Abstrakt Tato bakalářská práce popisuje konstrukci a provoz startovacích akumulátorů. Kvůli uvedení širších souvislostí se část této práce zabývá rozdělením elektrochemických zdrojů proudu, některými možnostmi třídění akumulátorů a popisem funkce akumulátorů, které se používají jako startovací. Dále jsou zde uvedeny konstrukce startovacích akumulátorů, které jsou v současnosti běžně dostupné. Součástí této práce je i popis elektrických parametrů startovacích akumulátorů. Další část se zabývá provozem a údržbou olověných startovacích akumulátorů. Poslední částí této práce je navrch laboratorního cvičení, jehož náplní je měření na startovacích akumulátorech. Abstract This bachelor s thesis describes construction and functioning of starting battery. This thesis is separated to parts as electrochemical current source, possibilities of sorting and characterization of accumulators which are used as starting battery. One part is about constructions of starting battery which are available and description of electrical parameters. Next part includes correct functioning and service. Last part of this thesis describes a project of laboratory exercise containing a measurement on starting battery.

Klíčová slova konstrukce startovacího akumulátoru, olověný akumulátor, provoz startovacího akumulátoru, startovací akumulátor, údržba startovacího akumulátoru Keywords construction of starting battery, lead accumulator, operation of starting battery, starting battery, maintenance of starting battery

Bibliografická citace MACH, M. Startovací akumulátory. Brno:, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2008. 48 s. Vedoucí bakalářské práce prof. Ing. Vítězslav Hájek, CSc.

Prohlášení Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma Startovací akumulátory jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne Podpis autora.. Poděkování Děkuji vedoucímu bakalářské práce prof. Ing. Vítězslavu Hájkovi, CSc. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé bakalářské práce. V Brně dne Podpis autora..

10 OBSAH 1 ÚVOD... 15 2 ELEKTROCHEMICKÉ ZDROJE PROUDU... 16 3 AKUMULÁTORY A JEJICH ROZDĚLENÍ... 17 3.1 ELEKTROLYT... 17 3.2 NÁDOBY AKUMULÁTORŮ... 17 3.3 POUŽITÍ AKUMULÁTORŮ... 18 3.3.1 PRŮMYSLOVÉ AKUMULÁTORY... 18 3.3.2 STARTOVACÍ AKUMULÁTORY... 18 3.3.3 PŘÍSTROJOVÉ AKUMULÁTORY... 18 4 STARTOVACÍ AKUMULÁTORY... 19 4.1 POŽADAVKY NA STARTOVACÍ AKUMULÁTORY... 19 5 OLOVĚNÉ AKUMULÁTORY... 20 5.1 DĚJE PŘI NABÍJENÍ A VYBÍJENÍ... 20 5.2 KONSTRUKCE ELEKTROD... 20 6 NIKL-KADMIOVÉ AKUMULÁTORY... 21 6.1 DĚJE PŘI NABÍJENÍ A VYBÍJENÍ... 21 6.2 KONSTRUKCE ELEKTROD... 22 6.3 VÝHODY A NEVÝHODY V POROVNÁNÍ S OLOVĚNÝM AKUMULÁTOREM... 22 7 STŘÍBRO-ZINKOVÉ AKUMULÁTORY... 23 8 KONSTRUKCE STARTOVACÍCH AKUMULÁTORŮ... 24 8.1 ÚDRŽBOVÉ STARTOVACÍ AKUMULÁTORY... 25 8.2 MODERNÍ STARTOVACÍ AKUMULÁTORY SE ZAPLAVENÝMI ELEKTRODAMI A SNÍŽENÝMI NEBO ŽÁDNÝMI NÁROKY NA ÚDRŽBU... 25 8.3 OLOVĚNÉ STARTOVACÍ AKUMULÁTORY VRLA... 28 8.4 STARTOVACÍ AKUMULÁTORY HEAVY DUTY A SUPER HEAVY DUTY... 29 9 ELEKTRICKÉ PARAMETRY AKUMULÁTORŮ... 30 9.1 NAPĚTÍ NAPRÁZDNO... 30 9.2 VNITŘNÍ ODPOR... 30 9.3 NAPĚTÍ PŘI ZATÍŽENÍ... 31 9.4 KONEČNÉ NABÍJECÍ NAPĚTÍ... 31 9.5 KONEČNÉ VYBÍJECÍ NAPĚTÍ... 31

11 9.6 PLYNOVACÍ NAPĚTÍ... 32 9.7 KAPACITA... 32 9.8 JMENOVITÁ KAPACITA... 32 9.9 REZERVNÍ KAPACITA... 33 9.10 STARTOVACÍ PROUD ZA STUDENA... 33 10 PROVOZ A ÚDRŽBA OLOVĚNÝCH STARTOVACÍCH AKUMULÁTORŮ... 34 10.1 UVEDENÍ OLOVĚNÉHO STARTOVACÍHO AKUMULÁTORU DO ČINNOSTI... 34 10.2 SULFATACE... 34 10.3 NEGATIVNÍ PROVOZNÍ VLIVY NA OLOVĚNÉ STARTOVACÍ AKUMULÁTORY... 35 10.3.1 HLUBOKÉ VYBITÍ... 35 10.3.2 PŘEDČASNĚ UKONČENÉ (NEÚPLNÉ) NABÍJENÍ... 36 10.3.3 PŘEBÍJENÍ... 36 10.3.4 NABÍJENÍ VELKÝMI PROUDY... 36 10.3.5 PŘEPÓLOVÁNÍ... 36 10.3.6 ZKRAT... 37 10.3.7 NEVHODNÉ MNOŽSTVÍ ELEKTROLYTU... 37 10.3.8 NEVHODNÁ HUSTOTA ELEKTROLYTU... 37 10.3.9 NEČISTOTY V ELEKTROLYTU... 37 10.3.10 TEPLOTA... 37 10.3.11 MECHANICKÉ VLIVY... 38 10.4 ÚDRŽBA OLOVĚNÉHO STARTOVACÍHO AKUMULÁTORU... 39 10.4.1 AKUMULÁTORY S NÁROKY NA ÚDRŽBU... 39 10.4.2 BEZÚDRŽBOVÉ AKUMULÁTORY... 41 11 NÁVRH LABORATORNÍHO CVIČENÍ PRO PŘEDMĚT BAEB... 42 11.1 PŘÍKLAD PROVEDENÍ LABORATORNÍHO CVIČENÍ... 43 11.1.1 MĚŘENÍ NA AKUMULÁTORU V DOBRÉM STAVU... 43 11.1.2 MĚŘENÍ NA POŠKOZENÉM AKUMULÁTORU... 44 12 ZÁVĚR... 46 LITERATURA... 47

12 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 8.1:Údržbový startovací akumulátor [6].... 25 Obr. 8.2: Jedno z provedení moderního startovacího akumulátoru [7]... 26 Obr. 8.3: Sestava startovacího akumulátoru moderní konstrukce [8].... 26 Obr. 8.4: Příklad provedení centrálního odplyňovacího systému [9]... 27 Obr. 8.5: Magické oko a jeho umístění ve startovacím akumulátoru [10] [11].... 27 Obr. 8.6: Gelový startovací akumulátor [12]... 28 Obr. 8.7: Startovací akumulátor typu AGM se spirálovými elektrodami [13]... 28 Obr. 8.8: Startovací akumulátor SUPER HEAVY DUTY [14].... 29 Obr. 9.1: Příklad průběhu napětí na jednom článku olověného akumulátoru při nabíjení a vybíjení [2]... 32 Obr. 10.1: Ukázka vlivu teploty na tvorbu plynů, kapacitu a životnost olověného akumulátoru se zaplavenými elektrodami [2]... 38 Obr. 10.2: Hustoměr pro měření hustoty elektrolytu olověného akumulátoru [16]... 40 Obr. 10.3: Vliv teploty na hustotu elektrolytu olověného akumulátoru [5].... 40 Obr. 11.1: Schéma zapojení... 42 Obr. 11.2: Závislost napětí na odebíraném proudu u akumulátoru v dobrém stavu... 43 Obr. 11.3: Závislost vnitřního odporu na odebíraném proudu u akumulátoru v dobrém stavu... 44 Obr. 11.4: Závislost napětí na odebíraném proudu u poškozeného akumulátoru... 45 Obr. 11.5: Závislost vnitřního odporu na odebíraném proudu u poškozeného akumulátoru... 45

