Sadržaj Predavanja1. Tipovi i vrste brodskih baterija

2. Olovni akumulator

3. Zatvoreni olovni akumulatori (VRLA)

4. Testeri vodljivosti za utvrđivanje stanja baterije

Tipovi BaterijaMasovno proizvedene baterije (akumulatori) se mogu podijeliti na dvije osnovne kategorije: baterije sa elektrolitom (tekućim) i suhe baterije. Baterije sa elektrolitom mogu biti olovne ili alkalne sa elektrolitom kao što je nikal-kadmij, nikal-cink ili cink-srebro-oksid. Litij-ionske baterije su suhe baterije i imaju nešto drukčije zahtjeve za održavanje nego baterije s tekućim elektrolitom.

Podjela baterija prema Lloyd’s Register Guidance Note:

1. Olovne baterije (akumulatori)

2. Alkalne Baterije

3. Suhe Baterije

Baterije sa elektrolitom mogu biti zatvorene u kućištu kojem se ne može dopuniti elektrolit ili mogu imati otvor za nadoljevanje elektrolita. Takve baterije se nazivaju još i VRLA (Valve Regulated Lead Acid) baterije. To su zatvorene olovne baterije koje se ne moraju održavati.

Mane i prednosti različitih tipova baterija (prema Lloyd's registru)

Charge Retention: to je dio kapaciteta baterije koji će baterija zadržati nakon što je bila pohranjena (nekorištena) neko vrijeme.

Olovni AkumulatorOlovni akumulator ima dva terminala anodu (+) i katodu (-). Anoda je spojena na ploče olovnog oksida (PbO2) dok je katoda spojena na olovne ploče (Pb). I jedne i druge ploče su uronjene u sumpornu kiselinu (H2SO4).

Procesom punjenja baterije oslobađaju se u elektrolit pozitivni i negativni ioni (H+ i SO4

- ) te se električna energija pohranjuje u elektrolit.

Kada se baterija prazni onda dolazi do kemijskih reakcija koje stvaraju napon.

Olovne baterije sadrže 6 ćelija (od kojih svaka daje oko 2V napona) spojenih u seriju što daje ukupni napon od 12V.

Pražnjenje Ćelije Olovnog Akumulatora -reakcije na katodiNegativno nabijen ion iz elektrolita (SO4

- ) prilazi neutralno nabijenoj katodi (Pb). Kada dođe do kontakta između iona (SO4

- ) i katode (Pb), neutralno nabijeni atom olova ispušta 2 elektrona te se kombinira sa ionom (SO4

- ) i stvara sumporni 4-oksid (PbSO4).

Pražnjenje Ćelije Olovnog Akumulatora -reakcije na katodiOslobađanjem dva elektrona, katoda dobija neto negativni naboj. Ova kemijska reakcija oslobađa neto energiju 𝐸𝑘

0 = 0.356𝑒𝑉.

Kako se naboj (negativno nabijeni elektroni) akumuliraju na katodi ona počne privlačiti pozitivno nabijene vodikove ione (H+). Nakon nekog vremena tih iona se prikupi toliko da izoliraju katodu i više se ne stvaraju novi elektroni.

Proces je onemogućen sve dok se na akumulator ne spoji potrošač te na taj način ne odvedemo elektrone sa katode. Tada ponovo dolazi do kemijske reakcije između iona (SO4

- ) i katode (Pb).

Pražnjenje Ćelije Olovnog Akumulatora -reakcije na anodiNabijeni ioni (H+ i SO4

- ) prilaze električki neutralnoj anodi (PbO2). Olovni oksid PbO2 se može promatrati kao veza iona Pb+4 i O-2. Četiri vodikova iona H+ se kombiniraju sa dva iona kisika O-2

te stvaraju dvije molekule vode. Olovni ion Pb+4 ispušta dva pozitivna naboja te se kombinira sa ionom SO4

- te stvara olovni 4-oksid (PbSO4).

Pražnjenje Ćelije Olovnog Akumulatora -reakcije na anodiKemijska reakcija oslobađanja dva pozitivna naboja oslobađa neto energiju 𝐸𝑎

0 = 1.685𝑒𝑉.

