Acumulatorul cu Plumb

Introducere

Bateria este un dispozitiv ce transformă energia chimică în energie electrică și viceversa. Bateriile pot fi cu o celulă, multicelulă sau pachete. Bateriile primare sunt de unică folosință și nu se pot reîncărca. Bateriile secundare sunt cele reîncărcabile. Conectarea în serie sau paralel asigură tensiunea și curenții la nivelele oferite de baterie. Bateriile pot avea energie mare (baterii de rezervă) sau putere mare (baterii de pornire), dar nu ambele simultan.

Lucrarea de față își propune să descrie un sistem de management de baterii.

Un sistem de management de baterii este un sistem electronic care gestionează o baterie reîncărcabilă (celule sau acumulator pachet).

Un sistem de management de baterii poate monitoriza starea bateriei reprezentată de diverse elemente, cum ar fi:

Tensiune: Tensiune totală, tensiuni ale celulelor individuale, tensiune minimă sau maximă pe celule.

Temperatura: temperatura medie, temperatura de admisie a lichidului de răcire, temperatura de ieșire a lichidului de răcire sau temperaturi ale celulelor individuale.

Starea de încărcare sau adâncimea de încărcare: pentru a indica nivelul de încărcare al bateriei

Starea de viață: o măsură variat definită a stării generale a bateriei

Debitul lichidului de răcire: pentru baterii de răcire cu aer sau lichid

Debitul de curent: curentul din interiorul sau din exteriorul bateriei.

Primul capitol include noțiuni de descriere generală a acumulatorilor, noțiuni de funcționare, precum și caracteristici ale acumulatorilor.

În cadrul lucrării, capitolul al doilea conține informații referitoare la metodele moderne de evaluare a stării acumulatorilor. Tot în această secțiune a lucrării sunt descriși algoritmi avansați de gestionare a consumului.

În capitolul al treilea va fi descrisă aplicația propriu-zisă, ce include partea de funcționalitate hardware cât și partea de funcționalitate software.

Capitolul al patrulea va avea ca scop descrierea măsurărilor și a simulărilor efectuate pentru testarea circuitului.

În ultimul capitol se vor prezenta câteva concluzii aduse în urma realizării acestui proiect.

Capitolul I – Generalități

Descrierea acumulatoarelor cu plumb.

Numele de ,,acumulator” vine de la a acumula, a strânge. Cuvântul nu redă precis ceea ce se întâmplă din punct de vedere electric.

În acumulator, electricitatea nu se strânge, ci se preface în energie chimică. Acumulatorul lucrează ca și un element galvanic, ai cărui electrozi însă se refac mereu prin niște fenomene electrolitice. Acumulatorii se mai numeau și elemente secundare, spre a se deosebi de elementele primare(galvanice).

Electrolitul este acid sulfuric pur, diluat cu apă distilată. În comerț, acest acid gata diluat se numește acid de acumulatori. Dacă scufundăm în acest acid două plăci așezate față în față și supuse unui potențial de cel puțin 3 volți, se produce o descompunere a acidului diluat, după urma căruia iau naștere oxigen și hidrogen. Hidrogenul care se produce în polul minus, se pierde în aer, însă oxigenul dă cu electrodul respectiv supraoxid de plumb. Lui Plante îi revine meritul de a fi mărit capacitatea plăcilor prin ,,formare”. El s-a apucat după prima încărcare, să încarce în sens invers. Prin aceasta, supraoxidul de plumb se reduce de către hidrogen, adică se transformă în plumb metalic, în timp ce pe placa cealaltă se produce supraoxid. Plumbul redus este buretos, spongios, așa că repetând operația de mai multe ori, ambele plăci se fac buretoase, își măresc deci suprafața și capacitatea. În timpul descărcării, acidul se diluează, slăbește. În timpul încărcării, sulfatul se descompune din nou în supraoxid și acid sulfuric.

Cei mai mulți dintre oamenii de știința situează invenția bateriei in jurul anului 1800, pe când experimentele lui Alessandro Volta au generat curent electric din reacții chimice intre elemente diferite. Pila voltaică originală folosea discuri din zinc si argint si un separator poros dintr-un material non-conductor. Plumbul se situează printre primele metale folosite de oameni, utilizarea lui datând din 6500 Î.Hr. Plumbul, prin proprietățile sale naturale precum masa, punctul de topire scăzut, maleabilitatea, rezistența la coroziune, proprietăți electrice. Un element de acumulator este compus întotdeauna dintr-un vas conținând un electrolit în care se găsesc doi electrozi, unul pozitiv si altul negativ.

Electrozii au forma de plăci: plăci negative si plăci pozitive. Într-un element se pot găsi mai multe placi identice. Plăcile cu aceeași polaritate sunt prinse laolaltă in grupuri de plăci, cu ajutorul unei punți. În vas, plăcile grupului pozitiv se găsesc între plăcile grupului negativ, de care sunt izolate prin piese separatoare. Montarea elementului se realizează folosind diverse piese si materiale accesorii. Electrolitul este întotdeauna o soluție apoasă de acid sulfuric. O baterie de acumulatori este formată din mai multe elemente cu polii conectați în serie sau în paralel, prin legături sudate sau înșurubate.

Polii terminali ai unei baterii se mai numesc si bornele ei.

Procesul de fabricație începe prin producția carcaselor(monobloc):

Vase. Vasele elementelor pot fi din sticlă, ebonită, materiale termoplastice, lemn căptușit cu plumb, polipropilenă.

Vasele de sticlă de dimensiuni mici se obțin prin presare în forme. Au abateri mici fața de dimensiunile prevăzute si pot fi închise cu capace etanșe. Vasele de sticlă mari au abateri dimensionale mai mari, nu pot fi închise etanș si sunt suflate.

Vasele de ebonită se realizează manual și în cazul acesta sunt unicelulare sau prin presare in forme cu una, trei, șase sau chiar mai multe celule. Vasele de lemn căptușite cu plumb sunt folosite numai la elementele foarte mari. Vasele se realizează din scânduri de brad încheiate pe muchii și se căptușesc in interior cu benzi de plumb de 1,5-3mm grosime, ce se îmbină etanș prin sudură.

Plăci. Plăcile de orice natură se compun din suport si materie activă.

Suportul asigura rezistența mecanică a plăcii și forma acesteia. Acesta reprezintă totodată rețeaua conductoare a curentului electric intre materia activă a plăcii și circuitul exterior. Materia activă menține fenomenele electrochimice la încărcare si descărcare. Aceasta se poate forma natural, direct din metalul suportului. Materia activă se pregătește separat sub formă de pastă si se aplică pe suport rezultând in acest fel plăci cu materie activă raportată.Plăci de mare suprafață numite astfel din pricina fantelor dese ale suportului de plumb. Materia activă a acestora se obține prin formare naturală din plumbul moale al suportului. Sunt utilizate numai ca plăci pozitive.

Plăcile cu materia activă raportată utilizează suporturi in formă de grătare, tuburi sau saci. Plăcile sac, utilizate numai ca plăci negative ale plăcilor pozitive de mare suprafață, se compun din doua grătare nituite.

Plăcile grătar au suportul dintr-un aliaj de plumb cu antimoniu, dispus in formă de grătar. Acest grătar reține materia activa in fagurii săi. Aceste plăci pot fi negative sau pozitive. Plăcile tubulare au materia activă introdusă in tuburi de ebonită sau PVC, cu fante foarte fine. Tuburile pot fi realizate și din împletituri de fire sintetice cu ochiuri foarte mici.

Electrolitul este pregătit la densitatea necesară amestecând acid sulfuric de concentrație cunoscută, cu apă distilată. Concentrația electrolitului este raportul dintre greutatea acidului sulfuric si greutatea apei distilate. Electrolitul utilizat la acumulatoare are o densitate cuprinsă intre 1,08 si 1,30 în funcție de construcția elementului. În cazul acumulatoarelor staționare, unde volumul elementelor si greutatea nu reprezintă un impediment pentru instalație, se utilizează o cantitate mai mare de electrolit cu densitate mai mică. In cazul acumulatoarelor pentru tracțiune la care greutatea și volumul ocupat de acumulator au o importantă deosebita, se întrebuințează o cantitate mai mică de electrolit cu densitatea mai mare.

Funcționarea acumulatorului cu plumb.

1.2.1 Generalități

Reacțiile chimice si electrochimice reversibile din cursul încărcării si descărcării sunt explicate de teoria dublei sulfatări. La descărcare, reacțiile au loc între materia activă a plăcii pozitive, bioxidul de plumb PbO2, acidul sulfuric H2SO4 si materia activă negativă, plumbul spongios Pb astfel:

PbO2 + 2 H2SO4 + Pb 2 PbSO4 + 2 H2O (1.1)

La descărcare, bioxidul de plumb se reduce deoarece se află la anod si plumbul rămas se combină cu ionul SO42- al primei molecule de acid sulfuric si formează sulfat de plumb PbSO4. Molecula de O2 se combină cu ionii de hidrogen ai celor două molecule de acid sulfuric alcătuind doua molecule de apă. Plumbul spongios de la catod se oxidează luând ionul SO42- provenit prin disocierea electrolitică a celei de a doua molecule de acid sulfuric si formează sulfat de plumb. Combinarea ionului SO42- cu plumbul plăcilor și apariția moleculelor de apă fac ca densitatea electrolitului să scadă în timpul descărcării.

În timpul încărcării fenomenele decurg în sens invers. Sulfatul de plumb al plăcii pozitive cedează ionul SO42- care formează cu hidrogenul uneia din moleculele de apă o moleculă de acid sulfuric și plumbul se oxidează redobândind molecula O2 de la cele două molecule de apă. Sulfatul de plumb al plăcii negative se reduce si formează acid sulfuric cu hidrogenul celei de a doua molecule de apă. Concentrația electrolitului se mărește și revine la valoarea inițială.

Funcționarea acumulatorului cu plumb este manifestată prin tensiunea utilă la bornele elementului, prin curentul debitat si capacitatea rezultată la descărcare. Reacțiile ce au loc între materia activă, pozitivă și electrolit se petrec de la începutul si până la sfârșitul încărcării respectiv a descărcării precum și in repaus în condițiile de variație continuă a stărilor moleculare, concentrației electrolitului si a temperaturii. Fenomene ca circulația continuă a electrolitului, urmare a participării lui la reacții, variația rezistenței electrice interioare a elementului, reacțiile parazitare, pasivizarea materiei active negative fac necesară cercetarea in amănunt a acestor fenomene și a înlănțuirii efectelor lor.

