, czyli w rozkładzie napięć na blokach podczas regeneracji.

Podczas gdy na pozostałych blokach średnie napięcia na ogniwa 2 V utrzymywały się na poziomie 2,4 V, dla bloku 10 takie napięcie było znacznie niższe – osiągało wartość zaledwie 2,28 V. Dla akumulatorów formowanych prądowo w napięciu ok. 2,4 V na ogniwo 2 V regeneracja przebiegła prawidłowo.

Dla bloku 10 napięcie (i związku z tym gęstość) było zaniżone i z tego powodu rekrystalizacja nie przebiegła tak dobrze jak dla po- zostałych bloków. To także świadczy o tym, że regeneracja wykonana tylko przy napięciu buforowym lub nieznacznie wyższym od niego nie przynosi zamierzonego efektu.

Przykład odsiarczania zniszczonej baterii 

W artykule [4] prof. Sauer przedstawił przykład zupełnie zniszczonej i zasiarczonej baterii VRLA (żelowej), której pojemność początkowa była na poziomie 5% pojemności znamionowej. Ładowanie baterii według klasycznej charakterystyki U lub IU nie dało żadnego efektu. Są to cykle 1-7. Po każdym z tych cykli zrobiono test pojemności. Pojemność utrzymywała się na poziomie 7-10%, czyli praktycznie nie zmieniła się. W cyklu 8 przeprowadzono ładowanie charakterystyką UI (stałym napięciem 2,4 V ogniwo, stałym prądem 20% I10, napięcie było uwolnione). Po tym zabiegu pojemność wzrosła do 50%. 

 Dalsze cykle (8 i 9) rozładowania i ładowania wg klasycznej charakterystyki potwierdzają, że pojemność utrzymała się. W cyklu 10 przeprowadzono ładowanie charakterystyką IUI (stałym prądem 10-godzinnym I10, stałym napięciem 2,4 V na ogniwo, stałym prądem 20% I10, bez ograniczenia napięcia). Po tym ładowaniu pojemność wzrosła do 70% pojemności znamionowej. Cykle 10 i 11 potwierdzają utrzymywanie się tej pojemności. W cyklu 12 przeprowadzono ładowanie charakterystyką IUI (stałym prądem 10-godzinnym I10, stałym napięciem 2,4 V ogniwo, stałym prądem 20% I10, bez ograniczania napięcia). Po tym ładowaniu pojemność wzrosła do 80-90% pojemności znamionowej. Cykle 13-22 potwierdzają utrzymywanie się tej pojemności. 

Zakończenie

Sposób eksploatacji baterii akumulatorów kwasowo-ołowiowych – szczególnie dla nowych, delikatnych (i niestety, podatnych na zniszczenie) technologii akumulatorów oraz szybkie reagowanie ich na utratę pojemności ma decydujący wpływ na żywotność obiektową urządzeń. Jest to szczególnie ważne dla akumulatorów żelowych i AGM z rekombinacją gazów, z zaworami (VRLA), z elektrolitem uwięzionym. Akumulatory te mają tendencję do przedwczesnej utraty pojemności (efekt PCL) i koniecznie efekt ten należy eliminować na początku. Jeżeli czynności zostaną wykonane zasilaczami w trybie automatycznym, to oszczędności dla użytkownika będą bardzo wyraźne. Baterie akumulatorów będą służyły znacznie dłużej, a nakłady eksploatacyjne będą niewiele większe.

Zastosowanie omówionej metody regeneracji można przeprowadzić automatycznie tylko przy zastosowaniu odpowiedniego prostownika. Rozpuszczenie dużych kryształów siarczanów jest skuteczne tylko wtedy, jeżeli wykonuje się ładowanie stałoprądowe, małym prądem, ale przy wysokim napięciu (znacznie przekraczającym buforowe). Prąd powinien być ograniczony do wartości 10-20% prądu 10-godzinnego akumulatora, bez ograniczania napięcia ładowania.

Regenerację należy przeprowadzać sporadycznie w przypadku znacznego obniżenia się pojemności akumulatorów lub stale, zapewniając stałą, pełną rekrystalizację. W tym drugim przypadku trzeba jednak zapobiec efektom ubocznym, jakim jest wzmożona korozja kratki elektrody dodatniej. W takim przypadku, w celu wyeliminowania tego niekorzystnego zjawiska, należałoby obniżyć napięcie buforowania.

LITERATURA
[1] Świątek J.: Przedwczesna utrata żywotności akumulatorów VRLA, metody diagnostyki ich uszkodzeń. Wiadomości Elektrotechniczne 2004 nr 7-8
[2] Kretzschmar F.E.: Akumulatory kwasowo-ołowiowe – własności użytkowe i niedomagania. PWT, Warszawa 1954
[3] Berendt D.: Maintenance-Free Batteries 2ed edition. Research Studies Press Ldt. 1997
[4] Sauer D.U.: Charging strategies and maintenance for stationary lead-acid batteries. IX Międzynarodowa Konferencja „Nowoczesne Urządzenia Zasilające w Energetyce”, Kozienice 2006
[5] http://www.elektroda.pl/
[6] EUROBAT – zbiór pojęć podstawowych dla ogniw i baterii ołowiowo-kwasowych. COSiW SEP 2002