Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky
Nové trendy v konstrukci akumulátorů pro automobily Bakalářská práce
Brno 2007 Vedoucí bakalářské práce:
Vypracoval:
doc. Ing. Jan ŠKYŘÍK, CSc.
Libor KREJČÍ
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Nové trendy v konstrukci akumulátorů pro automobily“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům. V Brně, dne 26. 4. 2007 Podpis studenta……………………
Poděkování Děkuji panu doc. Ing. Janu Škyříkovi, CSc. za všestrannou pomoc a odborné konzultace, které mi poskytl při vypracovávání této bakalářské práce.
Annotation The opening of my bachelor thesis is devoted to the basic principles of accumulators and the best possible theoretical usage of the energy provided by them. The following part is dedicated to the different influences effecting the durability of accumulators. In the main part of the work there are described individual parts of the lead accumulator. First of all, the different constructions of positive electrodes are mentioned along with new trends in their construction. I continue to provide the detailed description of separators of electrodes, stoppers and valves. Another part of my work is devoted to new technologies in the construction of accumulators. To be more specific, I focus mainly on the technology of spiral links and gel electrolyte developed by OPTIMA company. I also include a list of various modifications of this accumulator being offered in the market. In the last section I provide a list of accumulators for electromobiles. I conclude my work with a summary of my observations and especially draw attention to the three fundamental trends in the development of accumulators.
OBSAH: 1
ÚVOD ........................................................................................................................ 7
2
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY................................................... 8
3
CÍL PRÁCE................................................................................................................ 9
4
ZÁKLADNÍ PRINCIP OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU ................................... 10 4.1 Fyzikální změny probíhající v akumulátorech................................................ 11 4.2 Kapacita .......................................................................................................... 12 4.2.1 Vliv vybíjecího proudu ............................................................................... 12 4.2.2 Vliv teploty ................................................................................................. 12 4.3 Účinnost akumulace elektrické energie .......................................................... 13 4.3.1 Ampérhodinová (proudová) účinnost ......................................................... 13 4.3.2 Watthodinová (energetická) účinnost ......................................................... 13 4.4 Specifická charakteristika ............................................................................... 13 4.5 Životnost akumulátorů .................................................................................... 14
5
KONSTRUKCE OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU ............................................. 15 5.1 Elektrody......................................................................................................... 15 5.1.1 Kladné elektrody......................................................................................... 15 5.1.1.1 Velkopovrchové (Plantého) elektrody..................................................... 15 5.1.1.2 Mřížkové elektrody.................................................................................. 17 5.1.1.3 Trubkové (pancéřové) elektrody ............................................................. 18 5.1.1.4 Tyčové elektrody ..................................................................................... 18 5.1.2 Záporné elektrody ....................................................................................... 19 5.1.3 Jiné konstrukce elektrod ............................................................................. 19 5.1.3.1 Bipolární elektrody ................................................................................. 19 5.1.3.2 Spirálové elektrody ................................................................................. 19 5.1.3.3 Diskové elektrody.................................................................................... 19 5.2 Separátory elektrod ......................................................................................... 20 5.2.1 Papírové (celulózové) separátory................................................................ 21 5.2.2 Mikroporézní separátory............................................................................. 21 5.2.3 Separátory ze skleněných vláken ................................................................ 21 5.3 Akumulátorové nádoby................................................................................... 21 5.4 Zátky ............................................................................................................... 22 5.4.1 Plynotěsné zátky ......................................................................................... 22 5.4.2 Zátky pro zachycení aerosolu H2SO4 .......................................................... 22 5.4.3 Zátky indukující výšku elektrolytu v článcích ............................................ 23 5.4.4 Zátky s indikací vybité baterie .................................................................... 24 5.4.5 Zátky bezpečnostní (antidetonační) ............................................................ 24 5.4.6 Zátky pro automatické doplňování vody do článků .................................... 25 5.4.7 Rekombinační zátky s katalyzátorem ......................................................... 25 5.4.8 Zátky s rekombinačními elektrodami ......................................................... 26 5.5 Ventily............................................................................................................. 26 5.5.1 Akumulátory řízené ventilem ..................................................................... 27