1.2.2 Caracteristicile electrice ale acumulatoarelor cu plumb

Pentru ca acumulatoarele să poată fi folosite în bune condiții la alimentarea aparatelor ele trebuie să îndeplinească următoarele condiții, și anume:

– forța electromotoare trebuie să fie cât mai mare și să varieze cât mai puțin la încărcare și descărcare;

– cedarea energiei să se facă astfel încât energia acumulată să fie debitată în totalitate;

– rezistența interioară să fie cât mai mică;

– capacitatea să fie cât mai mare, pentru o anumită greutate și un volum dat;

– acumulatorul să se auto-descarce cât mai puțin;

– costul acumulatorului să fie minim.

1.2.3 Tensiunea

Tensiunea elementului rezultă din potențiale electrice ale celor doi electrozi față de electrolit. Metalele, așa cum se știe, au potențiale de electrod caracteristice, iar cuplurile galvanice utilizate sunt combinate ori cu două metale diferite ori cu același metal în stări deosebite de oxidare, având potențiale de electrod diferite, astfel încât elementul constituit să prezinte o diferență de potențial adică o tensiune electromotoare E. Tensiunea electromotoare a cuplului galvanic Pb-PbO2 depinde de potențialul electrodului pozitiv care crește cu densitatea electrolitului si de potențialul electrodului negativ a cărei valoare scade cu densitatea electrolitului. Potențialul electrodului pozitiv fiind dominant, tensiunea electromotoare crește liniar cu densitatea.

Valorile potențialelor de electrod e+ si e- pot fi calculate cu aproximație folosind următoarea formulă empirică unde d este densitatea electrolitului:

(1.2)

(1.3)

Pentru tensiunea electromotoare E rezultă valoarea:

(1.4)

Tensiunea electromotoare variază cu temperatura, schimbul de sarcini electrice fiind mai activ la temperaturi ridicate. Valorile tensiunii electromotoare funcție de densitatea și temperatura electrolitului se referă la electrolitul din porii materiei active.

Procesul de descărcare este întreținut si limitat de cantitatea de materie activă care se poate sulfata, dar depinde și de cantitatea de acid sulfuric disponibilă în porii materiei active, deci de difuziune. Acest fenomen are un rol deosebit de important in funcționarea acumulatorului, deoarece determină valoarea tensiunii la borne.

Procesul de descărcare angajează materia activă progresiv în adâncime. Sulfatul de plumb, având densitate mai mică decât plumbul, ocupă un volum mai mare, micșorează porozitatea materiei active si împiedica astfel pătrunderea în placi a electrolitului necesar reacțiilor. De aceea, în orice moment al descărcării, electrolitul din porii materiei active va avea densitatea mai mică decât electrolitul din vas.

La încărcare, fenomenul se petrece în sens invers, electrolitul concentrat format în porii materiei active sulfatate, deci cu porozitate micșorată, va avea tot timpul densitatea mai mare decât electrolitul din vas.

Acidul concentrat difuzează continuu spre cel diluat. Difuziunea nu încetează după întreruperea curentului, ci continuă până când concentrația electrolitului din vas și a celui din porii materiei active au valori egale.

Tensiunea U la bornele elementului, utilizată în circuitul exterior, este legată de tensiunea electromotoare prin relațiile:

la descărcare și la încărcarea acumulatorului, unde rI este căderea de tensiune interioară, Ep este tensiunea electromotoare de polarizare, ambele măsurate in volți, r este rezistența interioară a acumulatorului si I este curentul care trece prin acumulator.

Căderea de tensiune rI micșorează tensiunea la descărcare și o mărește la încărcarea acumulatorului.

La terminarea încărcării curentul de încărcare produce disocierea apei din electrolit în hidrogen si oxigen. Acestea rămân în parte pe plăci si formează cu ele mici elemente galvanice locale a căror tensiune electromotoare, denumită de polarizare, este in opoziție cu tensiunea electromotoare a acumulatorului. Tensiunea electromotoare de polarizare depinde de valoarea curentului, de concentrația și temperatura electrolitului, de construcția și starea materiei active a acumulatorului, de difuziune.

La întreruperea curentului, căderea de tensiune interioară a acumulatorului este egală cu zero, iar Ep se anulează după un timp în care gazele se desprind de pe plăci și polarizarea dispare. Legând la bornele elementului un voltmetru, elementul va fi străbătut de un curent I de descărcare, determinat de rezistența aparatului de măsurat. Aceasta, fiind foarte mare, curentul I va fi mic, deci căderea de tensiune precum si tensiunea electromotoare de polarizare ale acumulatorului neînsemnate. Tensiunea la borne va fi foarte puțin diferită de tensiunea electromotoare a elementului de acumulator. Trebuie reținut că tensiunea fiind mai mare în timpul încărcării decât în repaus și în repaus mai mare decât in timpul descărcării, este necesar să se indice în care dintre aceste situații s-a executat măsurarea tensiunii la borne. Tensiunea în circuit deschis a unui acumulator este practic egală cu tensiunea electromotoare. Valoarea tensiunii la borne arată starea reală de încărcare a acumulatorului numai dacă a fost măsurată după ce difuziunea și-a făcut efectul, deoarece tensiunea este mai mare decât valoarea reală îndată după întreruperea încărcării și mai mică imediat după întreruperea descărcării.

Descărcările parțiale cu curent de valoare normală sau descărcările scurte cu curenți mari nu duc la sulfatări pronunțate, iar densitatea electrolitului nu scade prea mult. După câteva minute de la întreruperea acestor descărcări tensiunea nu are valoare mult diferită de aceea a acumulatorului încărcat. După descărcări parțiale de 15%, 40% si chiar 60% din capacitatea nominală, un voltmetru conectat la bornele unui acumulator scos din circuitul de utilizare nu arată tensiuni suficient de diferite pentru aprecierea stării reale de descărcare.

Tensiunea la borne la descărcare variază în funcție de curent și timp. Sulfatarea micșorează continuu porozitatea materiei active si stânjenește difuziunea, densitatea electrolitului fiind tot mai mica, tensiunea electromotoare scade la rândul ei.

Cantitatea de sulfat de plumb angajată in procesul de transformare a materiei active este direct proporțională cu cantitatea de electricitate debitată de acumulator. Distribuirea sulfatului de plumb in materia activă nu este întotdeauna omogenă. La descărcări lente cu curenți mici, difuziunea poate să aducă acidul necesar descărcării, adânc si uniform in toata materia activă. Cantitatea de acid necesară este mare, iar densitatea electrolitului din vas scade continuu si lent.

La descărcări cu curent mare, difuziunea nu poate satisface cerințele mari de acid sulfuric decât la suprafața plăcilor unde are loc o sulfatare intensă ceea ce provoacă micșorarea porozității materiei active și implicit a difuziunii, scăderea accentuată a concentrației electrolitului din materia activă, deci și a tensiunii electromotoare. De aceea, o dată cu creșterea curentului debitat, curba tensiunii la descărcare se înclină tot mai mult. Tensiunea limită la care descărcarea trebuie oprită este tot mai devreme atinsă.

După descărcări prelungite cu curenți mici până la tensiunea minima admisă, acumulatorul este complet epuizat și trebuie reîncărcat, pe când după descărcări cu curenți mari sau după descărcări parțiale cu curenți mici, materia activă și electrolitul mai au încă posibilitatea să participe la reacții.

La începutul descărcării, tensiunea la borne are variații însemnate de valoare pricinuite de acțiunea întârziată a difuziunii. Din această cauză măsurarea tensiunii se face după stabilizarea ei. Se folosesc termenii: tensiune inițială, măsurată după trecerea a 10% din durata descărcării (sau a numărului de Ah descărcate); tensiune finală limită obligatorie a descărcării; tensiune medie calculată, pentru a servi ca termen de comparație la descărcări cu curenți diferiți a acumulatoarelor de tip diferit.

Temperatura are o influență hotărâtoare asupra funcționării acumulatorului. Cu cât este mai ridicată temperatura, tensiunea are valori mai mari, durata descărcării este mai mare, cantitatea de electricitate debitată este mai mare și implicit sulfatarea mai pronunțată și mai adâncă. Măsurarea temperaturii are deosebită importanță deoarece performanțele acumulatorului trebuie referite la o anumită temperatură considerată normală. Tensiunea în timpul încărcării crește imediat după închiderea circuitului, deoarece la tensiunea electromotoare a elementului se adaugă căderea de tensiune interioară a acumulatorului. Valoarea curentului de încărcare are aceeași influență asupra tensiunii ca la descărcare.

Electroliza apei este un fenomen întâlnit numai la încărcare. Se ajunge la electroliza apei pe doua căi: prin creșterea progresivă a tensiunii electromotoare în cursul procesului normal de încărcare sau datorită unei căderi de tensiune exagerate. După începerea degajării de gaze tensiunea la borne însumează și tensiunea electromotoare de polarizare, deci crește mult, iar gazele degajate agită electrolitul asemănător unei fierberi. Efectul vizibil al electrolizei, fierberea, începe întâi la plăcile negative apoi la cele pozitive și este din ce în ce mai vie către sfârșitul încărcării.

La încărcarea cu curenți exagerați de mari sau dacă rezistența interioară are valoare neobișnuit de mare, efect al unei sulfatări pronunțate, este posibil ca fierberea să înceapă din primul moment al încărcării arătând că acțiunea de încărcare este neînsemnată sau chiar nulă. După întreruperea încărcării, fierberea încetează, tensiunea capătă valoarea corespunzătoare concentrației electrolitului.

1.2.4 Rezistența electrică interioară

Rezistența electrică totală a unui acumulator însumează rezistențele parțiale ale plăcilor, separatoarelor, electrolitului, punților de grupare, bornelor și legăturilor dintre elemente. Rezistența interioară este foarte mică și la curenți mici poate fi neglijată. La curenți mari, rezultă însă căderi de tensiune care trebuie luate în considerare. Rezistența interioară a elementelor variază în limite foarte mari. În porii materiei active, însă la sfârșitul descărcării, rezistivitatea este de 5-10 ori mai mare.

Rezistența plăcilor după descărcarea completă a elementului este de două-trei ori mai mare decât rezistența plăcilor elementului încărcat, aceasta datorită sulfatului de plumb care este rău conducător de electricitate. Plăcile cu oxizi raportați au o rezistență mai mare decât plăcile de mare suprafață.

Gazele degajate după depășirea tensiunii de 2.4 V creează tensiuni electromotoare de polarizare, iar prezența bulelor de oxigen și hidrogen pe plăci provoacă mărirea rezistenței electrice interioare a elementului.

