Batérie AGM » Výkonné olovené batérie s inteligentnou technológiou AGM
Uverejnené: 10. 10. 2023 | Doba potrebná na prečítanie: 7 minút
Už dlho pred rozvojom elektromobility mal každý vodič vo svojom vozidle zabudovanú štartovaciu batériu. Jednalo sa pritom o olovený akumulátor, ktorý sa počas jazdy nabíjal alternátorom.
Olovené akumulátory boli cenovo výhodné a v prípade potreby dokázali poskytovať potrebný prúd pre elektrický štartér. To, že boli doslova ťažké ako olovo, však pri autobatériách nehralo zase až takú veľkú úlohu. V zásade mali štartovacie batérie rozumný pomer ceny a výkonu a fungovali tak dobre, že sa po celé roky nedočkali takmer žiadneho ďalšieho vývoja.
Jediný skutočný problém pri otvorených batériách predstavovalo odparovanie vody. Aby sa neskracovala ich životnosť, bolo potrebné do batérie občas doliať trochou destilovanej vody. To sa zmenilo, až keď sa do nových vozidiel začali montovať prvé batérie s technológiou AGM.
K tomu, aby olovené akumulátory nevyžadovali veľa údržby a boli užívateľsky prívetivejšie, vedú dve cesty. Po prvé bola kvapalná zriedená kyselina sírová zahustená oxidom kremičitým a do akumulátora bola zavedená vo forme gélu.
Tieto gélové olovené akumulátory tak môžu byť hermeticky uzavreté, takže sú použiteľné nezávisle na polohe. Pri nabíjaní je však potrebné dávať pozor na to, aby nabíjacie napätie nebolo príliš vysoké a aby sa z akumulátora nezačali uvoľňovať plyny. Pre prípad núdze je preto každý článok vybavený poistným ventilom, ktorý sa aktivuje pri príliš silnom vnútornom tlaku.
Iným riešením je technológia s rúnom, pri ktorej zostáva zriedená kyselina sírová kvapalná, ale je nasiaknutá v špeciálnom rúne. Od tejto techniky je odvodený aj názov batérie AGM (Absorbent Glass Mat).
Nami odporúčané produkty pre batérie AGM
Absorbent Glass Mat batéria v zásade predstavuje uzavretý olovený akumulátor, v ktorom rúno pevne drží elektrolyt, teda zriedenú kyselinu sírovú, medzi olovenými doskami ako huba.
Princíp konštrukcie olovených akumulátorov
V nádobe odolnej voči kyselinám sa nachádzajú dve olovené elektródy, ktoré majú vo vnútri mrežovú štruktúru (viď obrázok hore).
Záporná elektróda (1) je povrstvená poréznym olovom (Pb), ktoré sa tiež nazýva olovená huba. Kladná elektróda (2) je pokrytá poréznym oxidom olovnatým (PbO2). Tieto povrstvenia sa taktiež označujú ako aktívne hmoty, pretože sa aktívne podieľajú na chemickej reakcii. Porézna štruktúra je nevyhnutná pre udržanie, pokiaľ je to možné, čo najväčšieho povrchu pre chemickú reakciu pri nabíjaní a vybíjaní.
Z dôvodu vyššej efektivity vo vzťahu ku kapacite a odberu prúdu sú elektródy skonštruované ako do seba zasahujúce skupiny. Kladné dosky, rovnako ako tie záporné, sú vzájomne elektricky prepojené.
V nádobe odolnej voči kyselinám sa nachádzajú dve olovené elektródy, ktoré majú vo vnútri mrežovú štruktúru (viď obrázok hore).
Záporná elektróda (1) je povrstvená poréznym olovom (Pb), ktoré sa tiež nazýva olovená huba. Kladná elektróda (2) je pokrytá poréznym oxidom olovnatým (PbO2). Tieto povrstvenia sa taktiež označujú ako aktívne hmoty, pretože sa aktívne podieľajú na chemickej reakcii. Porézna štruktúra je nevyhnutná pre udržanie, pokiaľ je to možné, čo najväčšieho povrchu pre chemickú reakciu pri nabíjaní a vybíjaní.
Z dôvodu vyššej efektivity vo vzťahu ku kapacite a odberu prúdu sú elektródy skonštruované ako do seba zasahujúce skupiny. Kladné dosky, rovnako ako tie záporné, sú vzájomne elektricky prepojené.
Keď je nádoba s vyššie uvedenými elektródami naplnená zriedenou kyselinou sírovou (1,28 kg/l), vzniká na zápornej elektróde batérie prebytok elektrónov a na kladnej elektróde nedostatok elektrónov.
Rozdiel potenciálov oboch elektród je asi 2 V a môže sa podľa stavu nabitia pohybovať medzi 1,75 a 2,4 V. Prečo je to tak, pochopíme, keď sa podrobnejšie pozrieme na chemické procesy spojené s nabíjaním a vybíjaním. Pre lepšiu predstavu sme vo výkresoch k tomuto oddielu použili iba jednu kompaktnú elektródu.