Kako se pozitivni naboj na anodi akumulira, on privlači negativno nabijene sulfatne ione SO4- te

se reakcija zaustavlja sve dok se pozitivni naboj ne odvede sa anode (dakle dok se ćelija ne spoji na električni krug).

Obje reakcije (na anodi i katodi) izazivaju stvaranje olovnog 4-sulfata (PbSO4) na elektrodama te se elektrode prekriju slojem PbSO4 koji je ujedno i loš vodič. Nadalje smanjuje se koncentracija iona u elektrolitu koji ujedno i predstavljaju uskladištenu električnu energiju. Ovaj oksidacijski sloj ujedno predstavlja i unutarnji otpor naponskog izvora.

Napon Ćelije Olovnog AkumulatoraNapon jedne ćelije olovnog akumulatora je jednak energiji obje reakcije (izraženom u elektron-voltima 𝑒𝑉) podjeljen sa nabojem:

(1) 𝑉𝑏𝑎𝑡𝑡 =𝐸𝑎0+𝐸𝑘

0

𝑒= 0.356𝑉 + 1.685𝑉 = 2.041𝑉

Pražnjenje Ćelije Olovnog Akumulatorapreko Tereta

Povezivanjem terminala ćelije preko otpora tereta teče struja kroz kroz ćeliju.

Pražnjenjem ćelije dolazi do neutralizacije slobodnih iona iz elektrolita te također dolazi do sulfatizacije elektroda.

Zbog oba ova procesa napon na terminalima ćelije pada kako se ćelija prazni.

Kada je ćelija potpuno prazna na njoj je napon 1.95V. Ako akumulator ima 6 ćelija spojenih u seriju tada je napon na akumulatoru 11.7V.

Punjenje Ćelije Olovnog AkumulatoraVanjski izvor tjera elektrone da se gibaju obrnuto nego kod pražnjenja ćelije (elektroni putuju od pozitivnog do negativnog terminala).

Kemijske reakcije su obrnute nego kod pražnjenja te se oslobađaju sulfatni SO4

- i vodikovi H+ ioni u elektrolit te se na taj način skladišti električna energija za buduću uporabu.

Također se razlaže i sloj olovnog 4-oksida (PbSO4) obrnutom reakcijom nego što je nastao.

Kada je ćelija potputno puna na njoj je napon 2.12V (6x2.12V=12.72V ako akumulator ima 6 ćelija).

Konstrukcija Olovnog Akumulatora

Olovni akumulator od 12V se sastoji od ukupno 6 ćelija spojenih u seriju.

Kapacitet akumulatora se izražava u amper satima (Ah). Npr. akumulator od 72Ah i 12V može 72 sata davati struju od jednog ampera pri naponu od 12V.

Dimenzije akumulatora su proporcionalne kapacitetu akumulatora. Pošto je energija uskladištena u elektrolitu, više elektrolita (i površine elektroda) znači veći kapacitet akumulatora.

Punjenje Ćelije Olovnog AkumulatoraPunjenje ćelije olovnog akumulatora se može podijeliti na tri faze:

1. Bulk faza: tijekom ove faze ćelija baterije se puni razmjerno jakom strujom koja je konstantna dok ne dosegne 80% maximalnog napona (max. napon je 2.12V) a napon koji dovodimo na bateriju je u postupnom porastu. Kad bi baterija ostala u ovom režimu ona bi se prepunila. Ovaj režim punjenja traje 5-8 sati te traje ukupno otprilike nešto manje od polovice ukupnog vremena punjenja baterije.

Punjenje Ćelije Olovnog Akumulatora2. Faza absorpcije: ćelija se puni konstantnim naponom dok za to vrijeme struja pada. Ovaj

režim smanjuje stvaranje plinova (vodika) koji se stvara dok se baterija puni. Ako bi ćelija ostala u ovoj fazi ona bi se prepunila.