Rezistența pieselor metalice de legătură între plăci și elemente (punți, borne, legături) este in general mică. Rezistența electrică a metalelor crește cu temperatura, în timp ce rezistența electrolitului scade. Întrucât dintre rezistențele parțiale, rezistența electrolitului este dominată, aceasta determină modul de variație cu temperatura a rezistenței interioare totale.

Trebuie menționat cazul în care îmbinarea prin sudare sau înșurubare a pieselor metalice de legătură nu este executată corect și are drept urmare o conductivitate electrică redusă; în aceste cazuri temperatura îmbinărilor crește. Căderea de tensiune la temperatură normală și cu atât mai accentuat la temperaturi ridicate este foarte importantă la descărcările cu curenți mari, deoarece pierderea în piesele metalice străbătute de curent este de valoare mare la curenți puternici.

1.2.5 Capacitatea

Cantitatea de electricitate, restituită de un acumulator în anumite condiții, reprezintă capacitatea sa și se măsoară în amper-ore(Ah). Capacitatea acumulatoarelor, reprezentând produsul dintre curentul și timpul de descărcare, este o cantitate de electricitate care, după cum se știe din electrotehnică, se notează în general cu Q. Pentru o utilizare uzuală în domeniul acumulatoarelor, vom nota capacitatea cu C.

Capacitatea este influențată de toți factorii determinați în funcționarea acumulatorului: cantitatea de materie activă, grosimea plăcilor, porozitatea materiei active, difuziunea, cantitatea, concentrația și temperatura electrolitului din vas, intensitatea curentului care străbate elementul, gradul de formare electrochimică a materiei active.

Procesul de restituire a cantității de electricitate primită de acumulator este legat deci de condiții privind îndeosebi tensiunea în descărcare. Materia activă aflată pe plăci nu poate fi folosită, practic, niciodată în întregime. Porozitatea materiei active nu poate fi identică în toată masa ei, iar partea în contact direct cu electrolitul este învăluită de sulfatul de plumb produs la începutul descărcării.

Capacitatea variază cu temperatura de funcționare a elementului, temperatura are influență asupra densității și vâscozității electrolitului, deci asupra difuziunii si deci asupra tensiunii acumulatorului. Capacitatea variază cu curentul de descărcare, în aceeași măsură ca și tensiunea la borne și din aceleași motive: curenții mari angajează parțial materia activă, tensiunea scade, descărcarea trebuie oprită. Capacitatea acumulatorului depinde în mare măsură de starea lui. Gradul de formare a materiei active, condițiile de utilizare, uzura modifică foarte mult valoarea capacității.

1.2.6 Randamentul

Randamentul acumulatorului se exprimă ca fiind raportul cantităților de electricitate primită si restituită de acumulatorul electric. Valoarea randamentului măsurată ca fiind raportul capacităților în amper-ore nu arată dacă funcționarea acumulatorului este normală, deoarece nu ține seama de tensiunea la borne. Când capacitatea este micșorată din diferite cauze, acest raport poate avea valori mari, deși funcționarea acumulatorului nu este normală. Acumulatorul descărcat excesiv, deci sulfatat adânc, are tensiunea la descărcare mai mică și la încărcare mai mare decât normală, randamentul fiind astfel micșorat.

Valoarea inversă a randamentului, adică raportul dintre amper-orele încărcate si amper-orele descărcate se numește factor de încărcare și reprezintă pierderile din acumulator, printre care cele pentru degajarea de gaze la sfârșitul încărcării. Factorul de încărcare este un indice folosit larg la exploatarea acumulatoarelor electrice. Acumulatorul cu plumb nu lucrează ca o pilă reversibilă. De aceea, cantitatea de energie consumată pentru încărcare este mai mare decât cantitatea de energie care se obține în timpul descărcării.

1.2.7 Autodescărcarea acumulatoarelor cu plumb

Acumulatorul este sediul unor procese în permanență manifestate independent de circuitul de utilizare, în timpul încărcării, al descărcării și chiar în repaus. Aceste procese poartă numele de autodescărcare, efectul lor fiind în primul rând o pierdere continuă din încărcarea electrică a acumulatorului. În al doilea rând uzura pricinuită de aceste procese se adaugă uzurii normale a acumulatorului și-i micșorează durata de funcționare.

Cauzele autodescărcării sunt de natură chimică și electrochimică. Scurtcircuitele în interiorul acumulatorului datorate separatoarelor perforate, scurgerile în exterior prin punctele de izolare defectuoasă provoacă descărcarea inutilă a ambelor feluri de plăci (de aceea acumulatoarele uzate sau rău întreținute au autodescărcarea sporită).

Alte cauze ale autodescărcării sunt acțiunile locale, denumite astfel deoarece se manifestă între plăci sau chiar între diferitele porțiuni ale aceleiași plăci. Ele pot fi chimice, când apare atacarea plăcilor de către impuritățile pătrunse accidental în electrolit sau când există o atacare a plumbului de către acidul sulfuric din electrolit. Atunci când densitatea si temperatura acidului au valori mari, anormale, situație rezultată dintr-o întreținere rea, dar posibilă la supraîncărcarea cu curenți mari, se poate ajunge la distrugerea plăcilor.

1.3 Încărcarea și descărcarea acumulatoarelor cu plumb.

1.3.1 Încărcarea acumulatoarelor. Condiții generale.

Se leagă polul plus (+) al bateriei cu polul plus (+) al unei surse de curent continuu și polul minus (-) al bateriei cu polul minus (-) al sursei.

Începerea încărcării. Bateria trebuie încărcată la două, trei ore după o descărcare importantă. O întârziere de două-trei zile poate aduce neajunsuri stării substanțelor active ale plăcilor, în special celor pozitive.

Polaritatea acumulatoarelor. Trecerea unui curent de încărcare în sens invers celui normal (când polul + al sursei nu este legat de polul + al acumulatorului) duce la schimbarea polarității acumulatorului. Materia activă a plăcilor negative se oxidează formând bioxid de plumb, iar cea a plăcilor pozitive se reduce formând plumb spongios. Pentru a preîntâmpina neajunsurile inversării de polaritate, semnele + si – sunt marcate vizibil la bornele acumulatorului; la bornele sursei de încărcare se colorează diferit; cel mai adesea au dimensiuni diferite.

Când semnele de polaritate lipsesc, culoarea castanie a plăcilor pozitive, poziția obișnuită a plăcilor pozitive între două plăci negative, faptul că prima și ultima placă sunt aproape totdeauna negative, nu permit nici o îndoială asupra polarității corecte. În afară de aceasta, plăcile de mare suprafață și plăcile tubulare sunt numai pozitive, iar plăcile sac sunt totdeauna negative.

Polaritatea acumulatorului pus în funcțiune și a sursei de încărcare se pot stabili cu ușurință cu ajutorul unui voltmetru magneto-electric (cu magnet permanent). În lipsa acestui aparat polaritatea poate fi identificata cu alte mijloace. Reducerea curentului la valoarea indicată de producător este una din principalele preocupări avute la încărcarea acumulatoarelor cu plumb. Reducerea este operată îndată după începerea degajării de gaze, adică la tensiunea de 2,4 V pe element, cu scopul de a preîntâmpina degradarea plăcilor pozitive.

Eliminarea pericolului de explozie a gazelor produse la încărcare, este necesară deoarece începând de la tensiunea de 2,5 V/element în volumul de gaze degajate, hidrogenul fiind prezent în proporție de 67% si oxigenul de 33%. Izolația electrică exterioară trebuie menținută în stare bună.

Oprirea încărcării la timpul hotărât de starea bateriei evită supraîncărcări dăunătoare. Sfârșitul încărcării este arătat de densitatea electrolitului și de tensiunea elementului care nu mai cresc, variind doar temperatura. O încărcare completă nu trebuie oprită îndată după apariția acestor semne, ci se prelungește în timp de încă 1-4h în raport cu construcția bateriei și felul de folosire pentru a permite omogenizarea stării plăcilor și elementelor.

Trebuie avut in vedere că tensiunea constantă măsurată la bornele unui element poate fi a unei singure perechi de plăci ajunse la încărcare deplină înainte ca celelalte plăci să-și fi completat încărcarea. Densitatea electrolitului fiind măsurată în partea de sus a vasului nu are valoare concludentă decât după ce toate plăcile din elemente sunt complet încărcate (și plăcile sulfatate cedează greu sulfatul de plumb), iar concentrația electrolitului este aceeași în tot vasul, ca efect al agitației produse de gaze. Continuarea încărcării timp de o oră este suficientă unei baterii în stare bună, exploatată cu regularitate. Bateriile uzate, neîntreținute corect, încărcate cu întârziere, cer o încărcare mult prelungită. Plăcile tubulare au nevoie, mai mult decât celelalte tipuri constructive, de încărcare prelungită.

Termenul supraîncărcare indică de obicei o operație abuzivă și dăunătoare. Încărcarea prelungită este însă o supraîncărcare folosită în mod rațional. Încărcările incomplete sau executate cu întârziere au drept rezultat, precum se știe, sulfatarea sistematică gravă și ireversibilă a acumulatorului.

1.3.2 Metode de încărcare a acumulatoarelor

Condițiile de funcționare și situațiile care intervin în exploatarea bateriilor de acumulatoare solicită încărcări diferite ca metodă și ca desfășurare de operații.

Metodele de bază sunt două: încărcarea cu curent constant și încărcarea cu tensiune constantă; se aplică și combinații ale acestora.

Încărcarea cu curent constant a unei baterii cu număr fix de elemente nu poate fi efectuată, decât dacă se acționează asupra tensiunii sursei de încărcare sau a rezistenței circuitului exterior. La instalațiile unde sursa este un dinam se acționează asupra curentului de excitație a dinamului cu ajutorul reostatului. Dacă nu se poate interveni asupra tensiunii sursei, de exemplu când încărcarea se face de la rețea de curent continuu, se inserează in circuit o rezistență variabilă a cărei valoare trebuie mereu micșorată pe măsura creșterii tensiunii acumulatorului. Instalațiile moderne dispun, pentru încărcare cu curent constant, de redresoare prevăzute cu dispozitive automate de compensare a variațiilor de tensiune ale rețelei alternative și ale acumulatorului.

Avantajul metodei de încărcare cu curent constant este acela de a permite măsurarea cu ușurință a numărului de amper-ore primite de acumulator și de a-i putea aprecia funcționarea si calcula randamentul. Metoda de încărcare cu curent constant are aplicare limitata la acumulatoarele autovehiculelor, în garaje sau ateliere de reparație și la acumulatoarele mici. Curentul, reglat la valori care nu provoacă degajări importante de gaze este întrerupt după încărcarea completă.

