Akkumulátorok élettartama és kapacitása

Egy elektromos jármű megvásárlása esetén a potenciális vásárló első kérdései között szerepel, hogy „mennyi ideig bírja az akkumulátor?”. A legtöbb esetben egyszerű, számszerű választ vár a kérdést feltevő, ám a ha az eladást „ösztönző” válasz helyett valódi válaszokat szeretnénk, akkor jobban el kell mélyedni e témában:

Kezdjük egy viszontkérdéssel az elején: „Mennyit fogyaszt egy benzinüzemű autó? Máris láthatjuk, hogy van párhuzam a két kérdés között. Hiszen ez utóbbi attól függ, hogy milyen vezetési stílusunk, vagy éppen milyen utakon közlekedünk. Ha 1-es sebesség fokozatban maximális fordulatszámon megteszünk 100 kilométert egy főútvonalon, akár 70 liternyi üzemanyagot is el tudunk égetni, ugyanakkor a legkímélőbb üzemmódban is elégethetünk közel ugyanennyit, ha „offroad” szórakozásra vágyunk.

Máris látható, hogy leendő és/vagy meglevő elektromos járművünk akkumulátorának üzemideje már a vásárlás pillanatában is függ legalább két változótól: milyen a környezet, amiben üzemel és milyen felhasználási módozatban kell betöltenie feladatát?

A következő oldalakon a vásárlói kérdéssel indított témában szedtük a legfontosabb tudnivalókat.

Tovább olvasom >>

Az akkumulátorok élettartamára kétféleképpen szoktak hivatkozni: években megadott élettartam, illetve kisütési ciklusszám szerint.

1.Élettartam

1. Években

Az akkumulátor élettartama: Az az idő, ami eltelik addig, amíg az akkumulátor használhatatlanná válik függetlenül attól, hogy használatban volt-e. Sok tényezőtől függ az akkumulátor élettartama, egységes csoportosítás EUROBAT módszertan szerint:

1. 3-5 év, standard kereskedelmi:

Az akkumulátorok ezen csoportja a felhasználói stand-by alkalmazásokban és a kis vészhelyzeti felszerelésekben népszerűek.

2. 6-9 év, általános rendeltetésű:

Az akkumulátorok ezen csoportját ott használják, ahol a standard kereskedelmi termékeknél nagyobb élettartam az elvárás és szigorúbbak a működési körülmények.

3. 10-12 éves, hosszú élettartam:

Az akkumulátorok ezen csoportját ott használják, ahol nagy teljesítmény, hosszú élettartam és magas megbízhatóság az elvárás.

4. >12 éves, nagyon hosszú élettartam:

Az akkumulátorok ezen csoportja olyan alkalmazásoknál használják, ahol a leghosszabb élettartam és a legnagyobb megbízhatóságra van szükség.

1. Ciklusszám szerint

Az akkumulátor ciklusszáma a teljes feltöltések és teljes kisütések lehetséges száma. Technológiától függően az akkumulátorok ciklusszáma 300-2000 között változik (Dufo-López, 2014).

Az akkumulátorrendszereket ipari alkalmazások szerint (ESZK, 2015) lehet csoportosítani, ami alapvetően determinálja az akkumulátorok használatának jellegét, így azok fő igénybevételét.

1.  „stand-by” (készenléti) üzem:

A „stand-by” üzem esetén a hálózati betáplálás megszűnése után a rendszernek biztosítania kell a megfelelő energiát a kiesés idejére. Hálózati ingadozások hatásának kiküszöbölésére is nagyon jól használható. Felhasználási területei

• segédüzemi állapot folyamatos feltöltött állapotban tartással pl. egyenirányítóval
• pl. telekommunikáció, energiaszolgáltatás, hagyományos UPS alkalmazások, vészvilágítás, tűzjelző és riasztó rendszerek

2. „buffer” üzem

A „buffer” üzem akkor használatos segédüzemi állapot, ha a fogyasztónak nagyobb az áramigénye, mint amennyit az egyenirányító leadni képes, ekkor az akkumulátorok azok, amik a hiányzó energiát biztosítani tudják.

