Incarcarea Acumulatorilor cu Acid

2.1 Încărcarea acumulatorilor cu acid

Capacitatea unei baterii, notată C [mAh] este cantitatea maximă de curent pe care o poate genera o baterie timp de o oră, până când tensiunea la borne scade sub o anumită valoare limită (care diferă în funcție de construcție).

În încărcarea bateriilor pe bază de plumb se utilizează limitarea de tensiune și nu de curent. Timpul de încărcare a unei baterii SLA (Sealed Lead Acid) este de 12-16 ore, dar ajungând și la 36 de ore la bateriile cu capacitate mare. Prin încărcarea la curenți mari și folosirea mai multor etape, timpul de încărcare poate fi redus la 10 ore sau chiar mai puțin. Chiar și așa, bateriile SLA nu pot fi încărcate la maxim într-un timp apropiat bateriilor pe bază de Nichel sau Litiu. O baterie SLA se încarcă într-un timp de 5 ori mai mare decât cel în care se descarcă, spre deosebire de bateriile pe bază de Nichel sau Litiu, unde raportul de încărcare/descărcare este de 1/1, respectiv 1/2.

Figura 2.1. Procesul de încărcare al acumulatorilor chimici

Încărcarea se va realiza în trei etape. În prima etapă, încărcătorul de SLA furnizează un curent constant, până când celula atinge o tensiune prestabilită. Această etapă durează aproximativ 4-5 ore și încarcă bateria la 70% din capacitatea totală. După ce se atinge valoarea tensiunii menționate, se trece la cea de-a doua etapă, în care curentul este redus în mod constant, până la atingerea capacității de 100%. Încărcarea maximă se atinge când curentul de încărcare scade sub 3% din valoarea curentului nominal, întregul proces durând cam 5-6 ore. Neparcurgerea acestei etape duce la reducerea considerabilă a duratei de viață a bateriei, precum și imposibilitatea de a mai fi încărcată la capacitatea maximă. Etapa finală constă în încărcarea de mentenanță, ce are ca scop compensarea fenomenului de autodescărcare (pierderea capacității prin stocare).

Este necesară o urmărire corectă a tensiunii celulei, care variază între 2.30V și 2.45V. Alegerea tensiunii este un moment critic; bateriile SLA trebuie încărcate complet pentru a evita sulfatarea anodului. Pe de altă parte, o încărcare îndelungată duce la corodarea catodului și produce degajări de gaze toxice. Tensiunea maximă variază și cu temperatura. Când aceasta este ridicată, tensiunea de încărcare trebuie coborâtă.

O baterie SLA nu trebuie să fie ținută la o încărcare sub tensiune maximă pentru un timp îndelungat. Perioada maximă este în jur de 48 ore.

2.2 Încărcarea acumulatorilor pe bază de Nichel

Autodescărcarea este un fenomen care apare la bateriile pe bază de nichel și care constă în pierderea capacității acesteia prin stocare.

Încărcarea de „prelingere” (trickle charge) este încărcarea la un curent mai mic de C/10.

Efectul de memorie reprezintă schimbarea parametrilor celulei la parametrii ultimului ciclu de încărcare, din punct de vedere al capacității. Acest efect constă într-o reducere temporară a capacității celulei atunci când aceasta este încărcată fără să fi fost descărcată complet în prealabil.

Obținerea randamentului maxim al unui acumulator se bazează în principal pe modul de încărcare al acestora. Pe durata procesului de încărcare, acumulatorii nu trebuie să prezinte semne de supraîncălzire deoarece le va fi scurtată durata de viață. Cu toate astea, supraîncălzirea este inevitabilă în cursul încărcării acumulatorilor pe bază de nichel. De aceea, acest fenomen trebuie limitat în timp.

Încărcarea se face în trei pași: încărcarea inițială, încărcarea la un curent maxim admis de acumulatorul respectiv (topping charge) și încărcarea de „prelingere” (trickle charge). Creșterea temperaturii apare în modul topping. Când acesta se termină, acumulatorul trebuie să ajungă la temperatura camerei și să se mențină așa pe tot parcursul încărcării trickle. Dacă acumulatorul încă este cald în acest moment, trebuie decuplat din încărcător deoarece acesta nu funcționează corect. Această precauție trebuie luată în special în cazul acumulatorilor NiMH datorită imposibilității acestora de a converti chimic căldura.

Încărcătoarele pe bază de nichel se grupează în trei categorii:

Încărcatoare lente: acumulatorul este încărcat la un curent de C/10 pe toată durata încărcării; o încărcare completă durează în jur de 14 ore.

Încărcătoare rapide: acumulatorul se încarcă la un curent de C/2 – C/3; încărcarea completă durează 3-6 ore.

Încărcătoare ultra-rapide: se folosește un curent între 1C-10C și durează aproximativ o oră. Aceste încărcătoare au avantajul de a reduce efectul de memorie, pe lângă durata foarte scăzută de încărcare.

