Co roku wielu kierowców kojarzy pierwsze mrozy z problemami z uruchomieniem samochodu. Ujemne temperatury są bowiem najlepszym testerem akumulatorów. W temperaturze poniżej zera wcześniejsze uchybienia serwisowo-obsługowe w obsłudze tych urządzeń objawią się niemożnością uruchomienia pojazdu.

Co jednak zrobić, jeśli pojazd nie „zapali”? Najlepiej znaleźć tego przyczynę. Zwykle takie śledztwo prowadzi do wymiany akumulatora. W przypadku pojazdu prywatnego, poza oczywistym chwilowym kłopotem w uruchomieniu samochodu, nie ma z tym większego problemu – wystarczy, że właściciel auta uda się do odpowiedniego punktu i zaopatrzy się w źródło prądu.

Większe kłopoty mają np. właściciele serwisów samochodowych, którzy z nadejściem mrozów odbierają kilka telefonów dziennie z prośbą o uruchomienie pojazdu. Często okazuje się, że konieczne jest użycie osobnego źródła prądu, bowiem nie zawsze można podjechać drugim samochodem i uruchomić pojazd za pomocą kabli rozruchowych.

W takim przypadku można się wesprzeć przenośnym urządzeniem rozruchowym, które ma tak duży zapas mocy, że umożliwia bezproblemowe uruchomienie nawet pojazdu ciężarowego. Przykładem takiego urządzenia może być przenośny „starter” ASM 12/500 pozwalający pobrać maksymalny prąd rozruchowy o wartości 500 A przy napięciu 12 V. Maksymalny chwilowy pobór prądu to 1000 A. Żywotność takiego urządzenia jest określana na 1000 cykli rozruchu przy 50-proc. wyładowaniu akumulatora wewnętrznego. Większe systemy mają większe możliwości rozruchowe, ponieważ oferują prądy rozruchu dochodzące nawet do 1000 A.

Po każdym rozruchu zachodzi jednak konieczność naładowania także przenośnego źródła. Z uwagi na wyposażenie go we własny układ ładujący jest to czynność dość łatwa: wystarczy tylko podłączyć urządzenie do sieci 220 V.

Łatwo uruchomić

Oprócz urządzeń obsługiwanych w pełni manualnie można również używać automatów rozruchowych. Są one zabezpieczone przed zamianą polaryzacji podczas podłączania do akumulatora oraz wyposażone w osobny wyłącznik. Są w stanie przesłać nawet 1600 A prądu do odbiornika o napięciu nawet 24 V. Największe tego typu urządzenie rozruchowe firmy Kunzer waży 56 kg, oferując 6200 A prądu przy napięciu 12 V lub 3100 A podczas rozruchu pojazdu z 24-woltową instalacją elektryczną.

Ładowanie akumulatora

Oprócz przenośnych systemów do uruchamiania pojazdu do podstawowych urządzeń wykorzystywanych w warsztacie należą prostowniki do akumulatorów. Ewoluują one analogicznie jak akumulatory. Coraz nowsze rozwiązania stosowane w samochodowych bateriach wymuszają bowiem stosowanie coraz nowocześniejszych technologii ładowania. Jest to związane ze zmieniającą się konstrukcją akumulatora samochodowego i z idącą z tym w parze zmianą dynamiki przepływu ładunków wewnątrz niego. Najnowsze konstrukcje akumulatorów, czyli baterie typu AGM, mają w sobie elektrolit związany za pomocą mat z włókna szklanego. Tymi matami są poprzekładane płyty z masą czynną akumulatora. By ten typ akumulatora działał bezproblemowo, konieczne jest użycie elektrolitu nie w formie płynnej, która by z tych mat zwyczajnie wyciekła, lecz w formie żelowej, która pozostaje w matach niezależnie od sposobu i pozycji montażu akumulatora.

Nowoczesne prostowniki pozwalają ładować akumulatory impulsowo. Wskaźnik diodowy informuje o aktualnym przebiegu procesu. Źródło: Ctek

Podczas użytkowania akumulatora (odbioru energii elektrycznej) mamy do czynienia z zamianą energii chemicznej w elektryczną. W trakcie jego pracy zachodzi reakcja chemiczna materiału aktywnego płyt z kwasem płynnym lub uwięzionym (AGM). W wyniku tej reakcji powstaje energia elektryczna oraz produkt uboczny w postaci kryształów siarczanu ołowiu (PbSO4). Po pełnym rozładowaniu akumulatora kryształy te pokrywają całą powierzchnię płyt. W momencie ładowania zachodzi proces rekrystalizacji kryształów, które zmieniają się w materiał czynny płyt. Jest to normalne zjawisko zachodzące w każdym akumulatorze. Problem zaczyna się jednak, gdy pozostawimy rozładowany akumulator na dłuższy czas lub gdy powoli się on rozładowuje bez ładowania. Wówczas kryształy tworzące się na płytach akumulatora mają tendencję do łączenia się w większe jednostki, które stanowią doskonałą warstwę izolacyjną i skutecznie uniemożliwiają przepływ elektronów z elektrolitu do płyt i na odwrót.