13 SEZNAM TABULEK Tab. 10.1: Hustota elektrolytu olověného startovacího akumulátoru v závislosti na stupni nabití při teplotách kolem 25 C [15].... 39 Tab. 10.2: Napětí naprázdno olověného startovacího akumulátoru v závislosti na stupni nabití při teplotách kolem 25 C [15]... 41 Tab. 11.1: Hodnoty získané měřením na akumulátoru v dobrém stavu... 43 Tab. 11.2: Hodnoty získané měřením na poškozeném akumulátoru... 44

14 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK Ag Ag 2 O 2 AGM Cd Cd(OH) 2 C N H 2 O H 2 SO 4 HD I ϑ KOH LiOH Ni Ni(OH) 2 NiOOH Pb PbO 2 PbSO 4 R v SHD SO 4-2 U U 0 U 01 VRLA Zn Zn(OH) 2 ρ stříbro oxid stříbrnatý označení pro akumulátory s veškerým elektrolytem nasáklým v separátorech a elektrodách kadmium hidroxid kademnatý jmenovitá kapacita voda kyselina sýrová označení pro akumulátory určené pro velké proudové zatížení proud teplota hydroxid draselný hydroxid lithný nikl hydroxid nikelnatý oxihydroxid niklu olovo oxid olovičitý síran olovnatý vnitřní odpor akumulátoru označení pro akumulátory s vyšší odolností proti vibracím iont síranu napětí napětí naprázdno akumulátoru napětí naprázdno jednoho článku označení pro ventilem řízené akumulátory zinek hydroxid zinečnatý hustota

15 1 ÚVOD Akumulátor je jiné označení pro sekundární článek nebo pro sestavu sekundárních článků. Tyto články je možné opakovaně nabíjet a vybíjet a mohou sloužit k různým účelům. Spolu s dalšími typy článků patří do skupiny elektrochemických zdrojů proudu. Používání startovacích akumulátorů souvisí s používáním spalovacích motorů. Nejrozšířenějším způsobem startování těchto motorů je startování elektrickým startérem. Jako zdroj elektrické energie pro tyto startéry slouží startovací akumulátory. Startovací akumulátory se staly zcela běžnou součástí automobilů. Spalovací motory moderních automobilů jsou startovány výhradně pomocí elektrických startérů. Spolu se zvětšováním počtu automobilů se spalovacími motory se tady zvětšuje i počet startovacích akumulátorů. Používají se nejen v automobilech, ale i v lodích, letadlech a u stacionárních spalovacích motorů. Dalším úkolem startovacího akumulátoru je poskytovat energii pro různá elektrická zařízení v době, kdy neslouží jako zdroj energie alternátor poháněný spalovacím motorem. Konstrukce těchto akumulátorů je ovlivněna především požadavkem na dodávání velkého proudu v průběhu startu. V současnosti nejrozšířenějším typem startovacích akumulátorů jsou akumulátory olověné. Jejich velké rozšíření je způsobeno především jejich nízkou cenou.

16 2 ELEKTROCHEMICKÉ ZDROJE PROUDU Elektrochemické zdroje proudu poskytují elektrickou energii, která vzniká při elektrochemické reakci z energie chemické. První elektrochemický článek sestrojil italský fyzik Alessandro Volta (1745-1827). V roce 1799 sestavil první baterii sériově zapojených článků známou jako Voltův sloup, složena byla z dvaceti párů měděných a zinkových destiček proložených plstí nasáklou slanou vodou. Lze je rozdělit na primární články, sekundární články a palivové články. Primární články Poskytují elektrickou energii bezprostředně po sestavení, při jejich vybíjení dochází k nevratné přeměně chemické energie na energii elektrickou, opačný proces nabíjení u nich není možný. V současnosti nejpoužívanějším typem primárního článku je suchý Leclanchéův článek. Jsou používány především k napájení přenosných zařízení, např. kapesních svítilen, digitálních fotoaparátů atd. Sekundární články Na rozdíl od primárních článků neposkytují elektrickou energii ihned po sestavení, před prvním použitím je nutné jejich nabití. Proces nabíjení a vybíjení lze několikrát opakovat, jedná se tedy o články, které lze používat opakovaně. Při nabíjení dochází k přeměně přiváděné elektrické energie na energii chemickou, která je akumulována uvnitř článku, z toho vychází pojmenování sekundárních článků jako akumulátorů. Palivové články Jsou zdrojem elektrické energie, která vzniká při elektrochemické reakci přiváděného paliva. Na rozdíl od obou předešlých článků se do palivového článku reakční látky (palivo a okysličovadlo) kontinuálně přivádějí a reakční zplodiny se kontinuálně odvádějí. Napětí jednoho článku je malé, proto se skládají do baterií, které se označují jako elektrochemické generátory. Palivové články nejsou zatím příliš rozšířené. V současnosti nejpoužívanější jsou kyslíko-vodíkové palivové články. Přechodové články Do této kategorie patří články, které využívají zároveň dva z předešlých principů. Příkladem muže být alkalický burelový článek, označovaný zkratkou RAM. Tento článek poskytuje elektrickou energii hned po sestavení a je možné ho dobíjet, dal by se tedy současně zařadit mezi primární i sekundární články.

17 3 AKUMULÁTORY A JEJICH ROZDĚLENÍ Na různé typy akumulátorů jsou kladeny velmi rozdílné požadavky. Ty jsou určovány především účelem použití akumulátoru, ale jsou ovlivňovány i dalšími hledisky, např. ekologickými. Konstrukce akumulátorů je těmito požadavky ovlivněna, liší se např. provedením elektrod, použitým elektrolytem atd. V současnosti existuje mnoho různých typů akumulátorů, které se od sebe více či méně odlišují. Jejich třídění je možné provést podle mnoha hledisek. Zde je uvedeno rozdělení podle použitého elektrolytu, podle stupně uzavřenosti nádob a podle použití. 3.1 Elektrolyt Elektrolyty jsou vodiče ΙΙ. řádu. To znamená, že vedení elektrického proudu umožňují ionty. Při průchodu elektrického proudu elektrolytem dochází k přesunu hmoty a k chemickým změnám. Ionty v elektrolytu vznikají při procesu disociace. Podle stupně disociace se dají rozdělit na slabé a silné. Slabé elektrolyty disociují jen část molekul. Většina slabých elektrolytů je organického původu, ale patří mezi ně i některé anorganické látky. U silných elektrolytů dochází k disociaci téměř všech molekul. Mezi silné elektrolyty patří některé anorganické kyseliny, např. kyselina sýrová (H 2 SO 4 ), některé hydroxidy, např. hydroxid draselný (KOH), a většina solí. Akumulátory lze rozdělit podle druhu použitého elektrolytu na akumulátory s: kyselým elektrolytem především akumulátory s olověnými elektrodami, elektrolytem je kyselina sírová (H 2 SO 4 ) zředěná destilovanou vodou alkalickým elektrolytem jako elektrolyt je použit vodný roztok hydroxidu alkalického kovu, u většiny těchto akumulátorů se jedná o hydroxid draselný (KOH) neutrálním elektrolytem nevodným elektrolytem taveninami solí tuhými elektrolyty U elektrolytů obsahujících vodu, které jsou nejpoužívanější, dochází k elektrolýze vody na kyslík a vodík, to má za následek tvorbu výbušné směsi a další negativní účinky. 3.2 Nádoby akumulátorů Materiál nádob akumulátorů musí vydržet chemické působení elektrolytu a zajistit dostatečnou mechanickou odolnost nádoby. Konstrukce nádoby musí také brát ohled na možnost vzniku plynů. Podle stupně uzavřenosti nádob lze akumulátory rozdělit na: otevřené Nádoba nemá víko, elektrolyt je v přímém kontaktu s ovzduším.