În cazul fiecărui tip de încărcător, temperatura acumulatorului nu ar trebui să depășească 45.

Înainte de prima utilizare, acumulatorii pe bază de nichel necesită o „formatare”: o încărcare în mod trickle de 12-24 ore. Aceasta este necesară pentru a echilibra celulele înseriate și pentru a reduce zonele uscate din separatorul electrolitic care apar datorită gravitării în josul celulei pe timpul stocării îndelungate. Producătorii nu încarcă complet acumulatorii înainte de livrare. Întreaga capacitate a bateriei se obține după repetate cicluri de formatare. În general sunt necesare 5-7 formatări complete, dar unii acumulatori pot avea nevoie chiar și de 100 de cicluri.

Majoritatea acumulatorilor de acest tip sunt prevăzuți cu o mică supapă de ventilare ce împiedică acumularea de gaze în celule. Supapa se deschide la atingerea unei presiuni interne de 10-13 bari. Nedeschiderea acestei supape poate duce la explozii violente. Funcționarea supapei generează o depunere de pulbere albă în jurul acesteia. Prin deschiderea ei se pierde și o foarte mică cantitate de electrolit.

2.2.1 Încărcarea acumulatorilor NiCd

Acumulatorii NiCd se încarcă la aproximativ 90% din capacitate în cazul unei încărcări rapide cu 1C. La o încărcare lentă, cu C/10, eficiența scade la 70%, încărcarea realizându-se în aproximativ 14 ore.

Fig. 2.2. Încărcarea acumulatorilor NiCd

În primul stagiu al încărcării unui acumulator NiCd în bună stare, adică până la atingerea capacității de 70%, eficiența reacțiilor chimice din interior este maximă, acumulatorul rămânând relativ rece datorită transformării integrale a energiei electrice primite. Încărcătoarele ultra-rapide folosesc din plin această proprietate, încărcând în câteva minute acumulatorul la curenți de până la 10C, până se ajunge la 70% din capacitatea totală. După acest prag avantajul dispare și acumulatorul începe să se încălzească treptat. Încărcătoarele folosesc un senzor de temperatură și la atingerea valorii de 50, curentul de încărcare este scăzut.

O altă metodă de încărcare este aceea în impulsuri de polaritate opusă pentru a crește nivelul de acceptare al curentului de încărcare. Această metodă produce reacții chimice alternative care ajută la reducerea efectului de memorie.

Detecția stării de „baterie complet încărcată” se bazează pe o combinație de detectarea variației negative de tensiune (-dV), variația temperaturii pe unitatea de timp (dT/dt), măsurarea unei temperaturi absolute a celulei și stabilirea intervalului de timp pentru aplicarea curentului de încărcare. Așa-numitul „încărcător inteligent” ține seama de aceste condiții și ia decizia de terminare a încărcării.

Unele încărcătoare, după etapa de încărcare inițială trec la etapa a doua, cea de topping. Altele, pentru a câștiga un plus de capacitate, parcurg o etapă suplimentară de încărcare la curent mare pe o perioadă de timp determinată. Acest compromis al câștigului de capacitate, de regulă între 6-8% duce la o scurtarea duratei de viață a acumulatorului. După aceste etape se trece la încărcarea în mod trickle, folosind un curent foarte mic, de regulă C/10 – C/20, pentru a se compensa autodescărcarea.

2.2.2 Încărcarea acumulatorilor NiMH

Pentru încărcarea acestui tip de acumulatori este nevoie de încărcătoare mult mai complexe decât cele pentru NiCd, datorită faptului că variația negativă de tensiune (-dV) este mult mai mică, iar la încărcări la valori de sub C/5 sau la apariția de temperaturi ridicate, această variație nu mai apare. Dezechilibrarea celulelor de NiMH înseriate reduce și mai mult această varație.

Variația de tensiune negativă este de aproximativ 5mV la un acumulator nou. O sensibilitate sporită de detecție a variației în circuit face ca încărcarea să se oprească înainte de atingerea capacității programate, datorită zgomotului electric sau a variației tensiunii de la rețea. Cele mai multe încărcătoare NiMH folosesc toate metodele de detecție a încărcării ( variația -dV, dT/dt etc.) dar în alt mod decât încărcătoarele NiCd.

Datorită variației mici de tensiune negativă din cauzele mai sus menționate, o încărcare corectă a acumulatorilor NiMH se realizează doar cu încărcătoare rapide și ultra-rapide. Acestea se bazează pe un timer pentru dectarea încărcării complete, dar duce la supraîncărcarea unei celule, fie la o încărcare incompletă a acesteia. Dar spre deosebire de acumulatorii NiCD, cei cu NiMH au o toleranță redusă la supraîncărcare datorită reacțiilor chimice specifice din interior. Tot o caracteristică specifică este că încărcarea în modul trickle trebuie să se realizeze la curenți de 5 ori mai mici față de acumulatorii NiCd.