Najprostszym testem stanu akumulatora jest kontrola gęstości elektrolitu za pomocą aerometru. Źródło: Gunson

Ciekawostką jest fakt, że w starszych typach akumulatorów zjawisko rozrostu kryształów siarczanu ołowiu było mniej uciążliwe ze względu na zawartość antymonu w stopie płyt. Aktualnie stosowane domieszki stopowe, takie jak m.in. wapń (Ca), już tak nie spowalniają przemian krystalicznych, ale pozytywnie wpływają na „gazowanie” akumulatora.

Bardziej złożona metoda kontroli akumulatora to pomiar napięcia oraz mocy rozruchowej. Źródło: Robert Bosch

WARTO WIEDZIEĆ
Jak ładować akumulator?

• Ładujemy wyłącznie prądem stałym.
• Źródło prądu ładowania musi mieć napięcie wyższe od napięcia akumulatora. Dla akumulatorów 12-woltowych napięcie źródła powinno wynosić od 13,2 do 16,2 V.
• Temperatura elektrolitu powinna mieścić się w granicach od 5 do 40°C.
• Biegun „+” akumulatora łączymy z zaciskiem dodatnim prostownika, zaś – minus z minusem. Dopiero wtedy podłączamy prostownik do zasilania.
• Podczas ładowania należy wykręcić korki akumulatora.

Strategia ładowania

Te szczegóły techniczne w budowie akumulatorów wpływają w decydujący sposób na strategię ich ładowania. I tak: w starszych typach akumulatorów stosowano duży prąd ładowania, który skutecznie rozpuszczał duże kryształy. Z kolei w aktualnie spotykanych konstrukcjach (AGM) ładowanie stałonapięciowe nie jest zbyt korzystne, ponieważ w końcowej fazie prąd ładowania jest na tyle mały, że nie jest w stanie rozpuścić największych pozostających na płytach kryształów, co niekorzystnie wpływa na pojemność akumulatora i jego żywotność. W związku z tym w akumulatorach typu AGM w końcowej fazie ładowania powinno się stosować zmienioną strategię ładowania w celu rozproszenia największych kryształów.

Najnowsze rodzaje prostowników do akumulatorów rozpoznają rodzaj akumulatora, który ładują i dobierają odpowiednią krzywą ładowania. Krzywa ładowania określa przebiegi napięcia i prądu ładowania w czasie ładowania akumulatora. Prostowniki ładują też prądem impulsowym, co w przypadku znacznego rozładowania akumulatora pozwala go pobudzić do przyjęcia prądu. Prostowniki ładujące impulsowo są sterowane elektronicznie, dzięki czemu nie trzeba nadzorować ich pracy czy ingerować w ustawienia.
Nowoczesne urządzenia do ładowania akumulatorów dostarczają prąd w sposób impulsowy. Na podstawie pomiaru parametrów akumulatora prostownik jest w stanie określić, kiedy ten jest naładowany do odpowiedniego poziomu i odłączyć się, nie powodując wygotowywania akumulatora, a tym samym utraty wody i zagęszczenia elektrolitu. Kolejnym sposobem pomiaru stanu akumulatora jest pomiar gęstości elektrolitu. Należy go przeprowadzić w temperaturze między 20 a 25°C. W tabeli przedstawiono, jak prezentuje się stan akumulatora w zależności od gęstości zawartego w nim elektrolitu.