18 uzavřené Nádoba má víko, v kterém je otvor nebo otvory, které umožňují únik plynů vzniklých při elektrolýze. Prostřednictvím otvoru ve víku je možné doplňování elektrolytu a měření jeho hustoty. ventilem řízené Nádoba je uzavřená a opatřená ventilem, který se z nádoby nesnímá. Ventil umožňuje unik přebytečných plynů. V průběhu provozu se do akumulátoru nedoplňuje elektrolyt. uzavřené plynotěsné Nádoba je uzavřená, při normálním provozu z akumulátoru neunikají žádné plyny. Po celou dobu životnosti akumulátoru se do něho nedoplňuje elektrolyt. Pro případ, že by tlak v nádobě překročil bezpečnou mez, bývá nádoba vybavena bezpečnostním systémem. hermetické Nádoba je zcela plynotěsně uzavřená, bez jakýchkoliv ventilů nebo bezpečnostních zařízení. Použití hermetické nádoby je možné u akumulátorů, které nevytvářejí žádné plyny (např. akumulátory, které neobsahují vodný elektrolyt), u akumulátorů, které vytvářejí takové množství plynů, které stačí difundovat některou částí nádoby nebo u akumulátorů, v kterých vzniklé plyny reagují v uzavřeném cyklu uvnitř nádoby. 3.3 Použití akumulátorů 3.3.1 Průmyslové akumulátory Průmyslové akumulátory lze dále rozdělit na staniční a trakční. Staniční akumulátory slouží jako náhradní zdroj elektrické energie v případě přerušení dodávky z rozvodné sítě. Jsou trvale připojeny a tedy i trvale dobíjeny, pochopitelně s výjimkou stavu, kdy slouží jako zdroj. Vzhledem k tomu, že v průběhu svého použití, projdou malým počtem cyklů nabití-vybití, udává se jejich životnost v rocích provozu. Používají se tam, kde by přerušení dodávky elektrické energie mohlo způsobit škody, např. telekomunikace, signalizační zařízení železnice, nouzové osvětlení atd. Trakční akumulátory slouží jako zdroj energie pro pohon vozidel a vozíků např. elektromobilů, manipulačních vozíků, čistících strojů atd. Jejich životnost se udává počtem cyklů nabití-vybití. 3.3.2 Startovací akumulátory Jejich hlavním úkolem je poskytovat elektrickou energii pro elektrické spouštěče spalovacích motorů. Slouží také, jako zdroj elektrické energie v době, kdy neběží spalovací motor, např. pro osvětlení automobilu. 3.3.3 Přístrojové akumulátory Používají se především k napájení mobilních zařízení např. mobilních telefonů, elektrického ručního nářadí atd. Vyrábí se v mnoha různých provedeních.

19 4 STARTOVACÍ AKUMULÁTORY Slouží především jako zdroj elektrické energie pro spouštěče spalovacích motorů. Jejich dalším úkolem je poskytovat elektrickou energii v době, kdy neběží spalovací motor. Z toho vyplývá způsob jejich zatěžování. Po dobu startu jsou vybíjeny velkými proudy, tento stav trvá ale pouze krátkou dobu, obvykle několik sekund, takže dojde k vybití jen malé části jejich kapacity. V průběhu činnosti spalovacího motoru jsou udržovány v téměř nabitém stavu. K hlubokému vybití těchto akumulátorů za normálního provozu nedochází. Může k němu dojít v případě poruchy nabíjecího systému, samovybíjením nebo v případě, kdy je ponechán v činnosti některý elektrický spotřebič v době, kdy neběží spalovací motor. Nejrozšířenějším typem startovacího akumulátoru je akumulátor olověný. Další typy startovacích akumulátorů (nikl-kadmiové, stříbro-zinkové) se běžně nepoužívají. 4.1 Požadavky na startovací akumulátory Protože při startování dochází k vybíjení startovacího akumulátoru velkými proudy, musí být zkonstruován tak, aby měl co nejmenší vnitřní odpor. Jeho nabití na jmenovitou kapacitu musí být co nejrychlejší. Dalším požadavkem je dostatečně vysoká kapacita při co nejmenší hmotnosti a rozměrech. Vzhledem k použití, např. v automobilech, musí být schopen pracovat ve velkém rozsahu teplot, být dostatečně mechanicky odolný a snést otřesy a vibrace. Jeho životnost by měla být co největší a náklady na jeho výrobu co nejmenší.

20 5 OLOVĚNÉ AKUMULÁTORY Jsou nejrozšířenějšími a zároveň také nejdéle používanými akumulátory. Jejich historie sahá až do roku 1859, kdy francouzský fyzik Gaston Planté sestavil první olověný akumulátor. Jejich velké rozšíření je způsobeno nízkou cenou, spolehlivostí, dostatečným výkonem a dobře zvládnutou technologií jejich výroby. Používají se především jako staniční, trakční a startovací. 5.1 Děje při nabíjení a vybíjení Jako elektrolyt pro olověné akumulátory slouží kyselina sírová zředěná vodou. Elektrody, vyrobené z olova, se dělí na kladné a záporné. Na kladných elektrodách je aktivním materiálem v nabitém stavu oxid olovičitý (PbO 2 ), který se vybíjením redukuje na síran olovnatý (PbSO 4 ). Aktivním materiálem záporných elektrod je v nabitém stavu velmi porézní olovo, které při vybíjení oxiduje také na síran olovnatý. Chemické reakce probíhající v olověném akumulátoru, lze zjednodušeně popsat těmito chemickými rovnicemi: nabíjení: 2 PbSO 4 + 2 H 2 O PbO 2 + 2 H 2 SO 4 + Pb vybíjení: PbO 2 + 2 H 2 SO 4 + Pb 2 PbSO 4 + 2 H 2 O Při nabíjení a vybíjení dochází ke změně hustoty elektrolytu. Ta je spolehlivým ukazatelem stavu nabití akumulátoru. Závisí na ní napětí akumulátoru. Jako jmenovité napětí jednoho článku se uvádí zaokrouhlená hodnota 2 V. 5.2 Konstrukce elektrod Ovlivňuje kapacitu, maximální vybíjecí proud, životnost a další vlastnosti akumulátoru. Životnost akumulátoru je dána kladnými elektrodami, které mají z důvodu většího zatěžování při provozu kratší životnost než záporné elektrody. Konstrukcí elektrod jsou také ovlivněny rozměry a hmotnost akumulátoru. K elektrickému oddělení kladných a záporných elektrod slouží separátory. Přehled v současnosti požívaných elektrod: kladné elektrody: velkopovrchové (Plantého), mřížkové, trubkové (pancéřové), tyčové záporné elektrody: mřížkové další typy elektrod: bipolární, spirálové, diskové