Pretože je batéria so sieťovým napätím o veľkosti iba 2 V nevhodná pre pohon vozidla, je v batérii vozidla zapojených 6 článkov do série. Tým sa na svorkách dosiahne napätie 12 V (6x 2 V). Pre prevádzku v nákladnom vozidle sa do série zapájajú dve 12V batérie, aby bolo vozidlo napájané 24 V. Tak môžu byť elektrické spotrebiče bez problému prevádzkované aj v prípade, keď je vozidlo odstavené a bez toho, aby nastali problémy pri štartovaní.
Proces vybíjania
Pri vybíjaní plne nabitého článku olovenej batérie sa článok vybíja prostredníctvom externého prúdového obvodu (viď žiarovka na obrázku). Pritom pretekajú elektróny (e-) cez vonkajší prúdový obvod od zápornej elektródy (záporný pól akumulátora) ku kladnej elektróde (kladný pól).
Pretože sa kyselina sírová (H2SO4) nachádza v disociovanom stave, oxiduje na zápornej elektróde (Pb) hydrogensíran bisulfát (HSO4-) na porézny síran olovnatý (PbSO4), pričom sa uvoľňuje vodík (H+). Súčasne vznikajú na zápornej elektróde voľné elektródy (e-), ktoré tečú cez externý prúdový obvod ku kladnému pólu.
Chemická rovnica potom vyzerá takto:
Pb + HSO4- → PbSO4 + H+ + 2e-
Na kladnom póle oloveného akumulátora dochádza k redukcii. Absorbovaním elektrónov (e-) je oxid olovičitý (PbO2) elektródy spoločne s hydrogensíranom bisulfátom (HSO4-) a vodíkom (H+) redukovaný na síran olovnatý (PbSO4) a vodu (H2O).
V takom prípade vyzerá rovnica nasledovne:
PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O
Keď sa na celú reakciu pozrieme, reaguje spolu olovo, oxid olovičitý a kyselina sírová za vzniku síranu olovnatého a vody.
Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
V dôsledku toho sa pri vybíjaní zníži koncentrácia kyseliny v elektrolyte.
Proces nabíjania
Pri pripojení nabíjacieho napätia sú záporné elektróny privádzané a na kladnej elektróde sú odvádzané. Chemické reakcie, ktoré prebiehali pri vybíjaní, sa teraz dejú v obrátenom poradí
Síran olovnatý (PbS04) pohlcuje vodík a elektróny, čím je redukovaný na olovo (Pb) a hydrogensíran bisulfát (HSO4-). Chemická rovnica teraz vyzerá takto:
PbSO4 + H+ + 2e- → Pb + HSO4-
Na kladnom póle teraz prebieha oxidácia. Pri uvoľňovaní elektrónov sa zo síranu olovnatého (PbSO4) a vody (H2O) znovu stáva oxid olovičitý (PbO2), hydrogensíran bisulfát (HSO4-) a vodík (H+).
V takom prípade sa rovnica obráti:
PbSO4 + 2H2O → PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e-
V dôsledku toho pri procese nabíjania stúpne podiel kyseliny v elektrolyte, čo je zrejmé aj na celkovej rovnici:
2PbSO4 + 2H2O → Pb + PbO2 + 2H2SO4
To je tiež dôvod, prečo je možné u otvorených olovených akumulátorov testerom kyseliny v batérii skontrolovať aktuálny stav nabitia akumulátora.
Dôležitou výhodou batérií AGM je vysoký počet nabíjacích cyklov. Vďaka tomu tieto batérie ponúkajú výrazne dlhšiu životnosť ako konvenčné mokré batérie. Pri použití vo vozidle umožňuje nižší vnútorný odpor veľmi vysoké prúdy pre proces štartovania, ktoré sú vďaka vysokej stabilite k dispozícii aj v zime pri nízkych teplotách.
Preto sa technológia AGM používa aj vo vozidlách s funkciou štart-stop. Navyše sú batérie takmer bezúdržbové a v prípade potreby sa môžu takmer úplne vybiť bez toho, aby sa tým poškodili. Vďaka technológii Glass Mat nedochádza k úniku elektrolytu, dokonca ani pri mechanickom poškodení plášťa.
Na rozdiel od bežných olovených akumulátorov majú akumulátory AGM s ohľadom na svoju konštrukciu menší vnútorný odpor. Vďaka tomu sú schopné poskytovať veľmi vysoké prúdy. Pretože nedochádza k stratifikácii elektrolytu ani ku strate vody, majú batérie dlhú životnosť a vykazujú výrazne vyšší počet cyklov.
Preto sú akumulátory AGM ideálne ako štartovacie batérie pre vozidlá s technológiou štart-stop alebo s rekuperáciou brzdnej energie.
Pretože sú akumulátory AGM kompletne uzavreté, môžu sa používať aj do obytných automobiloch. Ale aj v poplašných zariadeniach, solárnych systémoch, zariadeniach UPS alebo dokonca v elektromobiloch (vysokozdvižné vozíky alebo kolobežky) sa akumulátory AGM používajú. Vďaka nízkemu samo-vybíjaniu bez problémov vydržia aj dlhšie odstávky.