3. Treća faza: u trećoj fazi punjenja smanjuje se napon dok je struja minimalna. U ovoj fazi je baterija spremna za svoju normalnu operaciju. U trećoj fazi regulator punjenja ćelije nadopunjuje ćeliju ako napon na ćeliji padne ispod određenog nivoa. Ako se ćelija ne prazni i ako je dugo u trećoj fazi može doći do stratifikacije ćelije. To se desi kada ioni (budući da ne putuju jer se ćelija ne prazni) padnu na dno ćelije što umanjuje efikasnost ćelije. Pametni regulator punjenja baterije nadzire koliko je vremena ćelija provela u trećoj fazi te generira naponske impulse koji stimuliraju miješanje elektrolita.

Prilikom punjenja gubi se dio elektrolita te ga je potrebno redovito dolijevati. U slučaju prepunjavanja ovaj proces je još izraženiji. Ako tome pridodamo i generaciju topline ako je struja jaka onda imamo i pojačano isparavanje.

Životni Vijek Olovnih Akumulatora u Ovisnosti o Pražnjenju

Na slici je ovisnost maksimalnog broja ciklusa punjenja pražnjenja baterije o nivou pražnjenja.

Da bi se produžio vijek baterija možemo:

1. Smanjiti nivo pražnjenja baterija

2. Možemo držati ćelije baterije u trećoj fazi kada se baterija ne koristi

3. Također možemo pulsirati struju kroz bateriju da smanjimo količinu olovnog sulfata.

Pražnjenje Olovnog Akumulatora dok Nije u Uporabi

Kada olovni akumulator nije u uporabi on se postupno prazni. Pražnjenje je ovisno najviše o temperaturi na kojoj se skladišti baterija te se sa povišenjem temperture akumulator brže prazni.

Na slici je krivulja pražnjenja akumulatora koji se ne koristi u ovisnosti o temperaturi.

Starenje Olovnog AkumulatoraFaktori koji uzrokuju degradaciju baterija su:

• Stratifikacija elektrolita

• Stvaranje prekomjernog olovnog sulfata na elektrodama (proces može biti ireverzibilan)

• Korozija elektroda (povećava unutarnji otpor i smanjuje kapacitet baterije)

• Gubitak kohezije aktivne mase elektroda (s vremenom materijal elektroda mijenja strukturu i smanjuje se kapacitet baterije)

Stratifikacija: ako se baterija slabo puni i slabo prazni, dolazi do stratifikacije. Teži ioni padaju na dno baterije te uzrokuju tzv. stratifikaciju elektrolita. Stratifikacija uzrokuje slabljenje baterije jer se kreiranje električnih naboja putem kemijskih reakcija lokalizira na dno elektroda.

Ekvivalentna Shema Olovnog AkumulatoraZbog testiranja stanja olovnog akumulatora potrebno nam je bateriju predstaviti ekvivalentnom shemom. Na slici je Randles-ov ekvivalentni električni krug.

𝑅𝑚- predstavlja otpor elektroda i ostalih metalnih kontakata unutar olovnog akumulatora𝑅𝑠- je otpor elektrolita. Što je manje elektrolita, taj otpor je manje te nedostatak elektrolita je jedan od osnovnih razloga skraćenog radnog vijeka baterije𝐶𝑑𝑙-je kapacitet na elektrodama (dl-double layer). To je funkcija površine elektroda te dielektrične konstante elektrolita𝑅𝑐𝑡-kemijske reakcije imaju određenu brzinu reakcija te se nesposobnost baterije ta trenutno prati zahtjev za strujom može predstaviti otporom𝑊𝑙-je Warburgov otpor koji nastaje zbog difuzijskog transporta iona.

Opasnosti kod Olovnih ĆelijaTijekom punjenja baterije normalno proizvode lako zapaljivi plin vodik (H). Pod normalnim uvjetima punjenja 99% plina se rekombinira u kemijskim reakcijama. Prag stvaranja abnormalnih količina vodika je napon na ćeliji 2.415V-2.48V te nakon toga stvaranje plina vodika eksponencijalno raste.