21 6 NIKL-KADMIOVÉ AKUMULÁTORY Jejich elektrolyt obsahuje hydroxid draselný, patří tedy do skupiny alkalických akumulátorů, název nikl-kadmiové je odvozen od aktivních hmot elektrod. Ze skupiny alkalických akumulátoru jsou nejrozšířenější. Podle možností použití se nikl-kadmiové akumulátory dělí na tyto typy: KPH (H) krátký režim vybíjení Tento typ je konstruován tak, aby umožňoval vybíjení velkými proudy po krátkou dobu, obvykle méně než 30 minut. Používá se především jako startovací akumulátor. KPM (M) střední režim vybíjení Používá se pro odběry v trvání 30 minut až 3 hodiny, nebo pro smíšené odběry, u kterých jsou kombinovány vysoké a nízké vybíjecí proudy. Je vhodný jako trakční akumulátor. KPL (L) dlouhý režim vybíjení Je vhodný pro občasné vybíjení malými proudy po dobu i několika hodin. Používá se jako staniční akumulátor. KPX (X) Je konstruován na vybíjení velmi vysokými proudy po krátkou dobu, obvykle kratší než 10 minut. 6.1 Děje při nabíjení a vybíjení Jako elektrolyt nikl-kadmiových akumulátorů slouží hydroxid draselný rozpuštěný v destilované vodě. Optimální hustota elektrolytu je při teplotě 20 C 1,21 g cm -3, pro nižší teploty je vhodné použít elektrolyt s vyšší hustotou. Do elektrolytu se přidává na jeden dm 3 5 až 20 g hydroxidu lithného (LiOH). Tím se zvýší životnost akumulátoru, ale za cenu zvýšení jeho vnitřního odporu. Na kladných elektrodách je aktivním materiálem v nabitém stavu hydroxid oxidu nikelnatého (NiOOH) s přísadami určenými ke zlepšení elektrických parametrů. Při vybíjení se redukuje na hydroxid nikelnatý (Ni(OH) 2 ). Aktivním materiálem záporných elektrod je v nabitém stavu kadmiový kov s přísadami, který při vybíjení oxiduje na hydroxid kademnatý (Cd(OH) 2 ). Při nabíjení a vybíjení dochází k složitějším procesům než v akumulátoru olověném, zjednodušeně je lze popsat těmito chemickými rovnicemi: nabíjení: 2 Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 2 NiOOH + Cd + 2 H 2 O vybíjení: 2 NiOOH + Cd + 2 H 2 O 2 Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 Hustota elektrolytu se při nabíjení a vybíjení mění pouze v malém rozsahu a není spolehlivým ukazatelem stavu nabití akumulátoru. Jako jmenovité napětí jednoho článku se uvádí zaokrouhlená hodnota 1,2 V.

22 6.2 Konstrukce elektrod Elektrody jsou konstruovány s ohledem na fakt, že aktivní materiály nikl-kadmiových akumulátorů nejsou samonosné. Přehled v současnosti požívaných elektrod: elektrody trubkové: používají se jako kladné elektrody kapsové: používají se jako kladné i záporné elektrody spékané (sintrované): používají se jako kladné i záporné elektrody pojené plastem: používají se jako záporné elektrody FNC: používají se jako kladné i záporné 6.3 Výhody a nevýhody v porovnání s olověným akumulátorem Výhody: Větší životnost. Rychlejší nabíjení. Větší odolnost proti přebíjení. Větší mechanická odolnost. Nepůsobí korozivně na okolí. Možnost výroby i malých článků. Možnost dlouhodobého ponechání ve vybitém stavu. Možnost dlouhodobého skladování bez dobíjení. Možnost činnosti za podstatně nižších teplot. Menší pokles kapacity při nízkých teplotách. Větší odolnost proti střídavé složce nabíjecího proudu. Nevýhody: Vyšší cena. Nižší napětí článku. Menší energetická účinnost. Větší počáteční samovybíjení. Vysoká toxicita kadmia. Možnost vzniku paměťového jevu. Nemožnost určení stavu nabití změřením hustoty elektrolytu. Snižování kapacity a zvyšování vnitřního odporu vlivem oxidu uhličitého ze vzduchu.

23 7 STŘÍBRO-ZINKOVÉ AKUMULÁTORY Jejich elektrolytem je, stejně jako u nikl-kadmiových akumulátorů, roztok hydroxidu draselného. Patří tedy také do skupiny alkalických akumulátorů. Stříbro se používá k zhotovení kladné elektrody, zinek je použit na záporné elektrodě. Chemické děje probíhající ve stříbrozinkovém akumulátoru při nabíjení a vybíjení lze zjednodušeně popsat těmito chemickými rovnicemi: nabíjení: Ag 2 O 2 + 2 H 2 O + 2 Zn 2 Ag +2 Zn(OH) 2 vybíjení: 2 Ag + 2 Zn(OH) 2 Ag 2 O 2 + 2 H 2 O + 2 Zn Výhody stříbro-zinkových akumulátorů: velká měrná energie, malý vnitřní odpor, mohou se vybíjet velkými proudy, jsou odolné proti mrazu, mohou se dlouhodobě skladovat ve vybitém stavu, náhodný zkrat je nepoškodí, elektrolyt z nich nevytéká v libovolné poloze. Velkou nevýhodou stříbro-zinkových akumulátorů je jejich vysoká cena a krátká doba životnosti. Jako startovací akumulátory se používají v některých závodních automobilech a letadlech.

24 8 KONSTRUKCE STARTOVACÍCH AKUMULÁTORŮ Nejběžněji používaným typem startovacího akumulátoru je v současnosti akumulátor olověný. Ten se pro tento účel vyrábí v několika provedeních. Nejrozšířenější je tzv. bezúdržbový startovací akumulátor, jeho předchůdcem je údržbový startovací akumulátor. Dalším dostupným startovacím akumulátorem je olověný akumulátor v provedení VRLA. Nikl-kadmiové a stříbro-zinkové startovací akumulátory se používají pro zvláštní účely, např. v armádě, pro závodní automobily a podobně. Základní části startovacích akumulátorů jsou: nádoba Jsou v ní umístěny elektrody a elektrolyt a je uzavřena víkem. Její součástí je i kalový prostor kde se usazují části odpadlé z elektrod. Musí být dostatečně mechanicky odolná. V současnosti se nádoby startovacích akumulátorů vyrábějí z plastů. víko Je vyrobeno ze stejného materiálu jako nádoba a je s ní pevně spojeno. Ve víku jsou umístěny pólové vývody a další prvky, které se liší podle typu akumulátoru, mohou zde být otvory pro zátky, bezpečnostní ventily, odplyňovací systém atd. Součástí víka moderních akumulátorů bývá obvykle sklopné držadlo, usnadňující manipulaci s akumulátorem. elektrody Nejčastěji se používají mřížkové elektrody, pro akumulátory typu AGM se používají i spirálové elektrody. separátory Slouží k elektrickému oddělení elektrod. Musí být vyrobeny tak aby kladly minimální elektrický odpor (obzvláště u startovacích akumulátorů je tento požadavek důležitý). V mnoha moderních akumulátorech jsou separátory obálkového provedení, ty zadržují odpadávající části elektrod a kalový prostor tak může být zmenšen nebo odstraněn. elektrolyt Pro olověné startovací akumulátory je to roztok kyseliny sírové a destilované vody s hustotou 1,28 g cm -3. spojky elektrod Slouží ke spojení elektrod v rámci jednoho článku. spojky článků Slouží ke spojení jednotlivých článků. Ve dvanácti voltovém olověném startovacím akumulátoru je šest sériově spojených článků. zátky Jsou jimi vybaveny jen některé typy akumulátorů. Díky nim se dá, tam kde je to potřeba, provádět kontrola a údržba akumulátoru. V zátkách jsou otvory, které umožňují únik plynů vzniklých při provozu akumulátoru. Zátky některých akumulátorů mohou být vybaveny zařízením pro rekombinaci kyslíku a vodíku na vodu, tím se snižují nároky na údržbu. ventily Jsou jimi vybaveny jen některé typy akumulátorů. Jejich účelem je zabránit vzniku nebezpečného přetlaku uvnitř akumulátoru. pólové vývody Jsou umístěny ve víku a slouží k připojení akumulátoru na elektrický systém zařízení, jehož jsou součástí. Startovací akumulátory mohou být vybaveny i dalšími jinými částmi než jsou výše uvedené, např. vestavěným hustoměrem. Většina v současnosti vyráběných startovacích akumulátorů má jmenovité napětí 12 V.