Încărcătoarele ieftine nu asigură o încărcare corectă, deoarece ele opresc procesul pe baza detecției unui vârf de tensiune sau a unui vârf de temperatură.

2.3 Încărcarea acumulatorilor pe bază de Litiu

Datorită reacțiilor chimice specifice, la încărcarea celulelor pe bază de litiu nu există încărcătoare rapide, ultra-rapide sau care să regenereze acumulatorul. Încărcarea se face pe baza specificațiilor producătorului de acumulatori. Aceștia prezintă celule „curate”, care nu generează emisii de gaze, nu au nevoie de formatare înainte de prima utilizare și nu prezintă nici fenomenul de memorie.

2.3.1 Încărcarea acumulatorilor Li-ion

Majoritatea acumulatorilor suportă o tensiune de încărcare de 4.2 V/celulă, cu o toleranță de 50 mV/celulă. Folosind tensiuni mai mari se poate mări capacitatea, dar acest lucru necesită măsuri de siguranță sporite și duce la reducerea duratei de viață a acumulatorului.

Fig. 2.3. Procesul de încărcare al acumulatorilor cu litiu

În prima fază, cea a încărcării la un curent constant (recomandat de producători a fi între 0.8 și 1C), tensiunea pe celulă crește până când ajunge tensiunea de prag stabilită (maxim 4.2 V). Când se atinge această valoare, se trece la faza a doua, unde tensiunea rămâne constantă iar curentul scade. Încărcarea completă se realizează atunci când curentul scade până la 0.03C și tensiunea este la pragul maxim admisibil. Timpul total de încărcare este de aproximativ 3 ore. Creșterea curentului de încărcare în prima fază nu duce la un timp de încărcare mai mic deoarece faza a doua va dura proporțional mai mult, până când curentul va ajunge la valoarea minimă. Totuși, o încărcare la curent mare duce la atingerea rapidă a unei capacități de aproximativ 70%.

Bateriile de capacități mici, ca și cele folosite la telefoanele mobile, folosesc un curent de încărcare de 1C, iar cele de capacități mai mari, cum ar fi cele din calculatoarele portabile se încarcă la un curent de 0.8C. Eficiența încărcării este de 99% iar bateria nu se supraîncălzește.

Acumulatorii pe bază de litiu nu necesită încărcarea în mod trickle, întâlnită la cei pe bază de nichel. În loc de aceasta este recomandată o încărcare completă regulată, o dată la aproximativ 20 zile, la o tensiune de prag de 4.05-4.2 V/celulă.

Acumulatorii Li-ion nu necesită o încărcare completă ca și în cazul celor pe bază de acid, pentru că o tensiune mare, continuă, stresează celulele. Prin alegerea unei tensiuni de prag mai mică se mărește durata de viață, micșorând capacitatea. Fiindcă acest lucru nu este dorit de piață, producătorii aleg varianta capacității maxime în detrimentul duratei de viață a acumulatorului.

Fig. 2.4. Capacitățile acumulatorului în funcție de tensiunea de prag

Măsurarea tensiunii pe o celulă în gol (fără consumator) poate fi utilizată pentru determinarea stării sale de încărcare, însă doar după câteva ore după ce aceasta a fost scoasă de la încărcat. O celulă pe bază de litiu care prezintă o tensiune în gol de 3.8 V relevă o capacitate de 60%. Totuși, această masurătoare diferă în funcție de producător, dar mai ales în fucție de temperatura ambiantă. O temperatură mare va indica o tensiune mai mică a celulei.

La aplicarea unei tensiuni mai mari de 4.3 V/celulă apare fenomenul de supraîncărcare. Acesta constă în acumularea litiului metalic pe anod iar catodul devine agent oxidant, determinând generarea de dioxid de carbon. De obicei, acumulatorii prezintă circuite de protecție care întrerup curentul de încărcare atunci când presiunea trece de o anumită valoare (13.8 bari). Când presiunea trece de 35.5 bari se rupe membrana de protecție și apar flăcări.

Acumulatorii Li-ion nu trebuie să fie supradescărcați. Un circuit de protecție împiedică acest lucru prin oprirea furnizării de curent atunci când tensiunea pe o celulă scade sub 3 V. Dacă descărcarea continuă și tensiunea scade sub 2.7 V, acumulatorul intră în modul sleep și nu mai poate fi încărcat folosind încărcătoarele obișnuite. Înainte de o stocare prelungită este recomandată o încărcare parțială pentru a evita intrarea în modul sleep. Din această cauză, producătorii livrează pe piață acumulatoarele încărcate la 40%.

2.3.2 Încărcarea acumulatorilor Li-polimer

Încărcarea acumulatorilor Li-ion polimer, numite la general Li-polimer (Li-po) este foarte similară cu încărcarea Li-ion, nefiind necesari algoritmi speciali. Diferența constă în faptul că se folosește ca electrolit un gel polimerizat pentru îmbunătățirea conductivității. De cele mai multe ori se poate folosi același încărcător ca și pentru Li-ion.