• segédüzemi állapot, mint „stand-by”üzemnél, de a tölt őáramnál nagyobb terhelés id nagyobb terhelés id őszakok el szakok előfordulásával, jellemz fordulásával, jellemzően sekély en sekély ciklusok (1-5%)
• Tipikus felhasználás a közlekedés

3. ciklikus üzem (munkaakkumulátor)

Ciklikus üzem esetén valamilyen adott ciklusban egy megadott időn keresztül folyamatos feltöltés, majd ugyan annyi ideig történő folyamatos kisütés történik

• folyamatos töltés-kisütési állapotok váltakozása
• pl. anyagmozgatás, takarító gépek, mobil-elektromos gépek

4. hibrid üzem

Hibrid üzemet főleg megújulóknál alkalmaznak, ezen akkumulátorok képesek a terhelés megváltozásának megfelelően energia felvételére vagy leadására.” (ESZK, 2015)

• ciklikus és „stand-by” üzemállapot keveréke
• felhasználása megújuló energiaforrások energiatárolói, szigetüzemi rendszerek akkumulátorai” (ESZK, 2015)

2.Akkumulátorok öregedése

Ólom-savas akkumulátorok öregedését korábban számos munka dolgozta fel (Dufo-López, 2014, [1-5]). Ezek alapján a legfontosabb öregedési folyamatok a korrózió, pozitív aktív tömeg degradációja és rácstapadás elvesztése, irreverzibilis szulfátosodás az aktív tömegben, rövidzárak, vízveszteség és elektrolit rétegződés (Dufo-López, 2014, [3]).

A munkaakkumulátorok öregedését általában a pozitív aktív tömeg degradációja okozza. Az akkumulátorok gyártó által megadott élettartamának ciklusszáma technológiától függően 300-2000 ciklusra terjed ki. Ezeket a számokat azonban szabványos körülmények között laboratóriumi környezetben állítják elő. A valóságos üzemkörülmények azonban jelentősen eltérnek a szabványostól, így az akkumulátorok gyakorlatban tapasztalt valódi ciklusszáma jelentősen elmarad a gyári értékektől.

A készenléti akkumulátorok – amelyek alapvetően folyamatos csepptöltés alatt állnak (a valóságban az üzemkörülményekben előállhatnak eseti részleges kisütések –, öregedését tipikusan a pozitív rács korróziója okozza. A csepptöltés optimális feszültségszintje mellett (kisütés, ciklus nélkül) érhető el az akkumulátor elméleti „service life”, amit „floating liftime”-nak hívnak. Ennek az értéke 10-20 év között lehet technológiától függően (a gyártók ezeket adják meg az adattáblákon). Azonban még az üzemszerűen csepptöltés alatt tartott UPS rendszerek esetén is a valódi üzemeltetési körülmények eltérhetnek az optimálistól, így a valós „floating life” sokkal alacsonyabb lehet a megadott értéknél. Az akkumulátor adatainál feltüntetett „floating life”-t általában 20-25°C hőmérsékleten állapítják meg, de a hőmérséklet hatása a „floating life”-ra hozzávetőlegesen 50%-os csökkenést is eredményezhet minden 8,3 °C-os hőmérsékletnövekedés után. (Dufo-López, 2014, [6])

1. ábra. Rácskorrózió (ESZK, 2015)

Az akkumulátorok élettartamát nehéz becsülni, mivel számos üzemkörülmény befolyásolja, alább néhány faktor a teljesség igénye nélkül:

• töltés-kisütés ciklusok mélysége,
• áramerősség,
• cella feszültség,
• töltésvezérlő teljesítménye (pl.: feszültség, töltöttségi korlátok és szabályozás),
• alacsony töltöttségű állapotokban eltöltött idő,
• az utolsó teljes feltöltéstől eltelt idő,
• hőmérséklet,
• stb.

3.Élettartam-karakterisztikák és töltési módok

Az akkumulátorok munkavégző képességét alapvetően tényleges feszültségük és kapacitásuk határozza meg. Egy újonnan beépített akkumulátornál a gyártók garantáljak a névleges jellemzőket és megadják a várható élettartamot, amely idő alatt, az alkalmankénti kisütések és állandó 20 °C-os környezeti hőmérséklet mellett, az amperórás kapacitás a névleges érték 80%-ára csökken. Az üzemelés során azonban számos tényező befolyásolja az akkumulátor kapacitását, mint például a hőmérséklet, karbantartás, idő. Kapacitásvizsgálattal, amely valójában az akkumulátorok meghatározott körülmények között adott ideig történő kisütése, megállapíthatjuk, hogy az akkumulátorok az üzemeltetési körülményeket is figyelembe véve milyen mértékben felelnek meg a gyártók által megadott, illetve elvárható állapotoknak.

A gyakorlatban alapvetően kétféle vizsgálati módszer terjedt el, amelyekből megbízható következtetést vonhatunk le az akkumulátorok állapotára vonatkozóan.