25 8.1 Údržbové startovací akumulátory Jedná se o konstrukci se zaplavenými elektrodami v nádobě, která umožňuje přímý únik plynů vzniklých při elektrolýze. Ve víku nádoby jsou otvory, které umožňují doplňování destilované vody a měření hustoty elektrolytu. Množství elektrolytu je nutné kontrolovat a v případě potřeby doplnit destilovanou vodou. Otvory ve víku jsou během provozu opatřeny zátkami, které se snímají pouze za účelem měření nebo údržby. Kladné i záporné elektrody jsou mřížkové konstrukce, kvůli snížení vnitřního odporu je jejich tloušťka menší než 2,5 mm. Pro zlepšení licích vlastností olova a mechanické pevnosti elektrod se olovo leguje arzenem, ten ale způsobuje zvýšené samovybíjení. Proto se množství arzenu v elektrodách i u těchto akumulátorů snižuje a částečně se nahrazuje jinými prvky. Pro snížení samovybíjení se olovo leguje vápníkem. Negativní vlastností elektrod z olova legovaného vápníkem je jejich menší odolnost proti přebíjení a hlubokému vybití. Pro další zlepšení vlastností elektrod se do olova pro jejich výrobu přidávají i další prvky. Výhodou tohoto provedení startovacích akumulátorů je nízká cena, nevýhodou je nutnost provádění kontroly a údržby. Obr. 8.1:Údržbový startovací akumulátor [6]. 8.2 Moderní startovací akumulátory se zaplavenými elektrodami a sníženými nebo žádnými nároky na údržbu Do této skupiny patří většina v současnosti používaných startovacích akumulátorů. Jsou konstruovány tak aby nároky na jejich údržbu byly minimalizovány, případně zcela odstraněny. Nižších nároků na údržbu se dosahuje nižším ubýváním vody z elektrolytu a nižším samovybíjením. I tento typ startovacího akumulátoru má elektrody zaplavené elektrolytem. Ten obsahuje příměsi chemických prvků (např. kalcium), které omezují vypařování vody. Elektrody jsou opět mřížkové konstrukce, aby bylo sníženo samovybíjení je olovo pro jejich výrobu legováno vápníkem. Za účelem dalšího zlepšení vlastností elektrod se přidávají i další prvky např. stříbro (přesné složení bývá obvykle výrobním tajemstvím). Separátory jsou většinou obálkového

26 povedení, ty zachycují materiál odpadlý z elektrod a tím zabraňují vzniku zkratu způsobeného propojením elektrod prostřednictvím kalů usazených na dně akumulátoru. Většina těchto akumulátorů má víko opatřené otvory se zátkami, které umožňují, v případě potřeby, provedení údržby. Otvory se zátkami ale mohou být vybaveny i akumulátory které jsou zcela bezúdržbové. Obr. 8.2: Jedno z provedení moderního startovacího akumulátoru [7]. Tyto akumulátory jsou vybaveny centrálním odplyňovacím systémem, který umožňuje rekombinaci části plynů vzniklých při elektrolýze, tím se snižují nároky na údržbu. Plyny, které nejsou rekombinovány, jsou odvedeny ven z akumulátoru. Centrální odplyňovací systém může být konstruován tak, aby zabránil nebo alespoň omezil vytékání elektrolytu v případě naklonění nebo převržení akumulátoru. Obr. 8.3: Sestava startovacího akumulátoru moderní konstrukce [8].

27 Obr. 8.4: Příklad provedení centrálního odplyňovacího systému [9]. Některé typy olověných startovacích akumulátorů jsou vybaveny tzv. magickým okem, které slouží jako ukazatel stavu akumulátoru. Toto zařízení využívá toho, že hustota elektrolytu oloveného akumulátoru se mění v závislosti na stupni nabití. Magické oko je tedy vlastně hustoměr integrovaný do akumulátoru. Je uzpůsobeno tak, aby při různých hodnotách hustoty a výšky hladiny elektrolytu mělo různou barvu a tím ukazovalo stav akumulátoru. Neslouží pro přesné měření, ale jen jako orientační ukazatel. Obr. 8.5: Magické oko a jeho umístění ve startovacím akumulátoru (zelená-akumulátor je nabitý, černá-akumulátor je nutno dobít, bílá-akumulátor se musí vyměnit) [10] [11].

28 8.3 Olověné startovací akumulátory VRLA Zkratka VRLA (z anglického Valve Regulated Lead Acid) znamená, že se jedná o akumulátory řízené ventilem (označuji se také rekombinační nebo hermetizované). Ventil, kterým jsou opatřeny, slouží k zabránění úniku aerosolu H 2 SO 4 a k udržení určitého přetlaku plynů uvnitř akumulátoru. Od akumulátorů se zaplavenými elektrodami se odlišují především tím, že elektrolyt v nich není přítomen ve formě volné kapaliny, ale je znehybněn. Mohou tedy pracovat i v jiných polohách než dnem dolů. U těchto typů akumulátorů je značně snížená elektrolýza vody a probíhá v nich účinná rekombinace plynů. Jejich elektrody jsou vyrobeny tak, aby se omezila elektrolýza vody a zmenšilo se samovybíjení. Výhodou těchto akumulátorů je delší životnost, vyšší startovací proudy a bezúdržbovou. Jejich velkou nevýhodou je především vyšší cena. Akumulátory VRLA se dají rozdělit na gelové a AGM. Gelové startovací akumulátory: Elektrolyt je vázán v tixotropním gelu SiO 2. Elektrody jsou mřížkové konstrukce. Obr. 8.6: Gelový startovací akumulátor [12]. Startovací akumulátory AGM: Jejich název je odvozen z anglického Absorbed Glass Mat. Elektrolyt je nasáknut v separátorech a částečně také v elektrodách. Separátory jsou vyrobeny ze skleněných mikrovláken. Elektrody se používají mřížkové nebo spirálové. V porovnání s gelovými akumulátory mají nižší vnitřní odpor, ale také nižší životnost. Obr. 8.7: Startovací akumulátor typu AGM se spirálovými elektrodami [13].

29 8.4 Startovací akumulátory HEAVY DUTY a SUPER HEAVY DUTY Slouží k provozu za ztížených podmínek. Mezi úpravy, které způsobují větší odolnost těchto akumulátorů, patří uchycení elektrod, přísady v olovu pro výrobu elektrod, speciální separátory zesílené skelnými vlákny a robustnější provedení jednotlivých částí akumulátoru. Startovací akumulátory s označením HD (heavy duty) jsou konstruovány pro vysoké proudové zatížení. Startovací akumulátory označené SHD (super heavy duty) mají vyšší odolnost proti mechanickým vlivům, především vibracím, a mohou tak být provozovány ve značně ztížených pracovních podmínkách. Používají se v autobusech, nákladních automobilech, pracovních strojích atd. Obr. 8.8: Startovací akumulátor SUPER HEAVY DUTY [14].