Kod prepunjavanja ćelije (npr. zbog neispravnog regulatora punjenja) dolazi do pojačanog stvaranja plina vodika i kisika te do gubitka vode (pada nivo elektrolita u bateriji). Ako baterija ne može ispustiti ovako nagomilani plin može doći i do nadimanja baterije te nasilnog ispuštanja plinova i na poslijetku zapaljenja plinova uslijed mogućeg iskrenja.

Kratki spojevi (na primjer ako na rotoru alternatora imamo kratki spoj) dovode do toga da baterija daje jaku struju te se počne pregrijavati. Zbog toga dolazi do isparavanja elektrolita te stvaranja pritiska unutar baterije. To može dovesti do prskanja elektrolita (kiselina) te ozlijeda osoblja.

VRLA Olovni Akumulatori-"Suhe Baterije"VRLA (Valve Regulated Lead Acid) olovni akumulatori su akumulatori zatvorenog tipa te stvaraju električnu energiju po istom principu kao i "mokri" olovni akumulatori. Korisnici VRLA baterija nemaju pristup elektrolitu (tj. ne mogu dolijevati vodu). Kod ovih baterija nije potrebno dodavati elektrolit jer plinovi koji se normalno proizvode se rekombiniraju tijekom postupka koji se naziva "ciklus oksigenizacije".

Ova vrsta akumulatora je u potpunosti zatvorena osim što je opremljena sa prekotlačnim ventilom u slučaju da pritisak plinova poraste iznad određenih granica. VRLA baterije emitiraju mali dio plinova u odnosu na one koje emitiraju "mokre baterije" zbog ciklusa oksigenizacije koji eliminira stvaranje vodika.

Ova vrsta akumulatora se nekad naziva i "akumulatori bez održavanja". Taj naziv dolazi od činjenice da se "mokre" akumulatore moralo periodično nadolijevati vodom.

VRLA Olovni Akumulatori-"Suhe Baterije"Bez obzira na ove nazive, kod uporabe ove vrste baterija može se dogoditi da elektrolit ispari (preko prekotlačnog ventila). Kao i kod "mokrih" akumulatora kapacitet baterije ovisi o količini elektrolita, tj. volumen elektrolita određuje koliko električne energije može pohraniti akumulator.

Kod "mokrih" olovnih baterija se stvara sloj PbSO4 na elektrodama tijekom ciklusa pražnjenja. Tijekom ciklusa punjenja sloj se PbSO4 razlaže te se stvaraju ioni SO4

- i vodikovi ioni H+ u elektrolitu. Pošto ovaj reverzni proces nije savršen dolazi do stvaranja plina vodika koji pobjegne iz baterije prije nego što se uspije pomiješati s vodom u elektrolitu. Da se izbjegne situacija kada je pritisak unutar baterije toliki da može izazvati eksploziju, baterija je opremljena prekotlačnim ventilom.

VRLA Olovni Akumulatori-"Suhe Baterije"Da se izbjegnu problemi sa bježanjem vodika, VRLA baterije su posebno konstuirane tako da imobiliziraju kretanja elektrolita unutar baterije na način što drže ione vodika blizu elektroda baterija. Zbog toga su ioni vodika blizu elektroda te su spremni za rekombinaciju tijekom punjenja/pražnjenja baterije. Takva konstrukcija bitno smanjuje gubitak elektrolita te zbog toga baterija može biti potpuno zatvorena te joj ne treba dodavati vodu. Postoje dva tipa ovih baterija:

1. Baterija sa Ćelijama koje sadrže gel (Gel Cell): kod ovih baterija je elektolit u obliku gela te se na taj način imobiliziraju ioni.

2. Baterija sa elektrodama prekrivenima fiberglasom (AGM): kod ove vrsta baterija elektrolit se imobilizira pomoću tankog filma od fiberglasa između elektroda baterija. Ovakva konstrukcija omogućava brzu reakciju između elektroda i elektrolita. Kod ovog tipa baterija imamo smanjeni unutarnji otpor (smanjena generacija PbSO4 ) te mogu podnijeti veće struje nego "mokra" baterija.