Állandó leadott teljesítményes vizsgálat

Az eljárás során állandó leadott teljesítménynek megfelelő árammal sütjük ki az akkumulátorokat. Ez azt jelenti, hogy a vizsgálati ciklus alatt a csökkenő feszültség függvényében folyamatosan növeljük a kisütő áramot

Állandó leadott áramos vizsgálat

Ezen eljárás szerint a vizsgálat alatt állandó árammal sütjük ki az akkumulátorokat. A gyakorlatban a rendelkezésre álló kapacitás meghatározására ez utóbbi módszer az elterjedtebb. Az akkumulátorgyártó cégek katalógusaikban általában mind az állandó teljesítménnyel, mind az állandó árammal történő kisütési görbéket megadják, ezért a legtöbb akkumulátor diagnosztikai egység mindkét kapacitásvizsgálati eljárásra alkalmas. (Dr.Nagy-Dr.Lakatos, 2012, Energiatárolás…)

Hidegindító áram (Cold cranking amps vagy CCA) az az áramerősség érték, amelyet az akkumulátor problémamentesen le tud adni 30 másodpercen keresztül -18C hőmérsékleten úgy, hogy a feszültsége nem esik 7.2V alá. Indítóáram (cranking amp vagy CA) az az érték, amelyet hasonló körülmények között mérnek 0C hőmérsékleten. Amperóra (AH) az akkumulátor kapacitását (energia befogadó-képességét) jelenti. 1 Amperóra egyenlő 1A áramerősség 1 órán keresztüli leadásával.

SOC (state of charge) – töltöttségi állapot: Az akkumulátor aktuális töltöttségét jelzi. Fontos megjegyezni, hogy az SOC érték nem azonos a még rendelkezésre álló kapacitással. A rendelkezésre álló kapacitás még sok más egyéb tényező függvénye az SOC mellett. Az SOC és a névleges teljesítmény szorzata nyújt információt a maradék kapacitásról, ami még mindig nem fejezi ki pontosan a felhasználható maradék kapacitást, mivel nem számol például az akkumulátor elöregedésével stb. Ha az akkumulátor teljesen fel van töltve, az SOC értéke 100%, teljesen lemerülten az SOC 0%.

DoD (depth of discharge) - kisütési mélység vagy károsodás nélküli lemerítés:  kisütési mélység, egy akkumulátor vagy cella maximális elektrokémiai kapacitásának csökkenését jellemző érték, mely a csökkenés mértékét és nem a maradék töltést adja meg százalékban. Minél nagyobb ez az érték, annál többször lehet az akkumulátort mélykisütni anélkül, hogy az akkumulátor tartós kárt szenvedne. Egy alacsony értéknél csak egy bizonyos százalékig lehetséges az akkumulátort használni, egy 100%-os értéknél tehát az egész akku-kapacitás a rendelkezésünkre áll. Tehát minél magasabb a DoD érték, annál jobb az akkumulátor kapacitás kihasználhatósága.

SOH (State-of-Healt) - az ólomakkumulátorok egyik állapotjellemző paramétere. Az SOH-érték jelöli a még rendelkezésre álló teljesítményt, illetve azzal összefüggésben álló áramot, amit az akkumulátor még le tud adni.

Az akkumulátor élettartama, ahogy cikkünk elején is meghatároztuk: Az az idő, ami eltelik addig, amíg az akkumulátor használhatatlanná válik függetlenül attól, hogy használatban volt-e. Két legfontosabb tényező, ami ezt befolyásolja: hőmérséklet és idő.

Az Arrhenius-egyenlet azt fejezi ki, hogy a reakciósebességi állandó (k) hogyan függ a hőmérséklettől (T) és az aktiválási energia (E_a) értékétől

ahol

A = a preexponenciális tényező

R= az egyetemes gázállandó.

Az idő és a hőmérséklet hatását a relatív belső ellenállásra az alábbi grafikon mutatja.

2. ábra: Idő és a hőmérséklet hatása a belső ellenállásra

Szobahőmérséklet környékén a minden 10 °C-os hőmérsékletnövekedés hatására kétszeresére nő a reakciósebesség. Tehát például 1 óra az akkumulátor élettartamából 35 °C-on egyenlő 2 órával 25 °C-on. A hő az akkumulátor ellensége az Arrhenius-egyenletnek megfelelően.

Az alábbi grafikon az ólom-savas akkumulátor kapacitását életét írja le különböző működési hőmérsékleteken.

3. ábra: Akkumulátor kapacitása életkora függvényében a különböző hőmérsékleti értékeknél

A DoD és a ciklusszám kapcsolatát írja le a következő grafikon. Azt fejezi ki, hogy akkumulátor vagy cella maximális elektrokémiai kapacitásának csökkenésével hogyan csökken az elméleti ciklusszám.

4. ábra: DoD értékek és a ciklusszám közötti kapcsolat

A fentiből következően a DoD maximumát minél kisebb értéken tartva az akkumulátor élettartama jelentősen meghosszabbítható. A szükségesnél nagyobb kapacitású akkumulátor használatával szintén növelhető az élettartam.