Încărcarea cu curent constant de valoare mare se aplică atunci când timpul disponibil este limitat. În scopul evitării inconveniențelor încărcării cu curent mare in fază finală, această metodă impune întreruperea operației la tensiunea de 2,3 V pe element.

Încărcarea cu curent constant in trepte folosește avantajele încărcării cu curent constant mare și elimină inconveniențele acestei metode. Încărcarea se face tot cu curent constant, dar a cărui valoare este redusă la tensiunea de degajare a gazelor.

Încărcările cu curent constant cu pauze sau în trepte cu pauze sunt asemănătoare metodelor de încărcare cu curent constant și cu curent constant in trepte, numai că încărcarea este întreruptă și reluarea ei se face după o pauză de 1-2h, cu aceeași valoare a curentului sau cu curentul treptei următoare. Pauzele permit o bună difuziune, tensiunea este redusă, temperatura nu împiedică aproape niciodată efectuarea încărcării. Metoda este aplicată la unele tratamente de înlăturare a stărilor anormale ale bateriei. Încărcarea cu curent constant cu pauze este obligatorie la punerea în funcțiune a bateriilor staționare noi sau după reparații capitale.

Încărcarea cu tensiune constantă are loc când tensiunea sursei de încărcare este menținută la valoare constantă fie prin reglaj manual (generatoare rotative), fie prin reglaj automat (redresoare moderne). Valoarea curentului depinde, evident, de valoarea tensiunii și poate fi deosebit de mare la începutul încărcării dacă bateria este descărcată complet.

Încărcarea cu tensiune constantă în trepte permite reducerea timpului de încărcare, deoarece tensiunea inițială este reglată la o valoare ridicată și curentul este mare la început.

1.3.3 Descărcarea acumulatoarelor în diferitele situații ale exploatării.

Descărcarea este faza de exploatare propriu-zisă a bateriei. Trebuie avut în vedere ca bateria să satisfacă toate cerințele exploatării, dar fără să depășească limitele normale de descărcare ce ar putea afecta starea ei și, mai ales, durata ei de serviciu.

Descărcarea normală este o descărcare completă la regimul nominal al bateriei, efectuată deci la curent constant, prelungită până la limita de tensiune corespunzătoare. La regimuri lente de descărcare în 20h, 10h bateria epuizează posibilitățile sale la nivel normal; operația trebuie întreruptă în acest stadiu. După o pauză care permite revenirea tensiunii, descărcarea poate fi continuată cu curenți mai mici, dar aceștia solicită mult materia activă și se ajunge la o descărcare adâncă.

Descărcarea în una sau două ore este o descărcare rapidă; dacă este întreruptă la tensiunea limită prescrisă, după revenirea tensiunii, descărcarea poate fi continuată cu curent de valoare inferioară lui I1 sau I2.

Descărcarea normală completă a unei baterii la folosirea în încărcare-descărcare, când sfârșitul operației este controlat și nu există pericolul ca elementele epuizate mai devreme să sufere inversări de polaritate, este întreruptă la limita de tensiune. Descărcarea rapidă este oprită dacă unul din elementele bateriei a ajuns la tensiunea minimă admisă. Descărcarea lentă se mai oprește când densitatea electrolitului unuia din elemente a coborât la limita minimă îngăduită. Trebuie observat însă că la descărcările complete cu curenți variabili așa cum este cazul general în exploatare, acolo unde lipsesc aparate de măsurat înregistratoare, este necesar să se urmărească atât tensiunea, cât și densitatea pentru a opri la timp descărcarea. Măsurarea densității nu este însă posibilă la exploatarea unei baterii decât după oprire, demontarea capului cutiei. În această situație este preferabil să se limiteze descărcarea.

Descărcarea completă pentru determinări de capacitate sau randament se execută cu curent constant la regimul necesar și este denumită descărcare controlată.

Descărcarea completă a unei baterii, efectuată prin descărcări parțiale succesive, la diferite regimuri, ridică problema cunoașterii pe parcurs a capacității disponibile.

1.3.4 Măsurări la încărcarea și descărcarea acumulatoarelor cu plumb.

Funcționarea acumulatoarelor este mult influențată de o serie de factori cu efecte diferite de la o placă la alta, de la un element la altul, din pricina lipsei de omogenitate a materialului folosit la confecționare sau a neomogenității de utilizare. Astfel, elementele adiționale sunt solicitate mai puțin; elementele din mijlocul unei baterii de tracțiune se răcesc mai greu decât cele de la periferie; unele vase cu abateri de dimensiuni în plus și conțin mai mult electrolit decât cele cu abateri în minus. Se impune deci un control continuu.

Este necesar să se tină sub observație, respectiv să se măsoare: valoarea curentului, duratele parțiale și totale ale operațiilor, deci cantitatea de electricitate încărcată și descărcată; tensiunea bateriei și a elementelor; densitatea, temperatura și nivelul electrolitului; degajarea de gaze la fiecare element, temperatura mediului ambiant, izolația electrică a bateriei și a instalației. Măsurările se fac la toate elementele bateriei sau, dacă nu este posibil, la un număr redus de elemente, denumite elemente pilot.

La bateriile cu trei sau șase elemente se urmăresc datele tuturor elementelor. Când numărul de elemente este mai mare, măsurările nu mai pot fi efectuate simultan decât dacă există un număr mare de aparate de măsurat, ceea ce poate duce la erori. De aceea se aleg de pildă 5% din elemente(dar nu mai puțin de două) ca elemente pilot reprezentative. Alegerea elementelor pilot se face după operații controlate care arată starea tuturor elementelor. Schimbând judicios elementele pilot, de pildă lunar, după încărcări de tratament si mărind la nevoie numărul lor, se ajunge la cunoașterea deplină a funcționării bateriei. Unele măsurări trebuie efectuate simultan. Astfel, ne interesează tensiunea unui element doar dacă se cunoaște valoarea curentului care trece în acel moment prin element. Capacitatea rezultă măsurând concomitent curentul și timpul. Densitatea și temperatura electrolitului trebuie măsurate si ele în același timp. Aceste măsurări neputându-se face simultan, trebuie făcute pe rând în timpul cel mai scurt posibil, dar în toate împrejurările, tensiunea și curentul, curentul și timpul, densitatea și temperatura electrolitului să fie măsurate simultan. Problema măsurărilor în exploatare trebuie considerată și sub aspectul posibilităților celui care folosește bateria și este răspunzător de funcționarea ei.

1.3.5 Întreținerea acumulatoarelor cu plumb

Activitatea legată de întreținerea acumulatoarelor electrice cu plumb este aceeași indiferent dacă se recurge sau nu la mijloacele unui atelier specializat.

Obiectivele sunt:

asigurarea izolației electrice externe și a conductivității circuitului de utilizare;

păstrarea omogenității de stare a plăcilor unui element și a elementelor unei baterii;

remedierea la nivelul posibilităților locale a defecțiunilor apărute;

programarea din timp a lucrărilor de reparație constatate sau prevăzute a fi necesare.

Izolarea externă electrică este compromisă de prezența acidului sulfuric provenit din spărturi ale vaselor, vărsări accidentale sau din pricina nivelului prea ridicat al electrolitului. Curățirea, adică ștergerea prafului, uscarea și neutralizarea împroșcărilor cu acid sulfuric trebuie făcute des și conștiincios cu elementele închise etanș.

Perioada de efectuare a lucrărilor de întreținere depinde de așezarea bateriei. Întreținerea trebuie să fie frecventă la bateriile unde pătrunde praful, noroiul și sunt solicitări mecanice mari.

Conductivitatea electrică a circuitului de utilizare depinde de calitatea contactelor electrice. De aceea, conexiunile elementelor trebuie si ele menținute. Un contact bun și sigur la elementele cu legături înșurubate se poate realiza dacă fețele de contact sunt paralele, plane, juxtapuse, neoxidate. Trebuie să existe rondelele prevăzute ca număr și dimensiune, iar toate piesele, în afara celor de plumb, să fie plumbuite. Defectele care apar după punerea in funcțiune a bateriei, datorită montării necorecte sau în cursul exploatării (coroziuni la poli, deșurubări ca urmare a vibrațiilor și a solicitărilor mecanice), trebuie remediate printr-o întreținere corectă. Astfel, contactele imperfecte care se încălzesc mai mult ca celelalte, apariția oxizilor mai ales la contactele pozitive unde se produce electroliza datorită acidului aflat sub capac, fac necesară demontarea, curățarea, ajustarea, remontarea înșurubărilor și ungerea lor. Nu se ung fețele de contact, ci înșurubarea completă, cu pensula, după strângere. Omogenitatea de stare a plăcilor și elementelor se păstrează cu destulă greutate atunci când condițiile de exploatare sunt variabile.

Starea anormală manifestată mai frecvent de întreaga baterie sau numai de unele elemente ale ei, de exemplu capacitatea redusă sau tensiune micșorată la descărcare poate rezulta datorită unor cauze multiple la obârșia cărora stau de obicei descărcări prea mari, prea mici, prea rare, prea violente, urmate de încărcări incomplete sau necorespunzătoare. Această stare poate surveni accidental sau ca urmare a unei oboseli normale a materialului.

S-a arătat mai înainte necesitatea unor încărcări de egalizare executate periodic, ca măsură de prevenire a stărilor anormale și ori de câte ori este necesar să se elimine stări asemănătoare, care nu cedează la încărcările obișnuite. Încărcarea de egalizare este privită aici ca o metodă de întreținere a unei baterii fără defecte.

Nivelul electrolitului și densitatea lui impun un control continuu, deoarece diferențele în cantitate și concentrație între electroliții elementelor unei baterii conduc la neomogenități de funcționare și de stare, greu de corectat. De aceea, nivelul electrolitului tuturor elementelor se controlează des, cel puțin săptămânal și se adaugă apă distilată sau dedurizată până la înălțimea indicată de fabricant.

Densitatea electrolitului nu se micșorează practic in condiții de funcționare normale, deoarece acidul sulfuric este greu volatil, deci nu se evaporă în măsură apreciabilă, iar electrolitul antrenat sub formă de ceață, de către gazele în fierbere, este în cantitate neînsemnată. De aceea, la refacerea nivelului este necesar să se adauge numai apă.