Predčasný výpadok olovených akumulátorov môže mať najrôznejšie príčiny. Najdôležitejšie z nich sme tu stručne zhrnuli:
Strata vody
Podstatnou príčinou krátkej životnosti, resp. predčasného výpadku olovených akumulátorov býva strata vody vyparovaním a s tým spojené vysušenie olovených dosiek. Pri gélových akumulátoroch alebo akumulátoroch AGM je odparovanie vody nemožné, resp. minimálne a to vďaka uzavretému plášťu.
Stratifikácia elektrolytu
Ale aj stratifikácia elektrolytu môže u olovených akumulátorov spôsobiť problémy. Počas procesu vybíjania sa hustota kyseliny v elektrolyte znižuje, takže podiel kyseliny na dne pod doskami je výrazne vyšší ako v hornej časti. V prípade akumulátorov AGM zamedzuje stratifikácii elektrolytu rúno.
Sulfatácia
Ďalším kritériom starnutia je sulfatácia, pri ktorej inak porézna vrstva síranu olovnatého nadobúda kryštalickú štruktúru. Z tohto dôvodu sa už aktívne nepodieľa na procese nabíjania a vybíjania. Môže to spôsobiť vyššie zmienená stratifikácia elektrolytu, prípadne situácie, kedy sa akumulátor dlhší čas nachádza v čiastočne vybitom alebo dokonca kompletne vybitom stave.
Erózia
Pri erózii odpadáva aktívny materiál zo zvodiča (mriežky). Deje sa tak vplyvom mechanického zaťaženia pri procese nabíjania a vybíjania, pri uvoľňovaní plynov alebo tiež pri vysokých intenzitách prúdu. Dôsledkom je výrazná strata kapacity, skrátená životnosť, vyšší vnútorný odpor a skraty vo vnútri článkov.
Korózia
Rovnako problematická je aj korózia medzi mriežkou a aktívnou hmotou na kladnej elektróde. Za koróziu mriežky zodpovedá, okrem stratifikácie elektrolytu a vysokých teplôt aj potenciál elektród a kvalita materiálu. Kvôli zlepšeniu mechanických a elektrických vlastností výrobcovia čiastočne pridávajú antimón, vápnik alebo striebro.
Tip z praxe: Aktívna obrana pred sulfatáciou
Pokiaľ je to možné, mali by byť olovené akumulátory neustále udržiavané v úplne nabitom stave. A to aj pri uskladnení. Aby nedochádzalo k sulfatácii, mali by sa akumulátory z času na čas dobiť vhodnou nabíjačkou, pokiaľ sa používajú vo vozidlách, ktoré sa používajú len sporadicky.
Inak môže sulfatácia viesť k výpadku akumulátora. Niektoré firmy preto ponúkajú tzv. refreshery alebo pulsery, s ktorými je možné zamedziť vytváraniu kryštalickej štruktúry, resp. je možné existujúce štruktúry opätovne narušiť.
Prečo sa batérie AGM spravidla nemontujú do motorového priestoru?
Pretože batérie AGM neznášajú vysoké teploty, nemontujú sa do bezprostrednej blízkosti spaľovacích motorov.
Môžu sa batérie AGM nabíjať akoukoľvek bežnou nabíjačkou?
Transformátorové nabíjačky bez regulácie nie sú vhodné. V ideálnom prípade by mala nabíjačka pracovať podľa krivky IUoU. Najprv sa pritom pracuje s nepretržitým nabíjacím prúdom (I), kým nie je dosiahnuté maximálne nabíjacie napätie. Nabíjacie napätie potom zostáva nepretržite na rovnakej úrovni, čím sa nabíjací prúd s postupom času znižuje. Ak nabíjací prúd klesne pod minimum, systém sa automaticky prepne na udržiavacie nabíjanie.
Akú údržbu je potrebné na batériách AGM vykonávať?
Batérie nevyžadujú údržbu, musia byť ale pravidelne nabíjané. Ak sa to nedeje automaticky počas bežnej prevádzky, musí sa v pravidelných intervaloch nabíjačka pripájať, aby nedošlo k hlbokému vybitiu. Pritom je potrebné pohľadom skontrolovať pripojovacie póly a odstrániť prípadné znečistenie. Ďalšie údržbárske práce nie sú potrebné.
Čo znamená kapacita batérie?
Kapacita batérie udáva, koľko prúdu dokáže batéria za určitú dobu odovzdať. Preto sa kapacita batérie uvádza v ampér-hodinách (Ah). Napríklad batéria s kapacitou batérie 18 Ah môže po dobu 10 hodín odovzdávať prúd 1,8 A. Ak sú prúdy vyššie ako 1/10 hodnoty kapacity, skutočne využiteľná kapacita batérie, uvádzaná výrobcom, sa znižuje.
Čo znamená batéria deep cycle?
Batérie deep cycle môžu byť vybité extrémne hlboko bez toho, aby pritom stratili výkon alebo utrpeli poškodenie. Najmä ak sa vozidlá so systémom štart-stop pohybujú v zime iba po krátkych trasách, môžu sa štartovacie batérie s bežnou technológiou (olovené batérie) príliš rýchlo vybiť.