 W przypadku pozostawienia akumulatora podłączonego do prostownika na dłużej będzie on w ustalonych wcześniej odstępach czasu mierzył opór i stan naładowania ogniwa, dostosowując ładowanie do prędkości i czasu rozładowywania. W ten sposób urządzenie ładujące rozpoznaje i diagnozuje stan akumulatora. Przykładem tego typu urządzenia jest prostownik CTEK, który w momencie wykrycia pełnego stanu naładowania przełącza się automatycznie w stan doładowywania impulsowego poprzedzonego pomiarem parametrów ładowanego ogniwa. Prawidłowy przebieg ładowania wymaga zachowania określonej kolejności działań, która pozwoli długo korzystać z akumulatora. Przy ładowaniu akumulatorów AGM prostownik przechodzi przez dwie fazy:
1. dzięki odpowiedniej modulacji prądu ładowania usuwa siarkę z płyt,
2. miesza ją z elektrolitem, do którego ona dysocjuje.

Proces ładowania można przedstawić jako krzywą ładowania. Krzywa ta jest określana według algorytmów, które w akumulatorze pełnią konkretne funkcje. Norma DIN 41773 określa struktury krzywych ładowania w taki sposób, aby ładowanie nie doprowadziło do uszkodzenia akumulatora.

Po lewej: krzywa ładowania akumulatora. Na wykresie widać zależność prądu od napięcia ładowania akumulatora. Po prawej: krzywa ładowania nowoczesnego prostownika. Na wykresie prądu i napięcia ładowania zaznaczono funkcje poszczególnych etapów ładowania. Źródło: Archiwum autoEXPERTA/Ctek

Ładowanie akumulatorów litowo-jonowych

Coraz częściej można się spotkać z akumulatorami litowo-jonowymi. Są one stosowane w motocyklach, a także bywają już montowane w samochodach.

Warunek bezpiecznego ładowania akumulatorów litowo-jonowych (w tym litowo-polimerowych) jest jeden: nie wolno przekroczyć dopuszczalnego napięcia i prądu ładowania. Podstawowa zasada brzmi: wszelkie akumulatory litowe należy ładować najpierw przy stałym prądzie wynoszącym zwykle 0,2–0,3 C. Tylko w niektórych modelach dopuszczalny jest większy prąd ładowania – 0,5–1 C, a gdy napięcie wzrośnie do wyznaczonej wartości, ładowarka powinna utrzymywać tę wartość napięcia, a prąd będzie samoczynnie spadał. Należy pamiętać, że do ładowania akumulatorów litowo-jonowych i litowo-polimerowych konieczne jest użycie specjalnej ładowarki ze sterowaniem elektronicznym. Chodzi przede wszystkim o przebieg procesu na początku i końcu ładowania oraz o ładowanie odpowiednim amperażem i napięciem. Akumulatory co prawda mają zabezpieczenie elektroniczne odcinające zbyt duże prądy ładowania, jednak, jak przedstawiono na poniższej ilustracji, przebieg samego procesu ładowania też ma znaczenie.

Na ilustracji linią przerywaną zaznaczono prąd ładowania, natomiast linią ciągłą – napięcie przypadające na każde ogniwo akumulatora. Jak widać, po około 1 godzinie ładowania prąd zaczyna spadać z poziomu 1 A, a napięcie ładowania – stabilizować się na poziomie 4,1 V na ogniwo. Prąd ładowania w kolejnych dwóch godzinach spada, a napięcie ładowania pozostaje na stałym poziomie. Ładowanie zostaje przerwane, gdy prąd ładowania jest mniejszy niż 3% prądu znamionowego. Napięcie ładowania spada wtedy do 3,7 V i przy ciągle przypiętej baterii prąd ładowania jest dołączany w odstępach czasowych, aby podtrzymać naładowanie akumulatora.

Przebieg procesu ładowania: po około 1 godzinie ładowania prąd zaczyna spadać z poziomu 1 A, a napięcie ładowania stabilizować się na poziomie 4,1 V na ogniwo. Prąd ładowania w kolejnych dwóch godzinach spada, a napięcie ładowania pozostaje na stałym poziomie. Ładowanie zostaje przerwane, gdy prąd ładowania jest mniejszy niż 3% prądu znamionowego. Napięcie ładowania spada wtedy do 3,7 V i przy ciągle przypiętej baterii prąd ładowania jest dołączany w odstępach czasowych, aby podtrzymać naładowanie akumulatora. Źródło: Batteryuniversity

Kilka informacji na temat krzywych ładowania

Nawet jeśli prostownik jest oznaczony jako wysokoamperowy, to prawdopodobnie był testowany na akumulatorach o napięciu na poziomie 5–6 V. Realnym amperażem prostownika jest 75% wartości podanej w jego specyfikacji. Prostownik, który nie może dostarczyć stałego napięcia, nie może też w całości naładować akumulatora. W takim przypadku dochodzi do gazowania akumulatora i utraty wody z elektrolitu (należy pamiętać, że utrata wody z elektrolitu, czyli jego zagęszczenie, znacznie obniża sprawność akumulatora i podwyższa ryzyko jego zasiarczenia). 80% ładowania odbywa się w pierwszej fazie. Proste urządzenia ładujące po osiągnięciu napięcia 14,4 V zmniejszają napięcie ładowania. Nie oznacza to jednak, że doładowują dalsze 20% akumulatora.