Fisurile vaselor, vărsările accidentale de electrolit pot impune însă refacerea nivelului cu acid sulfuric. În perioada următoare punerii în funcțiune a bateriilor, trebuie făcută egalizarea densității prin înlocuire de electrolit cu apă sau cu acid mai concentrat pentru micșorarea, respectiv mărirea densității. În toate situațiile, adăugarea de acid sulfuric se face numai după cercetarea cauzelor micșorării concentrației electrolitului și cu certitudinea că:

Acumulatorul a fost bine încărcat în ultima perioadă de utilizare;

Măsurarea densității a fost efectuată la 2-3h după încărcarea de egalizare și s-a aplicat corecția de temperatură;

Nivelul electrolitului este corect

Cantitățile de apă, respectiv de acid care trebuie introduse în electrolit pentru a se obține densitatea normală trebuie în prealabil calculate.

1.3.6 Revizia

Revizia asigură bateriei o funcționare corectă, deci sigură și de lungă durată. Revizia are un dublu scop: preîntâmpinarea funcționării anormale și eliminarea defectelor îndată după apariția lor. Revizia poate constitui și un mijloc de introducere a unor metode tehnice superioare în executarea tuturor lucrărilor. Revizia constată starea bateriei printr-un tratament de egalizare.

La revizia acumulatorului se cercetează:

Curățenia, ordinea, aspectul;

Nivelul, densitatea, temperatura și puritatea electrolitului;

Deformațiile vaselor, capacelor etc ;

Capacitatea la regimul de descărcare prevăzut de instalație;

Autodescărcarea, randamentul.

1.3.7 Păstrarea acumulatoarelor cu plumb

Locul de depozitare ocupa o deosebită importanța pentru păstrarea acumulatoarelor. Este necesară o încăpere unde temperatura se menține fără variații bruște intre +5 ̊ C și 30 ̊ C, ferită de praf, umezeală si de razele solare. Este foarte indicată o cameră la subsol. Corpurile de încălzit și curenții de ventilație nu trebuie sa acționeze direct asupra materialelor depozitate. O bună păstrare permite ca plăcile să capete repede și omogen capacitatea normală, imediat după punerea în funcțiune. O păstrare incorectă va necesita, în plus, tratamente costisitoare la punerea în funcțiune a bateriilor pentru dobândirea capacității și mai ales a omogenității, indice principal de apreciere a calității plăcilor, iar uneori, după o păstrare necorespunzătoare, plăcile pot fi complet degradate.

1.3.8 Protecția muncii

La exploatarea si repararea acumulatoarelor electrice cu plăci de plumb se lucrează în mediu toxic. Plumbul îndeosebi, apoi acidul sulfuric și uneori bitumul provoacă otrăviri profesionale.

Plumbul poate intra in organism prin piele, stomac și plămâni. Pielea intactă nu permite trecerea plumbului decât sub anumite forme ce nu se întâlnesc de obicei la fabricarea, exploatarea și repararea acumulatoarelor cu plăci de plumb. Calea obișnuită de intoxicare saturniană (cu plumb) este înghițirea oxizilor de plumb din mediul de lucru, direct sau indirect o dată cu alimentele atinse cu mâna murdară de plumb. Toxicitatea este cu atât mai mare cu cât oxizii de plumb au grăunțele mai fine. Plumbul înghițit este reținut de organism în proporție de circa 10%, restul se elimină. Intoxicarea cea mai frecventă este prin inhalare, deoarece plumbul trece din plămâni direct în circulație, în timp ce după înghițire plumbul întâlnește obstacole care împiedică această trecere directă.

Din pulberea de oxid de plumb inhalată, 50% intră în plămâni, restul rămâne în gură și nas, de unde mai poate fi absorbită încă o parte. Pericolul de intoxicare cu plumb este și mai mare când se lucrează cu pulberi de oxid de plumb, de pildă la morile de plumb, la măturarea atelierului de reparații, la colectarea deșeurilor de plumb rezultate, precum și la montarea plăcilor. La sudarea plumbului și la turnarea de accesorii din plumb topit, pericolul de intoxicare este tot atât de mare.

Plumbul ajuns in sânge este eliminat cu încetul, dar cum de obicei absorbirea este mai mare decât eliminarea, cantitatea de plumb se mărește. Plumbul se depune de preferință în sistemul osos. Intoxicațiile saturniene, sunt de regulă, cronice; simptomele pot apărea mai târziu, după o acumulare îndelungată de plumb. Toți indivizii sunt predispuși intoxicațiilor cu plumb; există însă și indivizi mai rezistenți, care după mulți ani în contact cu plumbul nu prezintă nici un simptom. De obicei tinerii, femeile și bătrânii sunt în primejdie mai mare. Se semnalează cazuri de manifestare a intoxicațiilor imediat după ajungerea în corp a unor doze masive de plumb, la o lună după doze de 1 mg plumb zilnic și cronic, după doze de 3-4mg plumb zilnic. Lipsa de aer, de lumină, de igienă, o alimentație necorespunzătoare, alcoolismul, reduc rezistența la intoxicație.

Potrivit legii angajarea personalului într-un atelier de reparat acumulatoare se face numai în baza unui control medical riguros. Nu se admit oameni debili, anemici, suferinzi de inimă sau suspecți de TBC.

Se atrage atenția că nici oamenii perfect sănătoși nu sunt în afară de pericol. Se cunosc cazuri când muncitori agricoli, obișnuiți cu munca în aer liber și perfect sănătoși, s-au îmbolnăvit mai repede decât muncitorii industriali.

O măsură importantă de protecție împotriva intoxicării cu plumb este respectarea igienei de către muncitori. Mâinile și gura trebuie des si bine spălate. Se lucrează numai cu îmbrăcăminte de protecție, cu care nu se pătrunde în sălile de mese, cluburi. Hainele si îmbrăcămintea de protecție trebuie să stea în dulapuri speciale individuale, separate de hainele de schimb.

Prescripțiile de protecție a muncii acordă o mare importanță măsurilor menite să prevină intoxicațiile: curățenia localului și a personalului, o bună aerisire.

Proiectele de fabrici, atelierele, spațiile unde se folosesc acumulatoare cu plăci de plumb sunt supuse unui control deosebit în ceea ce privește respectarea măsurilor de protecție a muncii și nu se pun în execuție decât după avizul forurilor competente.

1.4 Repararea acumulatoarelor cu plumb

1.4.1 Organizarea reparării acumulatoarelor cu plumb

Pentru repararea bateriilor de acumulatoare sunt necesare o serie de lucrări ca: înlocuirea vaselor, demontarea plăcilor, repararea și remontarea plăcilor, înlocuirea separatoarelor.

Scopul de a realiza repararea economică și de calitate a bateriilor de acumulatoare pentru a le putea prelungi funcționarea poate fi atins cu metode diferite. Trebuie subliniată și susținută tendința de a centraliza lucrările de reparație în ateliere specializate încadrate cu personalul necesar și dotate cu instalațiile, utilajele, aparatele, sculele, piesele de schimb și materialele necesare.

În practica obișnuită se prezintă, pentru reparații, acumulatoare care au în general nevoie și de tratamente sau, este cerută o reparare mijlocie stabilită prin măsurări și se constată, la deschiderea elementelor, necesitatea înlocuirii complete a plăcilor. Sunt bineînțeles și situații inverse când, prin tratamente sau reparații mici, se pot reda în exploatare baterii presupuse a fi grav deteriorate.

Defectele acumulatoarelor pot fi clasificare în:

stări de rea funcționare care se pot elimina prin tratament de încărcare și descărcare;

defecte ușor de înlăturat prin reparații mici, înlocuiri sau recondiționări de piese accesorii;

degradări care cer reparații mijlocii până la schimbarea parțială a plăcilor;

degradări complete, a căror remediere nu este posibilă decât prin reparații capitale, cu schimbarea completă a plăcilor.

Într-un atelier de reparare a acumulatoarelor cu plăci de plumb trebuie rezolvate următoarele probleme:

identificarea defectelor, clasificarea reparației și stabilirea oportunității ei;

executarea lucrărilor de reparații;

controlul acumulatoarelor și finisarea lor

Defectele ascunse și complexe, cazurile particulare trebuie examinate cu grijă și competență înainte de reparare. Clasificarea reparației relevă atât defectele datorită neglijenței personalului, cât și eventualele cauze de degradare accentuată pricinuită de folosirea defectuoasă a bateriei în exploatare, datorate clasificării insuficiente a personalului sau a defectelor instalației.

Operația de identificare a defectelor și de hotărâre a reparației este de același nivel tehnic ca și revizia condițiilor de exploatare.

De un real folos la identificarea defectelor sunt foile de observație a funcționării acumulatorului în exploatare sau registrul bateriei. Operațiile de cercetare a bateriei sunt diferite în funcție de construcția acumulatoarelor.

Judecarea după aspect, în urma unei curățiri minuțioase, este prima metodă care, completată cu studierea foilor de observație a funcționării bateriei, poate duce în majoritatea cazurilor la o concluzie fără alte operații.

Altă metodă ce trebuie aplicată înainte de a recurge la demontare este încărcarea acumulatorului. Se supune bateria unei încărcări, eventual unei descărcări controlate, care să îngăduie efectuarea de măsurări complete. În sfârșit, când aspectul și efectuarea măsurătorilor nu permit detectarea defectului, este necesar să se deschidă elementele bateriei și la nevoie să se scoată grupuri de plăci din elemente.

1.4.2 Mijloace necesare reparațiilor

Sursa de curent continuu a atelierului de reparație. Această sursă nu se deosebește de cea a stațiilor de încărcare, dar este supusă la sarcini variabile, deoarece nu se poate efectua o planificare riguroasă a încărcărilor.

Alegerea sursei se face cunoscând: numărul de baterii care depind de atelier și factorul de simultaneitate al încărcărilor lor. Se folosește încărcarea cu tensiune constantă pentru încărcări simple și cu curent constant pentru încărcări controlate, după nevoie. La încărcarea bateriilor cu trei sau șase elemente ale autovehiculelor, tensiunea sursei se alege după modul de încărcare a bateriilor. Dacă numărul de baterii de același tip sau de tipuri de capacitate apropiată mai mare, se încarcă în serie mai multe baterii și se alege astfel o sursă de tensiune mai mare; când numărul de baterii este mic, nu se poate aștepta sosirea mai multor baterii asemănătoare pentru a fi puse la încărcare, ci trebuie încărcate separat; tensiunea sursei va avea deci o valoare mai mică. Curentul de încărcare furnizat de sursă trebuie să satisfacă atât necesitățile celui mai mic acumulator, cât și a celui mai mare.

Capitolul al II – lea – Stadiul actual al tehnologiei

2. 1 Metode moderne de evaluare a stării acumulatorilor. Algoritmi avansați de gestionare a consumului.

