Ratowanie całkowicie rozładowanych akumulatorów

W tej rubryce przedstawiane są odpowiedzi na wybrane pytania dotyczące elektroniki, zawarte w komentarzach do postów i filmów, nadsyłane przez Patronów i Mecenasów oraz innych Czytelników za pomocą kanałów podanych na stronie: Zapytaj, odpowiedz.

[Dwa akumulatory] z UPS, które były szeregowo połączone (…) Jeden miał ok. 3 V drugi ok. 6 V. Męczyłem je ze dwa dni. Jeden ma 10 V i coś tam prądu pobiera, maksymalnie (…) 180 mA. Drugi ma 9 V i nie chce już w ogóle brać prądu, pod ładowarką mikroprocesorową IMAX6 wykazuje przerwę. (…) przy podłączeniu napięcia na dwa szeregowo ok. 28 V, na pierwszym jest ok. 10 V, a na drugim ok. 17 V. Dlaczego woltomierz mierzy napięcia, jeśli ten drugi ma niby przerwę? To jednak jakieś prądy płyną (…)

Pytanie i poniższa odpowiedź dotyczy wyłącznie akumulatorów kwasowo-ołowiowych, w tym przypadku akurat AGM, ale też żelowych i klasycznych mokrych. Zupełnie inna jest sytuacja w przypadku akumulatorów litowych (Li-Ion, Li-Po, LiFePO4) oraz zasadowych (NiMH i NiCd).

Całkowite rozładowanie „do zera” akumulatorów kwasowych zawsze jest niekorzystne, bowiem w mniejszym lub większym stopniu prowadzi do tak zwanego zasiarczenia.

Zasiarczenie polega na wytworzeniu w płytach akumulatora nierozpuszczalnych kryształów siarczanu ołowiu, co najprościej mówiąc, zmniejsza masę czynną akumulatora, a przez to zmniejsza pojemność i zwiększa rezystancję wewnętrzną.

Rozbicie tych niepożądanych kryształów jest trudne, a często niemożliwe. Zdecydowanie łatwiej zapobiegać niż leczyć. Kryształy te tworzą się, gdy akumulator jest rozładowany, a najbardziej, gdy zostaje rozładowany „do zera”.

Warto jednak bliżej przyjrzeć się sytuacji. Po pierwsze trzeba rozróżnić dwie oddzielne kwestie: jedna to właśnie zasiarczenie, druga to zwyczajne wyładowanie, czyli brak energii.

Najpierw załóżmy, że akumulator nie jest zasiarczony (albo jest, ale tylko w niewielkim stopniu), tylko został przypadkowo rozładowany „do zera”.

Wiadomo, że podczas ładowania gęstość elektrolitu rośnie. Tym elektrolitem jest roztwór kwasu siarkowego (H₂SO₄) w wodzie, co ważne – destylowanej lub demineralizowanej. Natomiast podczas rozładowania gęstość maleje. Potocznie mówi się, że podczas rozładowania kwas „wchodzi w płyty”.

Można to tak rozumieć. Otóż wskutek przemian elektrochemicznych z kwasu siarkowego (H₂SO₄) powstaje siarczan ołowiu (PbSO₄), w tym jego niepożądana odmiana krystaliczna powodująca zasiarczenie. W trakcie rozładowania elektrolit zawiera coraz mniej kwasu siarkowego, czyli elektrolit staje się coraz bardziej… wodą.

Ogólnie wiadomo, że akumulator kwasowy 12-woltowy nie powinien być rozładowany do napięcia niższego niż 10 V. Wtedy jeszcze zawiera sporo kwasu. Natomiast przy rozładowaniu „do zera” elektrolit staje się wodą, podkreślmy: destylowaną lub demineralizowaną. Wbrew potocznym wyobrażeniom, idealnie czysta woda bardzo słabo przewodzi prąd elektryczny, a wręcz można uznać ją za izolator.

Tak! I właśnie taka sytuacja jest w akumulatorze kwasowym rozładowanym „do zera”. Elektrolitem jest czysta woda, która nie chce przewodzić prądu.

To przypadek idealny, skrajny. W rzeczywistości elektrolit oprócz cząsteczek wody zawiera jakieś inne substancje, może odrobinę kwasu siarkowego, albo jakieś inne składniki, w tym jony. Jest ich bardzo mało, więc jeżeli nawet miałby tam płynąc jakiś prąd, na pewno będzie on bardzo mały, wręcz znikomy.

W efekcie po dołączeniu woltomierza o dużej rezystancji wewnętrznej może on pokazać jakieś napięcie. Co najważniejsze, jest problem z przepływem prądu przez taką czystą wodę podczas ładowania.