Reakcje chemiczne zachodzące w akumulatorze

Jednym z częstych uszkodzeń akumulatora jest jego zasiarczenie. Występuje ono w akumulatorach kwasowo-ołowiowych nieużywanych od dłuższego czasu lub po rozładowaniu odstawionych bez naładowania. Podczas normalnego użytkowania na płytach akumulatora tworzy się siarczan ołowiu (PbSO4), który jest redukowany elektrolitycznie podczas ładowania. Siarczan ołowiu jest izolatorem i odkładając się na ogniwach, uniemożliwia swobodny przepływ jonów, w związku z czym gwałtownie maleją możliwości rozruchowe akumulatora.

W ogniwie w trakcie poboru prądu zachodzą następujące reakcje chemiczne na elektrodach:

Anoda – utlenianie:
Pb + SO42− ---> PbSO4 + 2e−

Katoda – redukcja:
PbO2 + SO42− + 4H+ + 2e− ---> PbSO4 + 2H2O
 
Na obu elektrodach w trakcie poboru prądu wydziela się siarczan ołowiu (II): PbSO4. W trakcie ładowania zachodzą reakcje odwrotne.

Sposoby ładowania

Istnieje kilka sposobów ładowania akumulatora. Różnią się one między sobą główną charakterystyką prądową i priorytetami wartości podczas ładowania.

Pierwszym jest ładowanie prądem o stałej wartości, które polega na ładowaniu akumulatora prądem o ustalonej wartości (na przykład 0,1 C–0,1 pojemności akumulatora, czyli dla 10 Ah prąd wynosi 1 A). Konieczne jest wtedy nadzorowanie czasu ładowania i użycie prostownika umożliwiającego dostarczenie stałego co do wartości prądu do akumulatora, czyli zmieniającego napięcie w czasie ładowania. Sposób ten nie jest zalecany przez producentów akumulatorów, ponieważ trudno określić ilość ładunku elektrycznego, który może być zmagazynowany w akumulatorze. Przy głębokim rozładowaniu akumulator nie zostanie całkowicie naładowany, a przy doładowaniu bardzo prawdopodobne będzie przeładowanie akumulatora.

Ładowanie stałym napięciem jest pewniejsze i bezpieczniejsze od sposobu wcześniejszego. Napięcie ładowania waha się w granicach 2,25–2,5 V na ogniwo, co dla akumulatora 12 V daje napięcie ładowania rzędu 13,5–15 V. Na samym początku ładowania prąd przekroczyłby wartość 0,25 C, co dla małych akumulatorów może być niekorzystne, ale powszechnie stosowane baterie samochodowe nie będą miały z tym problemu. Wartość prądu szybko spadnie do bezpiecznych zakresów. Przy tej metodzie ładowania należy zwrócić uwagę na sposób użytkowania akumulatora. Akumulatory pracują jako jednostki rezerwowe lub są rozładowywane i ładowane cyklicznie. Gdy akumulator pracuje cyklicznie, musi zostać szybko naładowany do pełna, więc prąd ładowania może się zawierać w zakresie 0,1 do 0,25 C, a napięcie ładowania może wynosić 2,4–2,5 V na ogniwo (14,4–15 V na akumulator). Jeśli akumulator pracuje w trybie ciągłym i jest stale doładowywany, należy go ładować napięciem na poziomie 2,25–2,3 V na ogniwo (13,5–13,8 V na akumulator). Takie napięcie zagwarantuje prąd doładowujący na poziomie 0,0005 do 0,004 C, co wystarczy do uzupełnienia strat samorozładowania i nie doprowadzi do gazowania akumulatora i utraty wody z elektrolitu.

W momentach, gdy akumulator pracuje jako bufor napięciowy, a trzeba go szybko naładować, stosuje się ładowanie dwustopniowe. Najpierw jest ładowany prądem 0,25 C. Po niedługim czasie zmniejsza się napięcie ładowania, a prąd spada do wartości około 0,02 C. To stabilizuje akumulator i zapobiega wydzielaniu się gazów i utracie wody.