2.1.1 Algoritmi pentru terminarea descărcării

Descărcarea reprezintă principala funcție ce trebuie să o îndeplinească un acumulator în timpul funcționării normale. Capacitatea nominală pe care o are un acumulator este dată de către producător, pentru acumulatorii cilindrici de tip AA și variază între 1200 și 2700 mAh. Aceasta se definește ca fiind produsul dintre durata procesului de descărcare și curentul de descărcare, până la momentul în care tensiunea la borne scade sub voltajul de terminare a descărcării. În mod practic, capacitatea nominală este calculată la o rată a curentului de descărcare de 0.2 C, până la o tensiune de terminare cu valoarea de 1V.

În mod practic vom observa o variație mare a capacității de descărcare totale, ce este cauzată de trei factori: temperatura, numărul de cicli ai acumulatorului și rata curentului de descărcare. Odată cu creșterea curentului, capacitatea descrește, în principal datorită creșterii disipării interne datorate rezistenței acumulatorului. Odată cu scăderea temperaturii ambiante apare descreșterea capacității și se datorează scăderii reactivității electrolitului, care este o soluție apoasă.

Exemple de caracteristici ale curbelor de descărcare ce pun în vedere cele două aspecte discutate ale descreșterii capacității sunt prezentate in figura 2.1

Capacitatea de descărcare la rate b) Variația capacității de diferite ale curentului descărcare cu temperatura

Figura 2.1 Variația capacității de descărcare în funcție de temperatură și curent

Din graficele de mai sus rezultă nevoia ca dispozitivul ce monitorizează starea acumulatorilor în procesul de descărcare să asigure descărcarea la o temperatură cuprinsă intre 10 ̊ C și 30 ̊ C și rata curentului să nu depășească 2C.

Un așa-numit efect de memorie este un alt element ce poate înfluența în sens negativ capacitatea de descărcare. Acest fenomen apare atunci când acumulatorii nu sunt descărcați complet, evidențiindu-se printr-o capacitate redusă în ciclurile ulterioare ciclului incomplet. Reducerea capacității disponibile este dată de creșterea tensiunii de terminare a descărcării, ce are tendința de a se apropia de tensiunea la care a fost sistat ciclul incomplet anterior. Eliminarea acestui efect de memorie se face prin forțarea mai multor cicluri complete de încărcare-descărcare, pentru a putea preveni astfel o pierdere permanentă de capacitate.

Din cele arătate, se pot deduce 3 metode generale pentru a realiza o monitorizare și o terminare eficientă a procesului de descărcare:

menținerea curentului de descărcare sub o rată de 2C, orice depășire putând duce la terminarea descărcării, prin deconectarea acumulatorului de sarcină.

menținerea unei temperaturi ambiante cuprinsă între 10 ̊ C și 30 ̊ C, orice depășire a limitelor intervalului producând terminarea descărcării.

oprirea procesului de descărcare în momentul în care tensiunea la borne scade sub Vmin.

Vmin reprezintă tensiunea minimă la bornele unui acumulator sau a unei grupări de acumulatori. Acumulatorii pot suferi defecte fizice ireparabile dacă se scade sub tensiunea minimă prin supradescărcare, mergând chiar până la inversarea polarității electrozilor.

Tensiunea minimă este dată de către producătorii de acumulatori în jurul valorii de 0.9 V pentru o singură celulă. Pentru cazul în care se face uz de mai mulți acumulatori legați in serie, Vmin se va determina folosind următoarea formulă.

(2.1)

Numărul de acumulatori în serie este notat cu n, iar tensiunea medie sau tensiunea de palier se notează cu Vmed.

2.1.2 Algoritmi pentru terminarea încărcării

Încărcarea reprezintă procesul de restaurare a energiei unui acumulator descărcat. Procesul de încărcare influențează puternic performanțele acumulatoarelor precum și durata de viață a acestora.

Pentru o încărcare eficientă sunt luate în calcul următoarele criterii:

alegerea unui curent de încărcare adecvat;

limitarea temperaturii maxime;

găsirea unui algoritm de terminare potrivit.

Procesul de încărcare al acumulatorilor inversează reacțiile chimice ce au loc în timpul procesului de descărcare influențând tensiunea la borne, temperatura, presiunea internă din acumulator după cum este evidențiat în figura 2.2. Tehnicile de terminare a încărcării se bazează pe temperatură și tensiune deoarece presiunea internă nu se poate măsura în mod direct.

După cum se observă și în figura 2.2, curba tensiunii este crescătoare, crescând constant până la aproximativ 85% din capacitatea de încărcare, după care saltul în tensiune este semnificativ, iar după atingerea unui prag, aceasta începe să scadă ușor, pe măsură ce acumulatorul intră în faza de supraîncărcare.

În practică există două tehnici de terminare a încărcării ce se bazează pe tensiunea la borne: dV/dt și pragul de tensiune.

Prima metodă implică controlul variației tensiunii în raport cu timpul și se bazează pe detectarea descreșterii tensiunii apărută la intrarea în zona de supraîncărcare, ilustrată și în figura 2.2. Problema acestui algoritm este că scăderea tensiunii depinde de rata de încărcare, având și valori relativ mici, 5-20 mV, existând pericolul terminării premature.

A doua metodă bazată pe pragul de tensiune controlează de asemenea variația tensiunii, producând terminarea în momentul în care aceasta ajunge la 0, dar și această metodă poate cauza terminări premature, cauza fiind zgomotele suprapuse.

Figura 2.2 Variația tensiunii, presiunii si temperaturii în procesul de încărcare

Temperatura acumulatorului va avea și ea de asemenea o creștere constantă, până se atinge procentul de 80% din capacitatea încărcată, după care are loc o creștere exponențială, rezultată în principal din reacția de recombinare a oxigenului ce are loc la electrodul pozitiv. În cazul în care procesul de încărcare nu este terminat complet, reacția de recombinare va deveni din ce în ce mai ineficientă, eliberând energia sub formă de căldură, până când presiunea crescută din interior va cauza cedarea supapelor de siguranță ale acumulatorului, eliberând gazul din interior și o parte din electrolit.

O metodă simplă pentru terminarea încărcării este dată de pragul temperaturii de tăiere. Aceasta implică deconectarea curentului de încărcare în momentul în care temperatura acumulatorilor este maximă. În practică, acest algoritm este greu de aplicat, deoarece pragul de tăiere este afectat puternic de rata curentului de încărcare, de temperatura ambientală. Așadar, un acumulator rece poate să devină supraîncărcat până la atingerea pragului, pe când unul cald poate genera o terminare prematură. Această tehnică este folosită în general pentru încărcare la curenți mari, aproape de 1C și în paralel cu alți algoritmi de terminare.

Pentru a completa neajunsurile acestei tehnici, se poate utiliza o altă metodă prin care se măsoară creșterea temperaturii relativ la temperatura măsurată la inițierea procesului de încărcare. Acest algoritm de terminare poartă numele de delta-TCO și va deconecta acumulatorii atunci când această diferență depășește un prag prestabilit. Înlăturarea influenței temperaturii ambiante constituie avantajul principal al acestei tehnici.

În anumite situații este necesară o altă tehnică bazată pe temperatură, care urmărește variația în timp a creșterii temperaturii, notată dT/dt. Algoritmul acesta implică terminarea încărcării atunci când creșterea temperaturii raportată la o unitate de timp depășește un prag prestabilit. Este redus efectul temperaturii ambiante, iar utilizarea acestei metode poate prelungi durata de viată a acumulatoarelor. De exemplu, la o rată a curentului de încărcare de 1C se poate stabili dT/dt la 1 ̊ C/ 1 min. Procesul de încărcare mai depinde si așa numita eficientă coulometrică, sau rata de acceptare a capacității. Aceasta se definește ca fiind raportul dintre capacitatea ce se introduce într-un acumulator în timpul încărcării și capacitatea efectivă stocată în acesta. Depinde atât de temperatura ambientală cât și de rata curentului de încărcare.

Graficul din figura 2.3 s-a obținut prin testarea unui grup de doi acumulatori legați în serie.

Figura 2.3 Eficiența coulometrică pentru un grup de acumulatori

În practică se vor implementa întotdeauna două sau mai multe tehnici de terminare, ce vor funcționa în paralel, în funcție de rata curentului de încărcare.

2.1.3 Sisteme de gestionare a bateriilor

Monitorizarea consumului este o chestiune fundamentală a sistemelor încorporate autonome. Aceste sisteme sunt în general alimentate de la o sursă proprie de energie, care în majoritatea cazurilor este dată de un grup de acumulatori sau baterii, fiind independente de rețeaua de electricitate.

Astfel apare necesitatea unui sistem de gestionare a stării bateriilor – Battery Management System (BMS) pentru orice dispozitiv autonom ce este alimentat de la baterii sau acumulatori.

Principalul rol al BMS este de a asigura o utilizare optimă a energiei stocate în bateriile ce alimentează un sistem autonom, precum si prevenirea situațiilor ce pot duce la deteriorarea bateriilor. Acest lucru se obține prin controlarea proceselor de încărcare și descărcare a bateriilor. Schema bloc a unui sistem BMS este prezentată în figura 2.4.

Blocul Power Module (PM) are rolul de a asigura încărcarea grupului de acumulatori, fiind un adaptor între energia din acumulatori și rețeaua de alimentare cu electricitate.

Circuitul IC se folosește pentru protecția grupului de acumulatori, fiind opțional. Acest circuit are rol de monitorizare continuă la nivel hardware, a tensiunii de la bornele acumulatorilor, a curentului de sarcină și a temperaturii, deconectând acumulatorii atunci când valorile unuia sau a mai multora dintre parametri depășesc limitele admise de funcționare.

Figura 2.4 Arhitectura generală a unui sistem BMS

Modulul DC/DC Converter este sursa de alimentare a circuitului de sarcină, folosită pentru aducerea tensiunii de la bornele acumulatorilor la un nivel utilizabil de către circuitul de sarcină.

Pentru executarea aplicației software de gestionare a stării acumulatorilor, inclusiv algoritmii de determinare a stării de viată (SoH) și de încărcare (SoC) se utilizează procesorul sistemului. EEPROM este un bloc utilizat pentru stocarea diferitelor date de configurare a sistemului în memoria non-volatilă. O altă cerință importanță a acestui tip de sistem o are comunicația dintre sistemul BMS și alte dispozitive externe.

2.1.3.1 Istoria sistemelor de gestionare a consumului

Sistemele ce sunt capabile să indice capacitatea rămasă într-un acumulator sunt aproape la fel de vechi precum este și tehnologia acumulatorilor. Heyer în 1938, a prezentat un aparat de măsură ce putea să indice capacitatea totală a unei baterii după o lungă perioada de neutilizare. Pe baza tensiunii la borne și a măsurării unei căderi de tensiune pe o oarecare rezistență se deduce capacitatea bateriei. În figura 2.5 se evidențiază acest tip de indicator.

