Un element de acumulator se compune dintr-un vas cu electrolit în care se găsesc doi electrozi, unul pozitiv şi unul negativ. Electrozii au formă de plăci unele negative iar altele pozitive. Plăcile de aceeaşi polaritate sunt legate împreună cu punţi de legătură. Plăcile pozitive sunt montate între plăcile negative prin piese numite separatoare. Electrolitul este format dintr-o soluţie apoasă de acid sulfuric.
Mai multe elemente cu polii conectaţi în serie sau paralel alcătuiesc o baterie de acumulatoare. Polii terminali al unei baterii se numesc borne.
Bateriile de acumulatoare electrice se folosesc pentru a asigura rezerva alimentării, alimentarea cu curent continuu a circuitelor de comandă, protecţie şi semnalizare etc.
1 Caracteristici şi parametri
1.2 Reacţii chimice la încărcare şi descărcare
La descărcare reacţiile au loc între materia activă a plăcii pozitive, bioxidul de plumb PbO2, acidul sulfuricH2SO4 şi materia activă negativă, plumbul spogios Pb astfel:
PbO2 + 2H2SO4 +Pb <> 2PbSO4 + 2H2O
La descărcare, bioxidul de plumb fiind la anod se reduce, iar plumbul rămas se combină cu ionul SO42– al primei molecule de acid sulfuric şi formează sulfat de plumb, PbSO4. Molecula O2 se combină cu ionii de hidrogen ai celor două molecule de acid sulfuric, alcătuind două molecule de apă. Plumbul spongios de la catod se oxidează luând ionul SO42– provenit prin disocierea electrolitică a celei de-a doua moleculă de acid sulfuric şi formează sulfat de plumb. Combinarea ionului SO42– cu plumbul plăcilor şi apariţia moleculelor de apă fac ca densitatea electrolitului să scadă în timpul descărcării.
Reacţiile descrise au loc conform schemei:
PbO2 + H2SO4 + H2SO4 +Pb
PbSO4+ 2H2O+ PbSO4
În timpul încărcării fenomenele decurg în sens invers. Sulfatul de plumb al plăcii pozitive cedează ionul de SO!!!! care formează cu hidrogenul uneia din moleculele de apă o moleculă de acid sulfuric şi plumbul se oxidează redobândind atomii de O de la cele două molecule de apă. Sulfatul de plumb al plăcii negative se reduce şi formează acid sulfuric cu hidrogenul celei de-a doua moleule de apă. Concentraţia electrolitului se măreşte şi revine la valoarea iniţială. Fenomenele decurg conform schemei:
PbSO4+ 2H2O+ PbSO4
PbO4+ 2H2SO4+ Pb
Reacţia chimică a dublei sulfatări arată fenomenul reversibil descărcare-încărcare. De la stânga la dreapta rezultă reacţiile la descărcarea acumulatorului cu plumb şi de la dreapta la stânga, reacţiile la încărcarea lui.
11.1.2 Tensiunea
Tensiunea elementului rezultă din potenţiale electrice ale celor doi electrozi faţă de electrolit.
Metalele au potenţiale de electrod caracteristice, iar cuplurile galvanice utilizate sunt combinate ori cu două metale diferite, ori cu acelaşi metal în stări diferite, astfel încât elementul constituit să prezinte o diferenţă de potenţial, adică o tensiune electromotoare E.
Valorile potenţialelor de electrod e+ şi e- pot fi calculate cu aproximaţie folosind următoarea formulă empirică, unde d este densitatea electrolitului:
e+ = 1.20 + 0.8 d
e– = 0.36 – 0.2 d
Pentru tensiunea electromotoare E rezultă valoarea
E = e + –e = 0.84 + d
Tensiunea U la bornele elementului, utilizată în circuitul exterior, este legată de tensiunea electromotoare prin relaţiile:
U = E– rI – Ep, la descărcare şi
U = E + rI + Ep, la încărcarea acumulatorului, unde rI este căderea de tensiune interioară, Ep este tensiunea electromotoare de polarizare, ambele măsurate în volţi, r este rezistenţa interioară a acumulatorului şi I este curentul care trece prin acumulator.
