Charakterystyka baterii VRLA - rozładowanie

Charakterystyka akumulatora VRLA – rozładowanie

1. Pojemność akumulatora – definicja

Pojemność akumulatora (Ah) określa ilość ładunku elektrycznego, jaką akumulator może oddać przy rozładowaniu do określonego napięcia końcowego. Matematycznie pojemność jest całką z prądu rozładowania I(t) po czasie:

Pojemność baterii (Ah) = ∫ I(t) dt

Z powyższego równania wynika, że zmiana czasu rozładowania zależy bezpośrednio od wartości prądu rozładowania. Pojemność użytkowa akumulatora zależy więc w dużym stopniu od prądu rozładowania, temperatury pracy oraz przyjętego napięcia końcowego.

2. Wpływ prądu rozładowania na pojemność

Im większy prąd rozładowania, tym krótszy czas pracy i mniejsza pozorna pojemność wyrażona w amperogodzinach (Ah). Dla akumulatorów VRLA zależność ta jest szczególnie istotna przy zasilaniu odbiorników o dużym poborze mocy (UPS, zasilacze awaryjne, napędy).

Przykładowo:

• Rozładowanie 20-godzinne: 0,05C × 20 h = 1C (100% pojemności)
• Rozładowanie 1-godzinne: 0,6C × 1 h = 0,6C (ok. 60% pojemności 20-godzinnej)

Oznacza to, że przy bardzo krótkim czasie rozładowania (wysoki prąd, np. 0,6C) możliwe jest wykorzystanie tylko ok. 60% nominalnej pojemności, zdefiniowanej przy rozładowaniu 20-godzinnym. Zwiększanie prądu rozładowania powoduje więc spadek efektywnej pojemności Ah. Końcowe napięcie rozładowania również zależy od prądu i sposobu obciążenia (A lub W).

3. Końcowe napięcie rozładowania – dobór wartości

Związek między prądem rozładowania a końcowym napięciem rozładowania przedstawiono w Tabeli 1. Akumulatora nie należy rozładowywać poniżej zalecanego napięcia końcowego – prowadzi to do nadmiernego rozładowania, które przy częstym powtarzaniu może spowodować trwałą utratę pojemności, nawet jeśli późniejsze ładowanie jest prowadzone prawidłowo.

W tabeli wykorzystano oznaczenia: C – znamionowa pojemność akumulatora (Ah), P – znamionowa moc (W) dla danej serii, I – prąd rozładowania (A).

Dla małych prądów rozładowania (długie czasy pracy) dopuszczalne jest niższe napięcie końcowe. Przy bardzo dużych prądach (krótkie czasy rozładowania, wysoka moc) wymagane jest wyższe napięcie końcowe, aby ograniczyć głębokość rozładowania i ochronić akumulator przed trwałą utratą pojemności.

4. Charakterystyka rozładowania przy różnych szybkościach

Rysunki 1 i 2 przedstawiają charakterystyki rozładowania akumulatorów serii GP przy różnych prądach i czasach rozładowania. Krzywe pokazują zależność napięcia akumulatora od czasu przy różnych poziomach obciążenia, co pozwala dobrać odpowiednią pojemność baterii VRLA do wymagań aplikacji.

Rysunek 1. Charakterystyka rozładowania akumulatora GP1272 przy różnych prędkościach rozładowania w temperaturze 25 °C (77 °F).

Opis wykresu – GP1272 (Rysunek 1)

Wykres przedstawia przebieg napięcia akumulatora GP1272 w funkcji czasu dla kilku różnych prądów rozładowania. Dla małego prądu (rozładowanie 20-godzinne, rzędu 0,05C) napięcie obniża się powoli i akumulator osiąga napięcie końcowe dopiero po kilkunastu lub kilkudziesięciu godzinach. Dla dużych prądów rozładowania napięcie spada szybciej, a czas pracy jest odpowiednio krótszy. Im większy prąd, tym bardziej stroma jest krzywa spadku napięcia i tym mniejsza jest efektywna pojemność wyrażona w Ah.

Rysunek 2. Charakterystyka rozładowania akumulatora GP12400 przy różnych prędkościach rozładowania w temperaturze 25 °C (77 °F).

Opis wykresu – GP12400 (Rysunek 2)

Wykres dla GP12400 pokazuje analogiczne zależności jak w przypadku GP1272, lecz dla akumulatora o większej pojemności. Przy niskich prądach rozładowania napięcie utrzymuje się długo na stabilnym poziomie, a czas rozładowania jest relatywnie długi. Przy wzroście prądu rozładowania czas pracy gwałtownie maleje, a napięcie szybciej osiąga poziom końcowy. Wykres ułatwia dobór akumulatora pod kątem wymaganego czasu podtrzymania i obciążenia.

5. Temperatura a pojemność rozładowania

Rysunek 3 przedstawia wpływ temperatury pracy na pojemność rozładowania. Wyniki uzyskano dla akumulatora naładowanego w temperaturze 25 °C (77 °F), a następnie rozładowywanego w różnych temperaturach otoczenia.

Rysunek 3. Temperatura a wydajność rozładowania akumulatora VRLA.

Opis wykresu – temperatura i wydajność rozładowania (Rysunek 3)

Wraz ze spadkiem temperatury pojemność użytkowa akumulatora VRLA maleje – przy temperaturach poniżej 0 °C dostępna pojemność może być znacząco niższa niż wartość znamionowa określona dla 25 °C. W wysokich temperaturach pojemność chwilowo rośnie, ale zbyt długa praca w temperaturach powyżej 40–50 °C przyspiesza proces starzenia się baterii i skraca jej żywotność. Producent zaleca unikanie eksploatacji poniżej –20 °C (–4 °F) oraz powyżej 50 °C (122 °F), nawet jeśli akumulator jest w stanie chwilowo pracować w tych warunkach.

6. Prąd rozładowania i czas trwania rozładowania

Rysunek 4 przedstawia zależność między prądem rozładowania a czasem trwania rozładowania dla akumulatora VRLA w temperaturze 25 °C (77 °F). Wykres ten jest pomocny przy szacowaniu czasów podtrzymania dla różnych wartości obciążenia.

Rysunek 4. Zależność między prądem rozładowania a czasem trwania rozładowania w temperaturze 25 °C (77 °F).

Opis wykresu – prąd a czas rozładowania (Rysunek 4)

Wykres pokazuje typową zależność nieliniową: przy niewielkim prądzie rozładowania czas pracy akumulatora jest długi i zbliżony do wartości katalogowych. Wraz ze wzrostem prądu rozładowania czas szybko się skraca. Podwojenie prądu nie oznacza tylko dwukrotnie krótszego czasu pracy – w praktyce spadek czasu jest zwykle większy ze względu na zjawiska elektrochemiczne zachodzące w płytach akumulatora. Informacje z wykresu można wykorzystać do doboru odpowiedniej pojemności baterii VRLA dla konkretnej aplikacji (UPS, zasilanie awaryjne, napędy, systemy telekomunikacyjne).

Na podstawie materiałów producenta: www.csb-battery.com – Hitachi Chemical Energy Technology Co. Ltd.