Figura 2.5 Indicator pentru măsurarea capacității bateriei

Acest aparat poate realiza un test prin care să indice dacă bateria trebuie înlocuită sau nu. Atunci când bateria se află încărcată 100%, trebuie măsurată căderea de tensiune pe o rezistență de test, presupunând mai întâi că atunci când bateria este nouă, amplitudinea acestei diferențe de tensiune va fi mică, crescând pe măsură ce bateria îmbătrânește. Acest aparat va arăta că bateriile verificate trebuie înlocuite doar atunci când capacitatea totală este sub 70% în testul de descărcare. În 1963 o companie americană a creat un dispozitiv capabil să indice nivelul de încărcare al acumulatorilor utilizați la alimentarea unor vehicule de transport, în analogie cu nivelul de plin al combustibilului aflat în rezervor. Una dintre metodele folosite de această companie era măsurarea timpului scurs din momentul în care tensiunea la borne scade sub un anumit nivel, utilizând si o metodă de descărcare.

Lener în anul 1970 a fost cel care a realizat primele încercări pentru determinarea SoC, utilizând o tehnică de partajare a curentului, în care starea de încărcare a acumulatorului verificat era determinată prin compararea cu un alt acumulator ce avea SoC cunoscut.

2.1.3.2 Determinarea parametrilor de consum – SoC, SoH și tr

Starea de funcționare se poate exprima prin doi parametri: SoC și SoH, cei doi parametri aflându-se într-o relație de interdependență și influențând în mod direct performanța acumulatorilor. Pe lângă acești doi parametri poate fi introdus și un al treilea parametru, derivat din ceilalți doi parametri amintiți, ce exprimă durata de funcționare rămasă(tr).

Starea de încărcare (SoC) este raportul procentual dintre capacitatea curentă și capacitatea maximă. Pentru a putea determina parametrul SoC trebuie efectuate măsurători asupra mărimilor prin care se caracterizează acumulatorii, precum și modelarea acestor mărimi. SoC depinde însă și de mărimi care pot influența determinarea precisă a acestuia: temperatura, rata curentului de descărcare.

Starea de viață a grupului de acumulatori este o mărime care caracterizează stadiul de utilizare și care depinde de numărul de cicli de încărcare-descărcare. SoH este strâns legat de capacitatea unui acumulator prin faptul că oferă performanțe neașteptate, în raport cu un acumulator nou.

Pentru a determina SoH este necesară urmărirea ciclurilor complete de încărcare-descărcare. O problemă a acestui timp de abordare o are faptul că utilizatorii în general nu descarcă întotdeauna complet grupul de acumulatori, și nici nu il încarcă întotdeauna, sistemul trebuind să țină cont și de acești factori.

Timpul de funcționare rămas tr se definește ca durata estimată de timp în care acumulatorii pot alimenta un dispozitiv, în condițiile unui proces valid de descărcare.

Există mai multe metode pentru determinarea stării de încărcare a acumulatorilor:

Acestea se împart în 3 categorii:

– Algoritmi de măsurare directă: primele dispozitive care au apărut prezentau și un cost relativ scăzut și se bazau pe măsurarea tensiunii la bornele acumulatorilor

– Algoritmi de contabilizare a consumului: acești algoritmi implică măsurarea continuă a curentului extras sau introdus într-un acumulator și integrarea lui în raport cu timpul. Acest lucru determină capacitatea acumulatorului în cauză.

– Algoritmi adaptivi: sunt algoritmi care se adaptează din mers la schimbările de parametri. Aceștia se bazează pe algoritmi de contabilizare, pe algoritmi de măsurare directă sau pe combinația dintre cele două metode.

Algoritmi de măsurare directă:

Parametrii ce sunt utilizați cel mai frecvent în realizarea acestui algoritm sunt: tensiunea la borne (V), timpul de relaxare a tensiunii (τ), impedanța acumulatorilor (Z), temperatura acumulatorilor (T)

Avantajul acestui algoritm constă în faptul că măsurările acestor parametrii nu trebuie făcute în mod continuu, fiind nevoie doar de prima măsurătoare ce se va realiza la punerea în funcțiune a sistemului.

Exemple de metode specifice acestui algoritm:

Măsurarea tensiunii: nu oferă o poziție ridicată, dar este una dintre cele mai populare metode, deoarece tensiunea la bornele acumulatorilor în timpul funcționării depinde de amplitudinea curentului de descărcare

Metoda EMF: este bazată pe existența unei relații bijective dintre starea de încărcare a acumulatorului si forța electromotoare. Avantajul cel mai de seamă al acestei metode este că nu este influențată în nici un fel de îmbătrânirea acumulatorilor. Curba rezultată în urma utilizării acestei metode se poate obține prin procesul de interpolare. Aceasta presupune calcularea mediei aritmetice între tensiunea la bornele acumulatorului pentru două stări consecutive de încărcare și descărcare la același curent și la aceeași temperatură.

Algoritmi de contabilizare a consumului:

Acest algoritm este axat în general pe măsurarea curentului de încărcare sau descărcare și integrarea lui în timp. Implementarea lui este axată de obicei pe măsurarea căderii de tensiune pe o rezistență de șunt, ce se poziționează în serie cu acumulatorii și respectiv cu circuitul de sarcină.

Principalele dificultăți ce pot apărea la utilizarea acestui tip de algoritm:

– rata de autodescărcare a acumulatorilor: apare în momentul în care acumulatorii nu au fost utilizați o perioadă relativ lungă.

– erorile de măsurare a curenților: sunt rezultate în urma erorilor de măsurare a căderii de tensiune pe rezistența de șunt, deoarece aceasta trebuie să aibă o valoare cât mai mică.

Algoritmi adaptivi:

Acest tip de algoritmi se bazează pe combinația dintre celelalte două tipuri de algoritmi prezentați mai sus. Una dintre cele mai utilizate metode este aceea prin care se utilizează filtre Kalman, în combinație cu un modul de estimare a parametrilor.

Capitolul al III-lea – Dezvoltarea aplicației

3.1 Echipamente hardware utilizate

3.1.1 Transformatorul 749196311

Figura 3.1

Transformatorul reprezintă mașina electrică ce transferă energie de la un circuit la altul, adică din primarul transformatorului către secundarul acestuia. Transformatorul funcționează pe baza legii inductanței electromagnetice și anume, curentul ce străbate înfășurarea primară produce un câmp magnetic variabil în miezul magnetic și acesta la rândul lui produce o tensiune alternativă în înfășurarea secundară.

Transformatorul 749196311 este un transformator cu o inductanță de 23,3 µH și conține 6 pini. Acesta este compus din șașe înfășurări dispuse uniform câte 3 pe fiecare parte. Pentru acest transformator am legat infășurările din partea stângă in serie iar pe cele din dreapta în paralel în felul următor: 12-2; 11-3 și respectiv 4-5;

9-8; 5-6;8-7.

Figura 3.2

3.1.2 Integrat UC3843B

Circuitul integrat reprezintă un dispozitiv electric alcătuit din mai multe subcomponente interconectate, aflate pe o plăcuță de material semiconductor, dispozitiv care în general este încapsulat etanș și prevăzut cu terminale numite pini.

Circuitele integrate au revoluționat electronica, fiind folosite în aproape toate echipamentele electronice din ziua de azi. Circuitele integrate sunt de mai multe

tipuri: logice, analogice, digitale, lineare. După caracteristicile funcționale și după domeniul de aplicații circuitele analogice au fost grupate pe familii: circuite de uz industrial, amplificatoare operaționale, circuite audio, radio, arii de tranzistoare și diode. Sunt două mari avantaje ale circuitelor integrate comparativ cu circuitele discrete: performanța și costul.

Familia de circuite de control integrate UC384xB furnizează caracteristicile necesare punerii în aplicare off-line sau DC la DC de curent cu frecvență fixă a schemelor a schemelor cu cât mai puține circuite externe.

Caracteristici:

– oscilator pentru o frecvență de control precisă

– oscilator de frecvență garantat la 250 kHz

– mod de operare la 500 kHz

– latching PWM pentru limitarea curentului de tip Cycle-By-Cycle

– curent mare pe pinul de ieșire

Circuitul integrat UC3843B conține 8 pini:

Figura 3.3

Pin de compensare a erorii aplificatorului

Tensiune de Feedback

Sensul curentului

RT/CT

Masa

Output

Vcc – tensiune de alimentare

Vref – tensiune referință

Diagrama bloc a circuitului este:

Figura 3.4 Diagrama bloc a circuitului integrat UC3843B

3.1.3 Tranzistorul Mosfet IRF740

Tranzistorul reprezintă dispozitivul electronic aflat în categoria semiconductoarelor ce are cel puțin trei terminale. Este utilizat în general pentru a amplifica și comuta putere electrică și semnale electronice. Forma tranzistoarelor utilizate într-un circuit electric depinde strict de natura aplicației pentru care sunt destinate. În prezent mai există tranzistoare ambalate individual însă cele mai multe se găsesc încorporate în circuite integrate. Reprezintă o componentă fundamentală a dispozitivelor electronice moderne.

În urma dezvoltării sale continue, tranzistorul a revoluționat domeniul electronicii, deschizând calea către echipamente moderne mai mici și mai ieftine. Fabricarea tranzistorilor se face pe o suprafață semiconductoare, în general de siliciu, iar realizarea diferă în funcție de tipul tranzistorului.

Tranzistorul MOSFET este un dispozitiv electronic semiconductor ce se utilizează într-un circuit pentru a comanda intensitatea curentului electric.

Este un dispozitiv semiconductor cu 3 pini:

– electrodul de unde pleacă sarcinile reprezintă sursa

– electrodul către care se direcționează sarcinile se numește drenă.

– electrodul ce comandă comportarea dispozitivului poartă numele de poartă

Mosfet IRF740 este proiectat pe baza MESH. Această tehnologie îmbunătățește performanțele comparativ cu standardele pieselor din diverse surse.

Figura 3.5 Tranzistor MOSFET

Tabel 3.1 Valori referință tranzistor IRF740

Aplicații:

– curent de comutare mare

– sursă de alimentare continuă

– convertoare DC/DC pentru telecomunicații și echipamente de iluminat

Schema internă:

Figura 3.6 Schema internă a unui tranzistor

3.1.4 Multimetru digital

Figura 3.7 Multimetru digital

Multimetrul este un echipament indispensabil în electronică, cu funcții de determinare și măsurare a mai multor mărimi electrice. Multimetrul digital a apărut și el odată cu dezvoltarea circuitelor integrate.