Căderea de tensiune rI micşorează tensiunea la descărcare şi o măreşte la încărcarea acumulatorului.
1.3 Rezistenţa electrică interioară
Rezistenţa electrică totală a unui acumulator însumează rezistenţele parţiale ale plăcilor, separatoarelor, electrolitului, punţilor de grupare, bornelor şi legăturilor dintre elemente.
Rezistenţa interioară este foarte mică şi la curenţi mici poate fi neglijată. La curenţi mari, rezultă însă căderi de tensiune care trebuie luate în consideraţie.
Rezistenţa unui acumulator acid, cu plăci de plumb, depinde de mulţi factori: de concentraţia şi temperatura electrolitului, de calitatea separatoarelor, de starea de încărcare a plăcilor şi de ditnţa dintre ele, de natura, secţiunea şi lungimea legăturilor de înseriere. De aceea, valoarea rezistenţei interne nu poate fi stabilită, nici măcar aproximativ, printr-o formulă. Ea se stabileşte prin măsurări executate pe tipuri constructive şi familii de acumulatoare.
Pentru măsurarea rezistenţei unei baterii, orice contact de legătură imperfectă (la bornele aparatuelor, la bornele bateriei, fire lungi de secţiune mică etc) poate introduce erori de ordinul de mărime al rezistenţei interne.
1.4 Capacitate
Capacitatea unui acumulator reprezintă cantitatea de electricitate restituită de un acumulator încărcat în anumite condiţii. Se măsoară în amper-oră (Ah).
Capacitatea acumulatorului depinde în mare măsură de starea lui, gradul de formare a materiei active, condiţiile de utilizare, uzură, etc. Capacitatea creşte după punerea în funcţiune. Această creştere atinge o valoare maximă apoi scade continuu până la degradarea plăcilor.
Calculul capacităţii unui acumulator când se cunosc dimensiunile exterioare:
C = L.H.0,087.n (sqr)[d/0,318] unde:
L – lăţimea plăcii, în cm
H – înălţimea plăcii, în cm
N – numărul de plăci pozitive din element
D – grosimea plăcii pozitive, în cm
2 Scheme de funcţionare a bateriilor de acumulatoare
2.1 Baterii de acumulatoare în regim tampon
Bateria este cuplată în mod permanent cu sursa de curent continuu. Dacă consumul de curent este mai mare decât curentul debitat de sursa de curent continuu atunci bateria preia surplusul de consum de curent şi se descarcă complet. În restul timpului bateria se încarcă.
2.2 Baterii de acumulatoare în regim de încărcare permanentă
În acest regim de funcţionare bateria de acumulatori este ca o alimentare de rezervă. Sursa de curent continuu suportă curentul de consum al utilizatorului în totalitate. În caz de avarie al sursei de curent continuu, bateria de acumulatori preia în totalitate, pentru un timp scurt, consumul instalaţiei. După remedierea defectului se introduce în circuit din nou sursa de curent continuu, bateria de acumulatoare trecând în regim de încărcare.
2.3 Baterii de acumulatoare în regim de încărcare – descărcare
În acest regim de funcţionare bateria este în permanent cuplată la reţeua de utilizare, fiind pusă la încărcat. După ce a fost încărcată sursa de curent continuu este decuplată, consumul de curent al instalaţiei fiind preluat de bateria de acumulatori. După ce bateria s-a descărcat este pusă din nou la încărcat iar sursa de curent continuu preia consumul instalaţiei. Procesul se reia după ce bateria de acumulatori s-a încărcat din nou.