Ładowarki akumulatorów kwasowych podczas ładowania podają na akumulator napięcie rzędu kilkunastu woltów. Jeżeli takie napięcie podamy na akumulator wyładowany „do zera”, to prąd ładowania będzie rzędu mikroamperów, co mikroprocesorowa ładowarka potraktuje jako przerwę – rozwarcie.

Na razie rozważamy przykład akumulatora, który nie jest zasiarczony, czyli w zasadzie jest sprawny, tylko nie można go naładować, ponieważ prąd ładowania nie chce płynąc przez czysta wodę.

W takim idealizowanym przypadku chodzi tylko o to, żeby akumulator „ruszył”, żeby mógł przezeń płynąc prąd ładowania, który znów zamieni siarczan ołowiu w kwas siarkowy. W szczelnym akumulatorze nie mamy możliwości dolać „kropli kwasu do każdej celi”, żeby to przyspieszyć. Trzeba wykazać cierpliwość.

Najprostszym, ale mało skutecznym sposobem jest dołączenie ładowarki, czyli napięcia około 15 woltów i długie czekanie, nawet kilkanaście dni, żeby akumulator „ruszył”. Zwykle „rusza”, ale trzeba na to bardzo długo czekać.

Lepszym sposobem jest podanie na taki akumulator napięcia znacznie wyższego, na przykład 24…30 V lub więcej. W czystej wodzie zawsze są jakieś minimalne ilości jonów i podwyższenie napięcia znacząco zwiększa przepływ prądu. Akumulator dołączony do wyższego napięcia „ruszy” dużo szybciej!

Ale uwaga! Gdy już „ruszy”, nie zostanie od razu naładowany – stanie się rozładowanym akumulatorem, przez który chętnie płynie prąd, i na którym napięcie pomalutku rośnie w miarę ładowania od 10 do co najwyżej 15 woltów. Wcześniej destylowana woda nie chciała przewodzić prądu i rezystancja wewnętrzna była ogromna, rzędu megaomów. Dołączone źródło podwyższonego napięcia praktycznie nie jest obciążone. A gdy akumulator „ruszy”, w elektrolicie będzie coraz więcej kwasu i rezystancja wewnętrzna zmniejszy się do ułamka oma. Grozi to uszkodzeniem wykorzystanego źródła podwyższonego napięcia, które zostanie obciążone i zapewne przeciążone zreanimowanym akumulatorem.

Właśnie dlatego wykorzystując źródło takiego podwyższonego napięcia, by akumulator „ruszył”, koniecznie trzeba w szereg włączyć jakiś element
ograniczający – rysunek 1.

Może to być żarówka 24-woltowa o niedużej mocy 5…20 W, ewentualnie rezystor o sensownie dobranej rezystancji i mocy (obciążalności).

W każdym przypadku na początku prąd ładowania będzie znikomo mały. Na akumulatorze wystąpi całe napięcie źródła zasilania. Z czasem prąd ładowania będzie pomalutku rósł. A to spowoduje zmniejszenie napięcia na akumulatorze.

Można przyjąć, że gdy akumulator „ruszy”, to niezależnie od żarówki czy rezystora, wystąpi na nim napięcie około 10 woltów, charakterystyczne dla rozładowanego akumulatora. Rysunek 2 ilustruje, jak obliczyć minimalną rezystancję rezystora ograniczającego o danej mocy, żeby go nie przeciążyć. W rzeczywistości należałoby zastosować rezystor o mocy 5 W lub większej. W praktyce lepsza okaże się (24-woltowa) żarówka.

To były teoretyczne rozważania zakładające, że akumulator nie został zasiarczony, a jedynie przypadkowo rozładowany „do zera”. Opisana procedura pozwala przywrócić mu pełną sprawność.

W praktyce każde nadmierne rozładowania w jakimś stopni powoduje zasiarczenie akumulatora. Gdy pozostaje on rozładowany „do zera” przez długi czas, po przeprowadzeniu opisanej procedury, owszem „ruszy” i naładuje się, ale jego pojemność będzie obniżona, a rezystancja wewnętrzna zwiększona. Nie ma tu prostej reguły, bo poszczególne egzemplarze lepiej lub gorzej znoszą rozładowanie „do zera”. W każdym razie praktyka pokazuje, że jeżeli akumulator dłuższy czas pozostawał całkowicie rozładowany, to nie da się mu przywrócić pierwotnej pojemności. Jeśli nawet uda się go naładować, będzie miał dużo mniejszą pojemność wskutek zasiarczenia.

Natomiast z zasiarczeniem można próbować walczyć przez impulsowe ładowanie czy rozładowywanie, ale tak zwane desulfatory to temat na oddzielny, obszerny artykuł. ©