Coraz częstsze wykorzystywanie akumulatorów jako głównych lub awaryjnych źródeł zasilania zwiększa potrzebę dbania o ich bezpieczeństwo i optymalną wydajność działania. Jak prawidłowo diagnozować oraz konserwować akumulatory, aby zminimalizować ryzyko związane z ich eksploatacją oraz wydłużyć ich żywotność?
Wszechstronność i zastosowanie akumulatorów
Akumulatory, czyli baterie wielokrotnego ładowania, są używane zarówno jako źródła energii dla urządzeń elektronicznych czy elektronarzędzi, jak i stosowane w systemach awaryjnego zasilania, samochodach z silnikami spalinowymi bądź elektrycznymi oraz wózkach widłowych. Wraz z rozwojem technologii odnawialnych źródeł energii, takich fotowoltaika czy elektrownie wiatrowe, pojawiła się potrzeba wydajnego magazynowania energii w systemach energetycznych. Mając to na uwadze, akumulatory są coraz ważniejszym elementem w dostarczaniu energii elektrycznej w naszym życiu. Ich rola jako źródła energii staje się kluczowa dla elektromobilności oraz stabilności sieci energetycznych.
Zagrożenia związane z eksploatacją akumulatorów
Akumulatory, mimo swojej wszechstronności i korzyści, mogą być źródłem zagrożeń. Jednym z częstszych problemów jest ryzyko ich pożaru lub eksplozji. Nadmierna ekspozycja na wysoką temperaturę, uszkodzenia mechaniczne, wady produkcyjne czy nieprawidłowe ładowanie mogą prowadzić do niekontrolowanego wzrostu temperatury i różnego rodzaju problemów z tym związanych.
Kolejnym problemem związanym z eksploatacją akumulatorów jest ich ograniczona żywotność i degradacja pojemności w wyniku cykli ładowania i rozładowywania. Mimo że technologia oraz rozwój postępują, a nowe rodzaje akumulatorów wciąż powstają, to wspomniany problem nadal istnieje. Wymagana więc jest kontrola sprawności akumulatorów oraz ich wymiana wraz z upływem czasu.
Sporym wyzwaniem jest również prawidłowy recykling i utylizacja zniszczonych oraz zdegradowanych akumulatorów. Ze względu na zawartość substancji, takich jak lit, ołów czy kwas siarkowy, niewłaściwie utylizowane akumulatory mogą stanowić zagrożenie. Mając to na uwadze, odpowiednie procedury recyklingu są niezbędne, aby zminimalizować wpływ wyeksploatowanych akumulatorów na środowisko i zdrowie publiczne.
Rodzaje akumulatorów
Istnieje wiele różnych rodzajów akumulatorów, z których każdy ma swoje własne cechy, przeznaczenie i problemy. Do najpopularniejszych należą modele kwasowo-ołowiowe, litowo-jonowe (Li-Ion) i litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4).
Akumulatory kwasowo-ołowiowe są cięższe i zajmują więcej miejsca – przy tej samej pojemności – niż akumulatory litowo-jonowe i litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4). Ponadto mają tendencję do szybszego samorozładowywania się, a także charakteryzują się mniejszą trwałością cyklu życia niż akumulatory Li-Ion czy LiFePO4.
Akumulatory ołowiowe są prostsze i tańsze w produkcji. Mogą również dostarczać duży prąd rozruchowy. Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe charakteryzuje z kolei wyższa odporność na głębokie rozładowania, a modele Li-Ion wyróżniają się najwyższą efektywnością elektryczną.
Należy pamiętać, że aby dobrze dobrać akumulator, trzeba prawidłowo zdefiniować swoje potrzeby, takie jak cel wykorzystania i warunki pracy, a następnie wybrać odpowiedni sprzęt, bazując na danych producenta.
Diagnostyka akumulatorów – dostępne metody
Wszystkie akumulatory, bez względu na ich rodzaj, mają jedną wspólną cechę – określoną, ograniczoną żywotność wyrażaną poprzez liczbę cykli ładowania i rozładowania. Skąd mieć pewność, że akumulator, który mamy w samochodzie czy przydomowym banku energii, jest bezpieczny i wydajny? Kiedy akumulator nadaje się do wymiany? Aby to stwierdzić wymagana jest odpowiednia diagnostyka akumulatorów.
Ocena stanu urządzenia wiąże się z koniecznością wykonania testów diagnostycznych, które pozwolą na kompleksową analizę stanu i wydajności. Do takich testów zaliczają się:
- test wizualny,
- pomiar prądu i napięcia,
- pomiar napięcia tętniącego,
- weryfikacja parametrów zasilania,
- test pojemności,
- testy rezystancji wewnętrznej.
Test wizualny jest podstawowym, ale bardzo ważnym elementem oceny stanu technicznego akumulatora. Polega na dokładnym obejrzeniu jego zewnętrznej powierzchni, w celu wykrycia widocznych uszkodzeń, takich jak pęknięcia, wycieki elektrolitu, korozja na terminalach, odkształcenia obudowy czy ślady przegrzania. Proces ten nie wymaga zaawansowanego sprzętu, lecz potrzebna jest tu wiedza i doświadczenie.