Az akkumulátorok különböző rátákon tölthetőek a követelményektől függően. A tipikus töltési módok a következőek:

• Lassú töltés: 14-16 óra, töltési ráta: 0,1 C
• Sebes töltés: 3-6 óra, 0,3 C
• Gyorstöltés: kevesebb, mint 1 óra, 1,0 C

Lassú töltés: Nem melegszik túl az akkumulátor, egyszerű töltővel is lehetséges.

Sebes/Gyorstöltés: Ahogy a töltési ráta emelkedik, úgy nő a túltöltés és a túlmelegedés veszélye. Minden egyes cellának megvan a maga karakterisztikája, ezért a töltőknek képesnek kell lenniük detektálni, ha a töltési körülmények nem megfelelőek. A túlmelegedés megelőzése érdekében a töltőknek rendelkezniük kell valamilyen hőre érzékeny biztosítékkal. A sebes és gyorstöltéshez tehát összetettebb töltőkre van szükség, egy átlagos töltőberendezés erre a fajta töltésre általában képtelen. Egy adott cellatípusra tervezett töltő nem képes más fajta cellát tölteni károkozás nélkül. Az univerzális töltők azonban be tudják azonosítani a cella típusát és annak megfelelő töltési profilt alkalmaznak.

Az ólom-savas akkumulátorokhoz CC/CV (constant current constant voltage – állandó áramerősség, állandó feszültség) töltési módot alkalmaznak. Először állandó áramerősségen növekszik a feszültség a felső töltési feszültség eléréséig, amely pontban az áramerősség leesik. A töltési idő 12-16 óra, vagy akár 36-48 óra nagy akkumulátorok esetében. Nagyobb töltési feszültséggel és többlépcsős töltési móddal ez az idő 8-10 órára csökkenthető.

Az ólom-savas akkumulátorok három lépcsőben érdemes tölteni:

[1] állandó áramerősségű (teljes) töltés

[2] kímélő töltés

[3] csepptöltés.

Az első lépcső a teljes töltés (bulk charging), ahol az akkumulátor a kapacitásának kb. 80%-át visszanyeri a töltő maximális áramú és feszültségű töltése mellett. Amikor az akkumulátor feszültsége eléri a 14,4V-ot, elkezdődik a második lépcső, a kímélő töltés (absorption charge). Ilyenkor a töltőfeszültség állandó 14,4V-os értéken marad és a töltőáram folyamatosan csökken egészen addig, amíg az akkumulátor töltöttsége el nem éri a 98% körüli értéket. Itt elkezdődik a harmadik lépcső, a csepptöltés (float charging), amely kb. 13,4V-os töltőfeszültséggel és alacsony (többnyire 1 amper körüli) töltőárammal kímélve tölti az akkumulátort. Ezzel az utolsó lépcsővel az akkumulátor töltöttsége eléri vagy megközelíti a 100%-os értéket. A csepptöltés ideje alatt az akkumulátor nem melegszik és a töltöttségi szintje közel 100%-os marad hosszú idejű pihenés alatt is.

5. ábra: Töltési karakterisztika

A maximális töltési határ beállítása nagyon kritikus pont, és 2,3 és 2,45 V között mozog cellánként. Egyrészről a maximális kapacitás elérése és a savasodás elkerülése érdekében érdemes az akkumulátort teljesen feltölteni, azonban ha a töltés nem vált át csepptöltésre a megfelelő időben, akkor túltöltés és korrózió következik be.

A töltési hőmérsékleti együttható az ólom-savas akkumulátoroknál -3mV/°C. Ha a 25 °C-ot tekintjük a középpontnak, akkor 25 °C felett fokonként 3 mV-tal kellene a töltési feszültséget csökkenteni cellánként, míg 25 °C alatt ennyivel növelni. A következő táblázat az előnyöket és a korlátokat mutatja a különböző csúcsfeszültségek esetében.

Az akkumulátort nem szabad 48 óránál tovább kiegyenlítő töltésen tartani, hanem csepptöltést kell alkalmazni. A túltöltés esetén a felesleges energia hővé alakul, és gázképződés lép fel.

A javasolt csepptöltési feszültség 2,25-2,27 V/cella. 29 °C felett ez alá is érdemes csökkenteni. Nem minden töltő képes csepptöltésre. Abban az esetben, ha a kímélő töltés után nem esik a töltési feszültség 2,3 V alá, a töltést érdemes 48 óra után megszakítani.

Az ólom-savas akkumulátorokat minden esetben feltöltött állapotban kell tárolni. Félévente kímélő töltést kell alkalmazni azért, hogy a cellák feszültsége ne essen 2,05 V alá.

Solver Unio Kft

2017. január