Skica VRLA akumulatoraOsnovni dijelovi zatvorenog VRLA akumulatora:

valve - prekotlačni ventil namješten da propušta na 30-50 atmosfera

separator - zadužen je da imobilizira elektrolit (AGM). Ovako imobilizirani ioni se drže konstantno blizu elektroda kako bi odmah mogli reagirati na pražnjenje baterije.

seal - poklopac zaštite prekotlačnog ventila

handle - ručka za nošenje akumulatora

Održavanje Brodskih BaterijaKod mokrih baterija može se vizualno utvrditi nivo elektrolita u baterijama te po potrebi nadolijevati vodu. Hidrometrom se moglo utvrditi nivo napunjenosti svake od ćelija i mogao se koristiti "carbon pile" test da se utvrdi sposobnost akumulatora da proizvede električnu struju. Ako neka od ćelija nije ispravna, mogla se zamijeniti samo ta neispravna ćelija a ne cijeli akumulator.

Većina današnjih brodova opremljeni su baterijama zatvorenog tipa (VRLA) stoga ne možemo koristiti hidrometar jer je baterija zatvorena. Pomoću voltmetra možemo utvrditi koliko je baterija napunjena ali nam voltmetar ne može ništa reći o tome koliko je baterija sposobna dati struje (12.72V ako je baterija potpuno puna i 11.7V ako je baterija potpuno prazna) ili koliko je ciklusa baterije preostalo.

Testovi opterećenja baterije su ekstremno opasni kod zatvorenih baterija. VRLA baterije jesu zatvorene ali ipak imaju prekotlačni ventil što znači da ako se unutar baterije stvori velik pritisak baterija će ventilirati te gubiti elektrolit. Ako nivo elektrolita unutar baterije bitno padne može doći do kratkog spoja unutar baterije te može doći do iskrenja koje može zapaliti plinsku smijesu. Uređaji za provođenje testova opterećenja su nezgodni za korištenje u prostoru gdje se drže baterije zbog svojih dimenzija.

Test Vodljivosti BaterijeIz ekvivalentnog kruga baterije znamo da baterija ima određenu impedanciju i admintanciju. Vrijednosti impedancije i admitancije se mijenjaju kako baterija stari.

Vrijednost impedancije baterije možemo mjeriti tako što ćemo propuštati slabu AC struju kroz akumulator.

Na slici je prikazana absolutna vrijednost impedancije u ovisnosti o dobi baterije.

Vodljivost je obrnuto proporcionalna realnom dijelu impedancije.

Tester Vodljivosti za BaterijeTester voldljivosti za baterije je ručni uređaj malih dimenzija koji kad se spoji na bateriju ne predstavlja opterećenje za bateriju. Radi na način da propušta slabu AC struju (tj. impulse) kroz bateriju.

Mikroprocesor diktira propuštanje ovih impulsa te mjeri odziv na pobudu (impuls). Uspoređujući ulazni i izlazni signal mikroprocesor pretvara ove informacije u vodljivost baterije.

Ovakvi testovi traju nekoliko sekundi i baterija ne mora biti puna kada se test provodi (za razliku od testova opterećenja kod kojih baterija mora biti puna).

Neki od popularnijih modela za testiranje vodljivosti baterija (i općenito stanja baterija su):

• Micro500XL, Midtronics, www.midtronics.com

• DBA Analyzer, Newmar Power, www.newmarpower.com

• BAT 121, Bosch, www.boschautoparts.co.uk

Tester Vodljivosti za BaterijeTestiranje vodljivosti je jedini test ispravnosti baterije koji ne može oštetiti bateriju (a niti ozlijediti korisnika). Kod nabavke testera treba voditi računa o tome za koju vrstu baterija je tester namjenjen (gel ili AGM). Također treba voditi računa za koliki CCA (Cold Cranking Amps) je tester namijenjen.

Princip rada testera vodljivosti Midtronics Micro500XL testersa IR printerom

Također tester mora biti predviđen za određeni kapacitet baterije. Testeri vodljivosti za automobilske baterije obično ne odgovaraju brodskim zbog toga što brodske baterije su generalno bitno većeg kapaciteta nego što su to automobilske.