30 9 ELEKTRICKÉ PARAMETRY AKUMULÁTORŮ 9.1 Napětí naprázdno Napětí naprázdno je napětí mezi vývody akumulátoru v případě, že z něho není odebírán proud, tzn., není na něj připojena žádná zátěž. Velikost tohoto napětí je ovlivněna především konstrukcí akumulátoru. Olověné akumulátory: U tohoto typu akumulátoru je napětí naprázdno závislé na hustotě elektrolytu. Ta se mění v závislosti na stupni nabití akumulátoru a také v závislosti na teplotě. Přibližnou hodnotu napětí naprázdno jednoho článku olověného akumulátoru lze určit podle vztahu: U 01 = 0,84 + ρ (9.1) kde je: U 01 napětí naprázdno jednoho článku [V] ρ. hustota elektrolytu při teplotě 20 C [ g cm -3 ] Napětí naprázdno jednoho článku olověného startovacího akumulátoru při hustotě elektrolytu 1,28 g cm -3 je tedy přibližně 2,12 V. Nikl-kadmiové akumulátory: Jejich napětí naprázdno jednoho článku je 1,35 V. Stříbro-zinkové akumulátory: Jeden článek má napětí naprázdno 1,86 V. Pro napětí naprázdno celého akumulátoru platí: U 0 = n U 01 (9.2) kde je: U 0 napětí akumulátoru naprázdno [V] n... počet článků akumulátoru zapojených sériově [-] 9.2 Vnitřní odpor Vnitřní odporu omezuje velikost vybíjecího proudu. Startovací akumulátory, které jsou v průběhu startu vybíjeny velkými proudy, musí mít vnitřní odpor dostatečně malý. Celkový vnitřní odpor akumulátoru se skládá z mnoha jednotlivých složek. Velikost jednotlivých složek se mění vlivem provozu (např. závisí i na hustotě elektrolytu, která se u olověných akumulátorů mění v závislosti na stupni nabití), teploty a stáří akumulátoru. Z toho

31 vyplývá, že určení přesné hodnoty vnitřního odporu je prakticky nemožné. Pro dané podmínky je možné zjistit přibližnou velikost vnitřního odporu měřením a následným výpočtem podle vztahu: R v U I 1 2 = (9.3) 2 U I 1 kde je: R v... vnitřní odpor akumulátoru [Ω] I 1,I 2... vybíjecí proudy [A] U 1. napětí akumulátoru pří vybíjení proudem I 1 [V] U 2. napětí akumulátoru pří vybíjení proudem I 2 [V] 9.3 Napětí při zatížení Je ovlivněno velikosti vnitřního odporu akumulátoru a mnění se v závislosti na velikosti odebíraného proudu. Dá se určit podle vztahu: U = U 0 - I R v (9.4) kde je: U... napětí akumulátoru při zatížení [V] I.... odebíraný proud [A] 9.4 Konečné nabíjecí napětí Tohoto napětí dosáhne akumulátor na konci nabíjení, je-li dále nabíjen proudem se stejnou velikosti, toto napětí se již nezmění. Velikost konečného nabíjecího napětí je závislá na konstrukci akumulátoru, na velikosti nabíjecího proudu a v případě olověných akumulátorů i na teplotě. U olověných akumulátorů je toto napětí 2,4 2,8 V na jeden článek, u nikl-kadmiových akumulátorů 1,65 1,85 V na jeden článek. Některé typy akumulátorů mají předepsanou maximální velikost konečného nabíjecího napětí, která se nesmí překročit, jinak by mohlo dojít k poškození akumulátoru. 9.5 Konečné vybíjecí napětí Tento údaj je zvlášť důležitý pro olověné akumulátory. V případě, že by vybíjení olověného akumulátoru pokračovalo i pod tuto hodnotu, došlo by k tzv. hlubokému vybití a akumulátor by se poškozoval. Velikost konečného vybíjecího napětí závisí na konstrukci akumulátoru a na velikosti vybíjecího proudu.

32 2,7 2,5 U [V] 2,3 2,1 1,9 1,7 0 2 4 6 8 10 12 t [h] nabíjení vybíjení Obr. 9.1: Příklad průběhu napětí na jednom článku olověného akumulátoru při nabíjení a vybíjení [2]. 9.6 Plynovací napětí Dosáhne-li napětí na akumulátoru při nabíjení velikosti plynovacího napětí, začnou se v akumulátoru intenzivně tvořit plyny. Pro olověné akumulátory je plynovací napětí 2,4 V na jeden článek. Nikl-kadmiové akumulátory mají velikost plynovacího napětí 1,6 V na jeden článek. 9.7 Kapacita Udává se zpravidla v A h a je to elektrický náboj (množství), který se dá z akumulátoru za vhodných podmínek odebrat. Je ovlivňována teplotou a velikostí vybíjecího proudu. Skutečná využitelná kapacita je menší než teoretická. V případě olověných akumulátorů dochází při hlubokém vybíjení k jejich poškozování a zkracování doby životnosti, proto se nevybíjí veškerý elektrický náboj, ale část se ho ponechává v akumulátoru. 9.8 Jmenovitá kapacita Značí se C N a znamená, že akumulátor by mělo být možné po dobu N hodin vybíjet proudem o velikosti jedné Ntiny uvedené kapacity, např. akumulátor se jmenovitou kapacitou 50 A h C 20 je možné po dobu dvaceti hodin vybíjet proudem o velikosti 2,5 A.

33 9.9 Rezervní kapacita Rezervní kapacita udává dobu, po kterou je možné vybíjet startovací akumulátor proudem 25 A, aniž by došlo k poklesu napětí pod normou definovanou mez. Proud 25 A má zabezpečit bezpečný provoz automobilu. Rezervní kapacitou je tedy přibližně určena doba, po kterou může být v provozu automobil s poruchou dobíjecího sytému. Jednotka rezervní kapacity je časová. 9.10 Startovací proud za studena Značí se I cc a udává jaký startovací proud je akumulátor schopen poskytovat po určitou dobu, při teplotě -18 C, aniž by došlo k poklesu napětí pod určitou mez. Pro určení tohoto údaje se používá několik různých norem. Pro tentýž akumulátor tak může být udávána různá hodnota tohoto proudu podle toho, jaká norma byla použita při jeho testování.

34 10 PROVOZ A ÚDRŽBA OLOVĚNÝCH STARTOVACÍCH AKUMULÁTORŮ Nejčastějším způsobem použití startovacího akumulátoru je jeho užití v automobilu, kde slouží především jako zdroj elektrické energie pro spouštěč spalovacího motoru a v době kdy spalovací motor neběží, může sloužit k napájení elektrických spotřebičů ve vozidle. Takto použitý startovací akumulátor je dobíjen pomocí alternátoru, který je poháněn spalovacím motorem. Z toho vyplývá, že na startovací akumulátor má značný vliv provoz celého automobilu. Ten je určen především účelem použití automobilu. Z hlediska negativního vlivu na startovací akumulátor by se různé druhy provozu automobilů daly rozdělit na: Provoz s malým počtem provozních hodin Je-li automobil mimo provoz delší dobu, může docházet k přílišnému samovybíjení. Při malém počtu provozních hodin se může stát, že akumulátor není dostatečně dobíjen. V tomto případě může dojít k poškození akumulátoru nevratnou sulfatací. Provoz s velkým počtem provozních hodin Může docházet k přebíjení akumulátoru a tím ke snižování jeho životnosti. Provoz s velkým počtem startů Životnost startovacího akumulátoru závisí na počtu startů. V tomto případě se doba použitelnosti zkracuje velkým počtem startů. 10.1 Uvedení olověného startovacího akumulátoru do činnosti Startovací akumulátor lze zakoupit naplněný elektrolytem a nabitý a tím připravený k okamžitému použití, nebo suchý, ten je nutné nejprve zprovoznit. Pro uvedení suchého nabitého akumulátoru do činnosti je nutné ho naplnit elektrolytem. Elektrolyt musí mít vhodnou kvalitu a hustotu. Hustota elektrolytu je ovlivněna prostředím, ve kterém bude akumulátor provozován, pro běžné podmínky je to 1,28 g cm -3. Po naplnění je nutné ponechat akumulátor nějakou dobu (minimálně 20 minut) v klidu, aby mohlo dojít k nasáknutí elektrolytu do aktivních hmot elektrod. Jestliže akumulátor po naplnění dosáhne napětí alespoň 15,5 V a nezahřívá se, je možné ho použít hned po uplynutí doby nutné k nasáknutí elektrolytu. Suchý nenabitý akumulátor se nejprve naplní elektrolytem o vhodné hustotě (méně než 1,28 g cm -3 ), po uplynutí doby nutné k nasáknutí elektrolytu do aktivních hmot elektrod (tři až pět hodin) se akumulátor nabíjí malým proudem po dlouhou dobu (přibližně 50 hodin) až do znaků plného nabití. Při nabíjení je nutné dbát na to, aby teplota elektrolytu nepřesáhla 40 ºC. Znaky plného nabití jsou: napětí na akumulátoru dosáhlo hodnoty 15,0 až 16,5 V a dalším nabíjením se po dobu minimálně dvou hodin nemění, hustota elektrolytu je v každém článku 1,28 g cm -3 a dalším nabíjením se po dobu minimálně dvou hodin nemění, články rovnoměrně plynují. 10.2 Sulfatace Pří vybíjení olověného akumulátoru dochází k tvorbě síranu olovnatého PbSO 4, tento proces se nazývá sulfatace. K tomuto procesu dochází při každém vybíjení olověného akumulátoru. Při