Mărimi ce pot fi măsurate cu multimetrul:

– tensiunea electrică (V)

– rezistența electrică (Ω)

– intensitatea curentului (A)

Multimetrele mai oferă pe lângă aceste mărimi electrice posibilitatea verificării stării de funcționare a unor componente cum ar fi: rezistențe, diode, tranzistoare bipolare, capacități electrice.

Pentru realizarea măsurărilor se reglează mai întâi selectorul gamei de lucru ce permite alegerea modului de lucru pentru aparat și gama de măsură pentru mărimile electrice.

3.2 Descriere funcționalitate hardware

Proiectul de față se concentrează asupra proiectării și implementării unui circuit de management pentru celulele unei baterii de acumulatori. Ca prim pas am proiectat un circuit de echilibrare pentru o celulă a unui acumulator, urmând ca mai apoi simularea echilibrării tuturor celulelor sa se facă folosind limbajul Simulink din Matlab.

Figura 3.8 Schema circuitului de încărcare a acumulatorilor

Pentru realizarea acestui proiect s-a propus o schemă ce are ca elemente de bază un circuit integrat de tip UC3843B, un transformator 749196311 și un tranzistor MOSFET IRF740 al căror rol în schemă îl voi prezenta detaliat în cele ce urmează. Ca elemente de încărcare utilizate am simulat prezența acumulatorilor cu 3 diode redresoare de 6 A. Cele 3 diode le-am legat în serie la un circuit de filtrare în care am folosit un condensator de 1000 µF și o diodă Shottky.

Transformatorul 749196311 este format din două părți componente: primarul și secundarul transformatorului ce funcționează pe baza legii inducției electromagnetice. Curentul alternativ ce va străbate înfășurarea primară va produce un câmp magnetic variabil în miezul transformatorului, producând o tensiune electrică alternativă pe secundarul lui.

După cum am amintit și în descrierea de mai sus, transformatorul ales este alcătuit din 6 înfășurări dispuse uniform pe cele două componente ale sale. El lasă la alegerea utilizatorului modalitatea de legare a celor 6 înfășurări. În cadrul acestui proiect am legat înfășurările din primarul transformatorului în serie (12-2, 11-3), iar pe cele din secundar în paralel (4-5-6, 7-8-9). Pinii 1 și 10 reprezintă ieșirile transformatorului. Înfășurările în paralel sunt legate la un condensator de 1000 µF și la o diodă Schottky cu rol semiconductor pe care le-am legat la bornele acumulatorului.

Figura 3.9 Ansamblul transformator – diode redresoare

Prezența acumulatorului am înlocuit-o cu înserierea a 3 diode redresoare. Principiul de funcționare al diodelor redresoare este că folosesc proprietatea joncțiunii PN de conducție unilaterală și au rolul de a limita amplitudinea tensiunilor și de a transforma curentul alternativ în curent continuu, operație numită redresare. În cazul aplicării unei tensiuni alternative, dioda conduce curent numai atunci când alternanța pozitivă a tensiunii se aplică pe anod.

Aceste diode redresoare funcționează numai la frecvențe joase, în general de 50 Hz pentru că la frecvențe înalte acest tip de diodă nu poate redresa curentul alternativ și reactanța capacității echivalente este mult mai mică decât rezistența internă, scurtcircuitând rezistența internă de conducție.

În continuare voi descrie utilizarea în circuit a integratului UC3843B. Acesta este un controller de curent de frecvență fixă. A fost proiectat pentru modul Off-Line și DC la DC, oferind utilizatorilor o soluție efectivă cu costuri mici și un număr limitat de componente. Frecvența oscilatorului este programată cu ajutorul componentelor de sincronizare RT și CT. Condensatorul CT este încărcat la o tensiune de referință de

5 V printr-o rezistență RT la o tensiune de 2.8 V și descărcat la 1.2 V. În timpul descărcării condensatorului CT, oscilatorul generează un puls intern care menține ridicată intrarea centrală. Pragurile de temperatură ale oscilatorului sunt de ±6 % la

50 HZ.

Figura 3.10 Ansamblul circuit integrat

Amplificatorul se leagă la intrarea tensiunii de feedback și la tensiunea de referință prin două rezistențe puse in paralel. Ieșirea amplificatorului se conectează la pinul de compensare a erorii și la blocul de PWM. Blocul PWM primește informații de la oscilator, amplificator și de la pinul cu sensul curentului și generează un semnal la ieșire.

Un altă componentă a proiectului și rolul său în circuit este tranzistorul IRF740. Rolul său în circuit este de a amplifica semnalele. La aplicarea unei tensiuni între poartă și sursă se creează un câmp electric ca într-un condensator plan. În cadrul proiectului de față transformatorul are legat electrodul către care se îndreaptă sarcinile electrice (drena) la pinul 10 al transformatorului. Sursa am legat-o la pinul 5 al integratului și poarta la pinul 6 al acestuia.

Figura 3.11 Implementarea circuitului

3.3 Descriere funcționalitate software

În cazul acestui proiect funcționalitatea software are rol de a asigura echilibrarea celulelor din baterie, prin cuplarea și decuplarea acestora de la sursa de alimentare, în funcție de nivelul de încărcare al celulelor. Nu s-a putut implementa această parte a proiectului, deși pentru a se putea realiza este necesara utilizarea unui microcontroler. Microcontrolerul propus a fost atmega 328P.

Când bateriile sunt construite cu mai multe celule, echilibrarea acestora devine o problemă. Echilibrul celulelor apare atunci când toate celulele individuale din serie au aceeași capacitate și aceeași tensiune. Acest lucru nu este un motiv de îngrijorare pentru celulele aflate în paralel, deoarece se vor echilibra reciproc. Pentru celulele în serie, aceasta reprezintă o preocupare, celula cea mai slab încărcată, determină punctul de gol pentru baterie. Celula cu capacitatea cea mai mică va avea și cea mai mică tensiune. Astfel o serie de celule descărcate va cauza întregului pachet și va genera scăderea duratei de viață a bateriei.

Pe parcursul încărcării, celula cea mai încărcată va declanșa circuitul de siguranță, pentru a permite trecerea încărcării pe celula cea mai puțin încărcată. Din acest motiv, pe parcursul echilibrării trebuie luate în calcul și anumite dificultăți de menținere a echilibrului. În scopul menținerii echilibrului dintre celule trebuie monitorizate tensiunile individuale. Atunci când diferența dintre celule devine prea mare se poate activa un circuit care să preia curent de la celulele mari.

Capitolul al IV –lea – Măsurări, simulări și rezultate

În cadrul acestui capitol voi încerca să descriu în detaliu modalitățile de măsurare și simulare ale circuitului și rezultatele obținute.

Circuitul din figura 3.11 ce reprezintă scopul acestui proiect va fi alimentat de la o sursă de curent continuu, variind tensiunea la intrare cu valori cuprinse între 15V și 24 V. Scopul acestei alimentări este de a observa și măsura valoarea curentului la ieșire la bornele celor 3 diode redresoare legate în serie. Se va observa de asemenea variația curentului în funcție de valoarea tensiunii de alimentare.

La efectuarea măsurărilor am introdus tensiune în intervalul 15 V-24 V și am măsurat curentul la ieșire pentru fiecare dintre aceste valori, însă voi evidenția prin poze doar trei măsurări ( la 15V, 19V și respectiv 24 V), urmând ca restul să le afișez într-un tabel.

Pentru o tensiune la intrare de 15V:

Figura 4.1 Tensiunea de alimentare de 15 V

curentul ce străbate diodele redresoare este de 1.2 mA

Figura 4.2 Curentul ce străbate diodele redresoare este 1.2 mA

Pentru tensiunea de alimentare setată la 19 V:

Figura 4.3 Tensiunea de alimentare de 19 V

curentul ce străbate diodele redresoare este de 1.6 mA

Figura 4.4 Curentul ce străbate diodele redresoare este 1.6 mA.

O ultimă măsurare a curentului o voi face pentru o tensiune de alimentare de 24V.

Figura 4.5 Tensiunea de alimentare de 24 V

curentul ce străbate diodele redresoare este de 1.9 mA.

Figura 4.6 Curentul ce străbate diodele redresoare 1.9 mA.

Așa cum am mai amintit mai sus în cele ce urmează voi afișa într-un tabel valoarea curentului pentru fiecare tensiune de intrare între 15 V – 24 V.

Tabel 4.1 Valori măsurate

În urma măsurărilor obținute se observă din tabel că odată cu creșterea tensiunii de alimentare, crește proporțional și curentul la ieșire.

Capitolul al V –lea. Concluzii

Sistemul de management de acumulatori este utilizat pentru a îmbunătății performanțele și durata de viață a bateriilor. În scopul îmbunătățirii acestor funcții, un sistem de management de acumulatori trebuie să conțină toți parametrii și algoritmii de încărcare, de control al descărcării și de control al temperaturii. Acest sistem este folosit pentru a obține informații despre starea actuală a bateriei (SoC și SoH). Performanța îmbunătățită a microcontrolerelor în combinație cu modelul on-line al bateriilor vor aduce o acuratețe tot mai bună pentru calcularea SoC și SoH în viitor.

Lucrarea de față și-a propus să realizeze un sistem de echilibrare a celulelor unei baterii de tip plumb-acid. Primul pas s-a rezumat la realizarea unui circuit de încărcare pentru o singură celulă, urmând ca echilibrarea întregului ansamblu de celule dintr-o baterie să se facă printr-o înseriere de astfel de circuite similare folosind de asemenea și un modul de programare de tip microcontroler. Acest circuit trebuia multiplicat într-un număr egal cu cel al celulelor din baterie.

Rolul microcontrolerului în cadrul acestui proiect era de a constata starea de încărcare a tuturor celulelor la un anumit moment de timp și menținerea acestora

într-un anumit interval de încărcare. Celulele mai încărcate vor fi decuplate de la sursa de alimentare și încărcarea va trece pe celulele mai descărcate. Acest proces era necesar sa se execute continuu pentru ca întreg ansamblul de celule să se afle la un nivel de încărcare cât mai mare.

În momentul de față pe piață nu există un astfel de sistem și deci posibilitatea realizării unui astfel de circuit prezintă o serie de avantaje, principalele contribuții fiind sumarizate în cele ce urmează:

– posibilitatea optimizării tensiunii de încărcare în funcție de nivelul de încărcare al fiecărei celule dintr-o baterie ceea ce nu duce la supraîncărcarea acestora.

– optimizarea încărcării duce la prelungirea duratei de viață a bateriei.

Bibliografie