Što je CCA?Cold-cranking-amps (CCA) je mjera koja je nastala pod kapom Battery Council International. To je tijelo koje među ostalim standardizira baterije te je također osmislilo standardne testove za baterije prema kojima proizvođači baterija specificiraju baterije.

CCA test se provodi na 0𝑜𝐶 te se mjeri koliko ampera može dati potpuno puna baterija u trajanju od 30 sekundi. Razlog zašto je odabrana ova niska temperatura leži u tome što baterije mogu dati manje ampera na nižoj temperaturi.

Poznato je da automobili teže pale kad je temperatura vrlo niska (razlog je baterija). Mjerenje CCA može nam reći što možemo očekivati od baterije pod najgorim uvjetima kada treba pokrenuti motor (starter).

Tester Vodljivosti za BaterijeTesterom se rukuje tako što se baterija spoji na brodski električni sustav (panel s osiguračima). Ako us brodskom sustavu baterija ima više od jedne baterije onda treba testirati svaku bateriju zasebno (zbog toga što su testeri napravljeni za određeni kapacitet baterije)

Da bi se postigao dobar rezultat mjerenja potrebno je osigurati da tester mjeri parametre samo jedne baterije. Pošto su baterije spojene u paralelni krug (ako ih ima više) možemo odspojiti ostale baterije tako što ćemo odspojiti pozitivni (+) pol.

Neki brodovi imaju i selektor baterija tako da možemo odspojiti ostale baterije na selektoru.

Tester Vodljivosti za BaterijeKabeli testera moraju biti čvrsto pričvršćeni na terminale baterije jer su testeri vodljivosti iznimno osjetljivi na kontakte kabela i terminala baterije. Tester ima mogućnost detektiranja loše konekcije te će vas u tom slučaju upozoriti. Ako dođe do ove situacije treba ponovo pokrenuti preceduru testiranja.

Primjer nepravilnog spajanja kabela testera.

Upozorenje na testeru u slučaju nepravilnog spajanja.

Tester Vodljivosti za BaterijeNakon što su kabeli testera čvrsto spojeni na terminale baterije treba provesti test otvorenog kruga da se utvrdi koliko je baterija puna. Testiranje otvorenog kruga je samo jedna od mogućnosti koju pruža tester u svrhu utvrđivanja zdravlja baterije.

Test otvorenog kruga očitava 11.77V što je manje od 25% punog kapaciteta baterije

Dijagram ovisnosti napona otvorenog kruga baterije o popunjenosti baterije.

Tester Vodljivosti za BaterijeNakon testa otvorenog kruga na uređaju treba označiti lokaciju baterije, tj. da li je baterija unutar ili izvan vozila (o ovom slučaju broda). Također treba označiti koju vrstu baterije testiramo. Na ovom testeru može se odabrati "mokra" olovna baterija ili AGM zatvorena baterija.

Odabir lokacije baterije Odabir tipa baterije

Tester Vodljivosti za BaterijeNa labeli baterije označena je numerička vrijednost amperaže baterije. Ta amperaža je obično označena u CCA jedinicama ali može biti označena i sa MCA (marine cranking amps), CA (cranking amps), DIN (Njemački Institut za Normiranje), JIS ili Ah (amper sati).

Odabir jedinica za izražavanje rezultata testa.

Odabir numeričke vrijednosti amperaže (označeno na labeli baterije)

Tester Vodljivosti za BaterijeTester ispisuje zdravlje baterije u formi grafa. Ako je stanje baterije na 80% bateriju će trebati zamijeniti u bližoj budućnosti. Ako je ispod 60% bateriju treba odmah zamijeniti. Nakon provođenja testa uređaj ispisuje izmjerenu i nominalnu vrijednost amperaže baterije. Također prikazuje rezultate mjerenja napona otvorenog kruga (SOC - state of charge).

Prikaz stanja baterije (graf) Usporedba nominalne i izmjerene amperaže baterije.