35 správném provozu akumulátorů dochází k vratné sulfataci. V tomto případě se tvoří pouze malé krystalky síranu olovnatého, které se nabíjením snadno přemění na původní aktivní hmotu. Při nevhodného provozu (nebo některých poruchách) dochází k nevratné sulfataci. Při nevratné sulfataci vznikají větší krystaly síranu olovnatého. Tyto krystaly ucpávají póry v aktivní hmotě elektrod a způsobují její roztažení. To vede k vypadávání aktivní hmoty z elektrod a k roztahování nebo i roztržení mřížky elektrody. Akumulátor postižený nevratnou sulfatací má malou hustotu elektrolytu, malé nebo žádné napětí a vysoký vnitřní odpor. Nevratná sulfatace má trvalí negativní vliv, nelze ji odstranit běžným nabíjením a i v případě úspěšné desulfatace má akumulátor trvale zhoršené vlastnosti. Hlavní příčiny vedoucí ke vzniku nevratné sulfatace jsou: Přílišné vybití K tomu může dojít nevhodným provozem, samovybíjením nebo vlivem vnějšího i vnitřního zkratu. Příčinou může být porucha na nabíjecí soustavě vozidla, ponechání zapnutého některého elektrického spotřebiče v době kdy neběží spalovací motor nebo dlouhodobé ponechání akumulátoru bez dobíjení např. při skladování. Trvalé nedostatečné nabíjení Nesprávné připojení k nabíjecí soustavě (přepólování) Sulfatace je ovlivněna také teplotou a velikostí nabíjecího proudu. Nabíjení při vysoké teplotě, velké kolísání teploty nebo nabíjení příliš vysokými proudy podporují vznik sulfátu. Sulfatací může být postižen celý akumulátor nebo jen některé jeho články (např. při vnitřním zkratu článku). Desulfatace Desulfaci je možné provést až po odstranění příčiny sulfatace. Po jejím odstranění se sulfátovaný akumulátor nabíjí proudem 0,05 C N až do plného nabití. Kdyby pro dosažení tohoto proudu bylo na počátku nabíjení nutné vyšší napětí než 2,7 V na článek, nebo by v průběhu nabíjení vzrostla teplota elektrolytu na 40 C, použil by se k nabíjení proud 0,025 C N. I v případě úspěšně provedené desulfatace má akumulátor trvale sníženou kapacitu, zvětšený vnitřní odpor a menší hustotu elektrolytu. Velikost těchto změn závisí na stupni nevratné sulfatace. 10.3 Negativní provozní vlivy na olověné startovací akumulátory 10.3.1 Hluboké vybití K hlubokému vybití dochází při vybití akumulátoru pod konečné vybíjecí napětí nebo při takovém způsobu vybíjení (přerušovaně nebo malými proudy), kdy sice není dosaženo konečné vybíjecí napětí, ale dojde k velkému poklesu hustoty elektrolytu. Při hlubokém vybití je nízká hustota elektrolytu, dochází k sulfataci a ke korozi. To může vést až k mechanickému poškození elektrod. Důsledkem je pokles kapacity, snížená startovací schopnost a zkrácení životnosti.

36 10.3.2 Předčasně ukončené (neúplné) nabíjení O neúplné nabití jde v případě, kdy bylo nabíjení ukončeno dříve, než bylo dosaženo znaků plného nabití nabíjeného akumulátoru. Občasné neúplné nabití nezhoršuje stav akumulátoru. Ale v případě kdy je akumulátor opakovaně nedostatečně nabíjen dohází k jeho poškozování nevratnou sulfatací se všemi následky. 10.3.3 Přebíjení Dochází k němu při nabíjení akumulátoru, i když už bylo dosaženo znaků jeho plného nabití. Přebíjením dochází k poklesu zbytků síranu olovnatého v aktivních hmotách, což má za následek zmenšení soudržnosti aktivní hmoty kladných elektrod. To vede k uvolňování částic aktivní hmoty na kladných elektrodách. Tyto částice klesají ke dnu, kde se usazují a vytvářejí tak kal, nebo tam, kde jsou pro to vhodné podmínky, jsou přitaženy k záporným elektrodám a tam dochází k jejich redukci, při které vzniká tzv. olověná houba. Přílišné množství kalu nebo olověné houby může být příčinnou vzniku zkratu. Dalšími negativními důsledky přebíjení jsou zvýšená koroze kladných elektrod a zvýšená elektrolýza vody v elektrolytu. 10.3.4 Nabíjení velkými proudy Při nabíjení velkými proudy jsou vrchní části elektrod, které jsou v přímém kontaktu s elektrolytem, namáhány podstatně více než vnitřní části elektrod. To má za následek sníženou účinnost nabíjení a zvýšenou koncentraci iontů SO 4 2- uvnitř aktivní hmoty, tyto ionty nestačí difundovat do elektrolytu a jsou příčinnou vzniku síranu olovnatého. Na konci nabíjení dochází vlivem plynů vznikajících v pórech elektrod k uvolňování částic aktivní hmoty kladných elektrod. Ty se usazují na dně jako kal nebo, tam kde jsou pro to vhodné podmínky, jsou přitaženy k záporným elektrodám a tam dochází k jejich redukci, při které vzniká tzv. olověná houba. To může vést až ke zkratu. Vlivem nabíjení velkými proudy dochází také ke zvýšení teploty elektrolytu, čímž se urychlují nežádoucí chemické reakce a tak se zkracuje životnost akumulátoru. Dalším negativním projevem nabíjení velkými proudy je zvýšená elektrolýza vody v elektrolytu. V případě že je nutné akumulátor nabít pomocí velkých proudů (např. při nedostatku času) se nabíjení ukončí, vždy když napětí na článek dosáhne 2,4 až 2,45 V a teplota stoupne na 40 C a to i v případě kdy není obnovena celá kapacita akumulátoru. Tento způsob nabíjení se dá, je-li to nutné, provést u akumulátorů se zaplavenými elektrodami, ale je nevhodné nabíjet je takto opakovaně. Akumulátory řízené ventilem se takto nesmí nabíjet, protože by mohlo dojít k jejich poškození. 10.3.5 Přepólování Dojde k němu v případě kdy je akumulátor připojen obráceně (tj. kladný pól akumulátoru je připojen k záporné svorce a záporný pól akumulátoru je připojen ke kladné svorce nabíjecího zařízení) k nabíjecímu zařízení který nemá ochranu proti přepólování. Při nabíjení v tomto případě je akumulátor v první fázi vybit a potom nabit s opačnou polaritou. V průběhu tohoto děje se kladné elektrody přeformátují na záporné a záporné elektrody se přeformátují na kladné. V případě že je nesprávné připojení akumulátoru k nabíjecímu zařízení zjištěno včas (tj. nedošlo ještě ke změně polarity akumulátoru), připojí se akumulátor správně a nabije se správnou polaritou. Jestliže již došlo k přepólování, nechá se akumulátor dobít a v případě že nedošlo