Kolejnym testem diagnostycznym jest weryfikacja napięcia. Ten pomiar dostarcza informacji o stanie naładowania akumulatora. Szczególnie istotne jest, aby akumulatory przed badaniami pojemności i impedancji wewnętrznej miały odpowiedni, nominalny poziom napięcia. Napięcie spoczynkowe mierzy się przy braku obciążenia, co oznacza, że akumulatory nie są podłączone do żadnego urządzenia ani systemu pobierającego energię w momencie pomiaru.
Oprócz napięcia spoczynkowego, ważnym parametrem jest również napięcie tętniące, czyli zmienne napięcie (AC) nakładające się na napięcie stałe (DC). Napięcie tętniące może pochodzić z kilku źródeł. Jednym z głównych może być niewystarczające filtrowanie w systemach ładowania, gdzie niewygładzone prądy z ładowarek lub przetwornic wprowadzają fluktuacje napięcia – dlatego bardzo ważne jest, aby weryfikować parametry ładowania akumulatora.
Kluczowym krokiem w ocenie wydajności akumulatora jest test jego pojemności. Proces ten rozpoczyna się od pełnego naładowania za pomocą odpowiedniego prostownika/układu zasilającego. Bardzo ważna jest także weryfikacja parametrów zasilania. Należy sprzwadzić czy parametry prądowo-napięciowe układu ładującego są zgodne z wymaganiami zasilania – określonymi przez producenta akumulatora.
Diagnostyka akumulatorów przy pomocy testera Sonel BT-120
Aby przeprowadzić test pojemności, używa się sprzętu pomiarowego, który jest w stanie dokładnie mierzyć napięcie, prąd oraz czas. Takim urządzeniem jest tester akumulatorów Sonel BT-120. Procedura rozpoczyna się od pełnego naładowania akumulatora, a następnie jego rozładowania przy kontrolowanym obciążeniu. Obciążenie wykorzystywane najczęściej do tego rodzajów testów ma charakter rezystancyjny, ale można też stosować inne zewnętrzne obciążenia o charakterze indukcyjnym lub pojemnościowym, w zależności od specyfikacji testu.
Podczas testu urządzenie rejestruje dane dotyczące napięcia, prądu i czasu, tworząc krzywą ładowania i/lub rozładowania. Analiza krzywych w porównaniu do krzywej pierwotnej dostarcza informacji o efektywności akumulatora w różnych etapach jego cyklu pracy. Na podstawie tych danych określa się rzeczywistą pojemność, którą porównuje się z wartością znamionową podaną przez producenta. Wyniki poniżej 80% pojemności znamionowej wskazują na znaczną degradację akumulatora, sugerując konieczność jego wymiany.
Diagnostyka akumulatorów, a pomiar impedancji wewnętrznej
Istotnym elementem diagnostyki stanu technicznego akumulatora jest pomiar jego impedancji wewnętrznej. Wykonywany regularnie, może być wyznacznikiem oceny jego stanu, ponieważ pozwala na ocenę zdolności do dostarczania energii. Impedancja wewnętrzna odnosi się do oporu, jaki akumulator stawia przepływowi prądu w jego wnętrzu. Wysoka impedancja może wskazywać na problemy, takie jak zasiarczenie, degradacja elektrod czy problemy z elektrolitem.
Pomiar impedancji wewnętrznej odbywa się zazwyczaj przy użyciu metody czteropunktowej (tzw. metody Kelvina). Tester akumulatorów Sonel BT-120 mierzy impedancję wewnętrzną akumulatorów poprzez generowanie i wprowadzenie sygnału prądu przemiennego (AC) o częstotliwości 1 kHz ± 30 Hz do badanego akumulatora. Taka częstotliwość jest wystarczająco wysoka, aby zminimalizować wpływ składowych stałych (DC) rezystancji, a także pozwala wykryć zmiany impedancji spowodowane przez degradację urządzenia. Warto wziąć pod uwagę, że wzrost impedancji, np. w magazynach energii, może być spowodowany pogorszeniem rezystancji połączeń międzyblokowych (międzyogniwowych), a nie zmniejszeniem pojemności akumulatora. Ważne jest zatem, aby w momencie wykrycia wzrostu impedancji wewnętrznej zweryfikować wartość rezystancji połączeń międzyblokowych.
Diagnostyka akumulatorów w podsumowaniu
Kompleksowa diagnostyka akumulatorów oparta jest na różnorodnych pomiarach ochronnych. Testy wizualne, ocena pojemności, pomiary rezystancji wewnętrznej, napięcia tętniącego, prądu i napięcia oraz weryfikacja parametrów zasilania to kluczowe elementy sprawdzania stanu technicznego czy bezpieczeństwa pracy urządzeń. Regularne wykonywanie tych pomiarów pozwala na wczesne wykrycie potencjalnych problemów, takich jak degradacja materiałów czy niestabilności pracy, co z kolei przyczynia się do zapewnienia optymalnej wydajności działania akumulatorów.
Publikacja artykułu: luty 2025 r.
