Z czego wynika nierówne ładowanie połączonych szeregowo akumulatorów?

Pytanie

Pyta Robert

Dlaczego w pojazdach z instalacją 24V istnieje problem nierównego ładowania połączonych szeregowo akumulatorów? Pomijam oporności zwory łączącej akumulatory oraz styków kołek-klema akumulatorów. Remedium jest okresowa zamiana miejscami akumulatorów. Czy możliwe jest, że cały problem dotyczy przekrojów czynnych styków? (Kołek dodatni jest zwykle większej średnicy niż kołek ujemny.)

Odpowiedź

Odpowiada Jerzy Tarasiuk

Akurat same przekroje styków nie mają tu istotnego znaczenia; mogą wpływać poprzez zjawiska, do których wystąpienia nie jest konieczna różnica przekrojów styków, i do których raczej nie daje ona większego wkładu.

Jedną z przyczyn może tu być występowanie pobierania prądu tylko z jednego akumulatora – czy to wynikające z układu (jak kontrolka podłączona do jednego akumulatora – nie jest to dobre, ale błędy w projektach się zdarzają), czy będące skutkiem złej izolacji – upływności z połączenia między akumulatorami do konstrukcji samochodu zazwyczaj połączonej z ujemnym biegunem zestawu akumulatorów; upływność może być powodowana przez niszczenie izolacji, czy gromadzący się na niej osad – na ogół z akumulatorów wydostają się pary elektrolitu, często powodując korozję w ich okolicy, i mogą one także wpływać na izolację – np. osiada na niej kurz z domieszką elektrolitu, albo tworzący się związek korodującego metalu z kwasem z elektrolitu; na elementach samochodu, w tym na izolacji, osiada też sól używana do posypywania dróg, i wraz z wodą pochodzącą np. z kondensacji pary wodnej tworzy elektrolit, który przewodzi prąd. Tu większy kołek da większy obszar, z którego może być upływność. Zwracam jednak uwagę, że przy typowym połączeniu (jeden biegun, zwykle ujemny, jest połączony z masą) istotna jest tylko upływność z połączenia między akumulatorami – biegun układu akumulatorów połączony z masą nie ma napięcia, a upływność z drugiego tyle samo rozładuje oba akumulatory.

Inną przyczyną może być złe działanie układu balansowania naładowania akumulatorów (o ile samochód taki ma – kiedyś takich układów nie było, ale może teraz już są stosowane w samochodach) – zadaniem takiego układu jest pilnowanie, by oba akumulatory były jednakowo ładowane, ale jeśli taki układ jest niedokładnie wyregulowany, to jeden akumulator zawsze będzie ładowany do niższego napięcia, niż drugi.

 

Jest też możliwy wpływ otoczenia na sprawność ładunkową akumulatorów (gdyby akumulatory same z siebie miały różne sprawności ładunkowe, to zamiana miejscami by nie pomogła) – jeśli jest różnica sprawności ładunkowych akumulatorów, to każdy cykl ładowania/rozładowania zwiększa różnicę ich naładowania (jeśli nie ma układu balansowania). Tu wpływ może mieć temperatura i drgania. Różnica temperatury może wynikać z tego, że jeden z nich jest bliżej jakiegoś źródła ciepła, bądź dmucha na niego ogrzane powietrze. Różnica drgań choćby z położenia względem kół (bliżej koła bardziej trzęsie).

Temperatura wpływa na wszelkie procesy chemiczne (także elektrochemiczne), na oporność elektrolitu, i przez to sprawność ładunkową. Wyższa temperatura powoduje większe samowyładowanie akumulatora. I tu mniejszy kołek może powodować większe podgrzewanie akumulatora ciepłem wydzielającym się na oporności styku przy przepływie prądu – jakkolwiek prawdopodobnie inne źródła ciepła mają dużo większy wpływ, a mniejszy kołek może – choć ma mniejszą powierzchnię – mieć lepszy kontakt, bo jest mocniej dociśnięty.