37 k poškození bránícímu v dalším provozu akumulátoru, je možné ho používat s obrácenou polaritou. Akumulátory, u kterých došlo k přepólování, mají trvale zhoršené elektrické parametry a značně sníženou životnost. Starší akumulátory mohou být přepólováním zničeny. 10.3.6 Zkrat Může být vnitřní (v případě vodivého spojení elektrod opačné polarity uvnitř akumulátoru) nebo vnější (při spojení pólových vývodů akumulátoru nebo spojek článků). V případě zkratu, který není včas odstraněn, je akumulátor znehodnocen vznikem nevratné sulfatace. Dalším důsledkem zkratu je vznik tepla, které může poškodit některou část akumulátoru. 10.3.7 Nevhodné množství elektrolytu Je-li v akumulátoru příliš málo elektrolytu, dochází k tomu, že vrchní část elektrod není zaplavena. Tato část elektrod je pak vyřazena z činnosti a sulfátuje. Zaplavená část elektrod je přetěžována. K tomuto problému dochází v důsledku vypařovaní vody z elektrolytu a nedostatečné údržby. Při úbytku vody z elektrolytu stoupá jeho hustota a to má za následek zrychlení ubývání vody. Dalším důvodem malého množství elektrolytu může být jeho vylití při nevhodné manipulaci. Malé množství elektrolytu se projevuje také zvýšením teploty při provozu akumulátoru, což má další negativní důsledky. Při nabíjení akumulátoru se vlivem plynovaní přechodně zvedá výška hladiny elektrolytu. Při příliš velkém množství elektrolytu tak muže docházet k jeho vytékání otvory ve víku. To má za následek úbytek iontů SO 4 2- v akumulátoru a vyteklý elektrolyt může poškozovat součásti, s kterými přijde do kontaktu. 10.3.8 Nevhodná hustota elektrolytu U olověných akumulátorů se hustota elektrolytu mění během provozu, při měření se tato skutečnost musí respektovat. V případě příliš velké hustoty elektrolytu se při nabíjení nepřemění všechen přebytečný síran olovnatý na elektrodách. Dalšími důsledky velké hustoty elektrolytu je zvýšené samovybíjení a zkrácení životnosti akumulátoru. Je-li hustota elektrolytu příliš malá, není v akumulátoru dostatek iontů SO 4 2-, které jsou potřebné k proudotvorným reakcím, to má za následek snížení možnosti využití kapacity a zvýšení vnitřního odporu akumulátoru. 10.3.9 Nečistoty v elektrolytu Pro optimální funkci akumulátoru musí mít jeho elektrolyt předepsanou kvalitu. Nečistoty se do elektrolytu mohou dostat již při výrobě akumulátoru nebo při nevhodné údržbě např. při doplňování nevhodnou vodou. Např. přítomnost železa v elektrolytu zvyšuje samovybíjení, kyselina dusičná způsobuje rozpouštění olova a zvýšení samovybíjení. 10.3.10 Teplota Startovací akumulátor umístěný v automobilu zpravidla pracuje v širokém rozsahu teplot. Na teplotu akumulátoru mají vliv nejen klimatické podmínky ale i chod spalovacího motoru. Vlivem

38 změny teploty dochází ke změně hustoty elektrolytu což má vliv na kapacitu, napětí, vnitřní odpor a účinnost nabíjení akumulátoru. Při poklusu teploty se snižuje kapacita, napětí a účinnost nabíjení akumulátoru, jeho vnitřní odpor naopak stoupá. Při nízkých teplotách není možné akumulátor plně nabít. V případě zamrznutí elektrolytu dochází k poškozování elektrod a nádoby a akumulátor není možné nabíjet ani vybíjet. Teplota tuhnutí elektrolytu závisí na jeho hustotě, ta je ovlivněna stupněm nabití akumulátoru. Je-li akumulátor plně nabitý, tuhne jeho elektrolyt při teplotě přibližně 50 C, u vybitého akumulátoru dochází k tuhnutí elektrolytu už při teplotě přibližně 10 C. Vysoká teplota akumulátoru, která může být způsobena provozem spalovacího motoru, způsobuje zvýšené samovybíjení, odpařování vody z elektrolytu a zkracuje životnost Obr. 10.1: Ukázka vlivu teploty na tvorbu plynů, kapacitu a životnost olověného akumulátoru se zaplavenými elektrodami [2]. 10.3.11 Mechanické vlivy Startovací akumulátory jsou vyráběny tak, aby měly pro běžný provoz dostatečnou mechanickou odolnost. Přesto ale může dojít k jejich mechanickému poškození při nevhodném zacházení nebo působením vibrací. Působení větších vibrací než na jaké je akumulátor konstruován může u mřížkových elektrod způsobovat vypadávání aktivní hmoty. Tím se zmenšuje kapacita a zkracuje se životnost akumulátoru. Velké vibrace mohou způsobit i utržení elektrody.

39 10.4 Údržba olověného startovacího akumulátoru 10.4.1 Akumulátory s nároky na údržbu Při provozu olověného akumulátoru dochází k elektrolýze vody obsažené v elektrolytu. Tím se obsah vody v elektrolytu snižuje a jeho hustota stoupá, což má na akumulátor negativní následky. Intenzita elektrolýzy je ovlivněna konstrukcí, provozem a způsobem nabíjení akumulátoru. Aby se zabránilo poškození, je nutné provádět u všech akumulátorů, u kterých je to vyžadováno, kontrolu výšky hladiny elektrolytu a v případě nutnosti doplnit destilovanou vodu. Voda se do akumulátoru doplňuje, je-li hladina elektrolytu na úrovni vyznačené značkou minima, když není akumulátor touto značkou vybaven, doplňuje se při poklesu hladiny na úroveň separátorů. Doplnění se provádí výhradně destilovanou vodou tak, aby hladina elektrolytu nepřesáhla označení pro maximum, nebo, chybí-li jakékoliv označení maxima, aby nebyla výše než 5 až 10 mm nad separátory. Aby se urychlilo promíchání doplněné vody s elektrolytem je vhodné akumulátor dobít. Protože u akumulátorů dochází k samovybíjení, je, v případě kdy není akumulátor pravidelně dobíjen (např. je-li v automobilu který, není delší dobu používán), nutné kontrolovat jeho stav a případně ho dobít aby nedošlo k jeho poškození hlubokým vybitím. U akumulátorů, které mají snímatelné zátky, se zjištění stavu provádí prostřednictvím měření hustoty elektrolytu. Měření je možné provést pomocí hustoměru určeného k měření hustoty elektrolytu olověných akumulátorů nebo pomocí refraktometru. Vztah mezi hustotou elektrolytu a stavem akumulátoru je v Tab. 10.1. Tab. 10.1: Hustota elektrolytu olověného startovacího akumulátoru v závislosti na stupni nabití při teplotách kolem 25 C [15]. Stupeň nabití [%] Hustota elektrolytu [g cm -3 ] 100 1,26 1,28 75 1,24 1,25 50 1,21 1,24 25 1,13 1,18 0 < 1,12 Hustota elektrolytu olověného akumulátoru nezávisí pouze na stupni nabití, ale i na teplotě. Měření by se proto mělo provádět při teplotách kolem 25 ºC, pak platí Tab. 10.1. Je-li měření provedeno při výrazně jiné teplotě, musí se respektovat vliv teploty na hustotu elektrolytu.