3 Formare, întreţinerea şi exploatarea bateriei de acumulatoare
3.1 Încărcare bateriei de acumulatoare
Încărcare bateriei de acumulatoare se face la curentul maxim de încărcare pentru fiecare baterie de acumulatori în parte (specificat de constructor). În general se face o încărcare în trepte cu pauze.
Formarea unei baterii implică mai multe operaţiuni de încărcare – descărcare până se asigură capacitatea nominală a bateriei.Încărcarea bateriei se poate face:
– cu un curent constant. Se folosesc redresoare cu posibilitatea de reglare a curentului.. tensiunea creşte repede până la valoarea de 2,2V/element, lent până la 2,35V/element şi apoi din nou repede până se stabilizează la 2,5 – 2,75V/element. Această metodă se aplică la acumulatoare mici (auto), în garaje, ateliere, etc.
– cu tensiune constantă. Se face cu ajutorul redresoarelor care trebuie să menţină tensiunea la o valoare constantă. În acest caz se stabilişte tensiunea pe element 2,1 – 2,75 (în funcţie de tipul acumulatorului). La început curentul este în jurul valorii de 10% din capacitatea bateriei. (De exemplu la o baterie de 90Ah la încărcarea cu tensiune constantă curentul iniţial este de aproximativ 9A) apoi el scade până în momentul încărcării bateriei.
Încărcarea este terminată când densitatea electrolitului şi tensiunea de încărcare nu mai cresc. De regulă încărcarea nu se opreşte imediat când se constată aceste fenomene ci continuă încă 2 – 4 ore pentru a asigura omogenizarea stării plăcilor şi elementelor.
Descărcarea completă a bateriei se face la Inom constant.şi este întreruptă la limita de tensiune.
Încărcarea acumulatoarelor pentru autovehicule.
Acumulatoarele autovehiculului funcţionează în regim tampon cu generatorul iar încărcare este sub tensiune constantă. Pentru a controla starea bateriei auto se vor face măsurători ale densităţii electrolitului. Dacă autovehiculul este în repaus două ore starea acumulatorului este următoarea:
Nr. Crt. Starea bateriei Densitatea g/cm3
1 Baterie complet descărcată 1,28
2 Baterie încărcată ¾ 1,24
3 Baterie încărcată ½ 1,20
4 Baterie încărcată ¼ 1,16
5 Baterie aproape descărcată 1,12
6 Baterie complet descărcată 1,10
Etapele formării unei baterii auto:
Se umple vasul acumulatorului cu 5,75 kg. acid sulfuric cu densitatea de 1,26 g/cm3. Aceste acumulatoare au nevoie de 15 – 20 cm3 de electrolit pe Ah de fiecare element. Dacă bateria a stat în depozit mult timp (2, 3 ani), este recomandat ca umplerea ei să se facă cu un electrolit cu densitate mai mică 1,02…1,03g/cm3 .După ce s-a făcut umplerea şi îmbibarea plăcilor (cam în 2 – 3 ore) se face o încărcare completă. După încărcare se goleşte bateria şi se umple bateria cu electrolit cu densitatea normală şi se încarcă la curentul nominal cam 1,,,3 ore.
Bateria se încarcă complet. Dacă se aplică metoda cu curent constant, curentul de încărcare , Iinc este:
Iînc. = 0,1 . C20
unde C20 este capacitatea bateriei la temperatura de 200C. Dacă bateria are un randament de 75% atunci rezultă o durată de încărcare de 13 ore.
Se face o descărcare de punere în funcţie, sub curent constant, timp de 20 de ore. Curentul de descărcare este:
Idesc.= 0,05. C20
Descărcarea se va opri dacă tensiunea pe element scade sub 1,75V. Bateria este din nou încărcată complet după una din metodele descrise.
Important pentru toate tipurile de baterii de acumulatoare: nefolosirea acestora duce la sulfatarea plăcilor, din acest motiv bateria nu va fi deconectată de la instalaţia ei de utilizare.