Drgania mogą zwiększać mieszanie się elektrolitu (podczas ładowania, bądź rozładowania cząsteczki elektrolitu muszą się przemieszczać, drgania mogą w tym pomagać, przez co sprawność ładunkowa wzrośnie), mogą przyspieszać usuwanie pęcherzyków gazów wydzielających się w akumulatorze (one przeszkadzają w przepływie prądu przez elektrolit, powodują nierównomierność jego rozkładu, przez co jakieś miejsca na elektrodach pozostają niedoładowane). Ale zbyt silne drgania mogą powodować tworzenie się pęcherzyków powietrza w elektrolicie i utrudniać ładowanie akumulatora.

 

W sumie – możliwych przyczyn jest całkiem sporo – i nie wykluczam, że to nie są wszystkie. Asymetria obciążenia (np. kontrolka podłączona do jednego akumulatora), upływność z połączenia między akumulatorami (poprzez osad na izolacji), warunki w otoczeniu (temperatura, drgania) powodują systematyczny wzrost różnicy naładowania, o ile nie ma układu balansowania. Układ balansowania, jeśli jest, ochroni akumulator przed wzrostem różnicy naładowania, ale niedokładność jego działania będzie utrzymywać stałą różnicę naładowania akumulatorów, i już to wystarczy, by spowodować nierówne ich zużycie.

Z drugiej strony, układ dwóch połączonych szeregowo akumulatorów 6V był stosowany w ciągniku Vładimiriec – i nie słyszałem od jego właściciela, by występował problem z nierównym naładowaniem. Ale w tym ciągniku było odłączanie ujemnego bieguna układu akumulatorów od masy, akumulatory były 6V, umieszczone wysoko i symetrycznie (w ten sposób znacząco zmniejszono wpływ brudu, pewnie były tak samo narażone na drgania, i może na temperaturę); instalacja była 12V (nie było żadnej kontrolki 6V); i nie było układu balansowania…

 

O niektórych z wymienionych czynników (przewodzenie prądu przez brud, temperatura) znalazłem informacje w sieci – nie jako przyczynę asymetrii, a jako powód dość szybkiego (kilka dni) rozładowania się akumulatora, gdy nie jest używany – to oznacza, że prąd związany z tymi czynnikami potrafi być spory; tym bardziej mogą one powodować asymetrię naładowania dwóch szeregowo połączonych akumulatorów:

Dlaczego akumulator szybko się rozładowuje?

Podczas eksploatacji samochodu, w okolicach baterii i na samej części gromadzie się wilgoć, płyny eksploatacyjne i kurz, które gdy się nadmiernie nagromadzą, tworzą warstwę przewodzącą.

Jak znaleźć przyczynę rozładowywania się akumulatora podczas kilkudniowego postoju samochodu?

Regułą jest, że im starszy akumulator, tym szybciej i łatwiej się rozładuje nawet przy zdjętych klemach z jego biegunów. Jest to proces, na który użytkownik pojazdu nie ma żadnego wpływu. Natomiast ma wpływ na podobny do niego proces rozładowywania się akumulatora, zachodzący na jego powierzchni, z czego najczęściej nie zdaje sobie sprawy.

Samorozładowanie akumulatora: co to jest i dlaczego akurat dzieje się latem?

podniesienie temperatury o 10 stopni Celsjusza podwaja tempo samorozładowania

To by pasowało do reguły Arrheniusa – wzrost temperatury o 10 stopni podwaja tempo reakcji chemicznych; nie jest to prawdą w ogólnym przypadku – jest tak dla w miarę powolnych reakcji (czas liczony w godzinach, albo dniach) w temperaturach bliskich pokojowej.

Dlaczego akumulator samochodowy się rozładowuje?

Wilgotny i zanieczyszczony sprzęt rozładowuje się przez prądy pełzające.

(Uwaga, następne zdania po zacytowanym są niejasno sformułowane: Nierzadko przyczyną jest także zaśniedziały kabel masowy silnika lub kabel prowadzący od akumulatora do masy silnika. Wszystko to powoduje straty energii, która zatrzymuje się na połączeniach i w efekcie rozładowuje akumulator. – zaśniedziałe połączenia przeszkadzają w naładowaniu akumulatora i utrudniają rozruch silnika, przez co zużywa on więcej energii, ale same z siebie nie rozładowują akumulatora, i również nie przyczyniają się do asymetrii naładowania akumulatorów.)