6
AKUMULÁTOROVÁ BATERIE OPTIMA........................................................... 27 6.1 Historie vývoje tohoto akumulátoru ............................................................... 28 6.2 Konstrukce ...................................................................................................... 28 6.3 Výhody............................................................................................................ 30 6.4 Akumulátor OPTIMA na trhu......................................................................... 31
7
AKUMULÁTORY PRO ELEKTROMOBILY ....................................................... 32 7.1 Olověný akumulátor........................................................................................ 32 7.2 Akumulátor sodík – síra.................................................................................. 32 7.3 Akumulátory nikl-kadmium............................................................................ 33 7.4 Akumulátory nikl-železo ................................................................................ 33 7.5 Akumulátory nikl-metalhydrid (Ni-Mh) ......................................................... 33 7.6 Akumulátory zinek-vzduch............................................................................. 34 7.7 Akumulátory zinek-halogen............................................................................ 34 7.8 Akumulátory lithium-ion ................................................................................ 34 7.9 Akumulátory lithium-metal-hydrid................................................................. 34 7.10 Akumulátory lithium-polymer ........................................................................ 34
8
ZÁVĚR .................................................................................................................... 35
9
SEZNAM POUŽITÉ LITERATŮRY...................................................................... 38
ÚVOD Akumulátory jsou hlavním zdrojem elektrické energie u automobilů. Naprostá většina automobilů je vybavena jedním nebo dvěma akumulátory. S výjimkou vozidel s elektrickými nebo hybridními pohony jsou montovány téměř výhradně olověné akumulátory. Ve všech případech dochází v akumulátoru k chemické reakci mezi kladnými a zápornými elektrodami a elektrolytem za vzniku elektrického proudu. Ideální zdroj napětí generuje napětí jehož velikost je nezávislá na velikosti připojené zátěže. Ideální zdroj z energetického i konstrukčního hlediska nelze realizovat. Ideálnímu zdroji se lze přiblížit pouze v úzké části pracovní charakteristiky zdroje. Neideální napěťový zdroj se od ideálního liší nenulovým vnitřním odporem. Jakmile se zdroj zatíží proudem, klesá jeho svorkové napětí vlivem úbytku napětí na vnitřním odporu zdroje. Musíme si uvědomit, že akumulátor využíváme při všech třech základních režimech provozu vozidla. Pokud není motor v chodu slouží akumulátor jako zdroj energie pro osvětlení vozidla i pro další elektrické systémy. Největší proudový odběr je vyžadován při startu vozidla na napájení startéru a současně po dobu startu i jako zdroje energie pro zapalovací systém i další systémy vozidla. Za chodu motoru je energie akumulátoru využívaná pokud spotřeba proudu převyšuje množství elektrické energie dodávané nabíjecí soustavou vozidla. Akumulátor rovněž slouží jako stabilizátor napětí v elektrickém systému vozidla absorbující krátkodobé impulsy vyšších napětí. Bez této ochrany by vznikající napěťové špičky mohly poškodit součásti elektronických obvodů ve vozidle. Nevýhodou elektrického článku je jeho samovybíjení. Tato přirozená vlastnost chemických zdrojů elektrické energie způsobuje postupnou ztrátu elektrické kapacity článku aniž bychom z něho odebírali jakýkoliv proud. U některých článků to představuje ztrátu až 1 % jejich elektrické kapacity za jediný den. Výrobci automobilových akumulátorů se všemi vhodnými způsoby snaží ztráty samovybíjením minimalizovat
7
1 SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY Na našem trhu se nachází dostatek publikací věnujících se automobilům. Knih specializovaných výhradně na akumulátory je ale výrazně méně. Přesto může zájemce o tuto problematiku nalézt některé hodnotné publikace, ze kterých jsem čerpal i já a které uvádím v seznamu literatury. Na internetu se také dají nalézt některé zajímavé novinky, zejména na stránkách výrobců akumulátorů.
8
2
CÍL PRÁCE Cílem této bakalářské práce bylo podat ucelený přehled o různých konstrukcích,
zejména olověného akumulátoru. Jsou zde probírány postupně všechny jeho významné část tj. kladné a záporné desky, separátory, zátky a ventily, jejich konstrukční řešení a materiály a budoucí uplatnění jednotlivých částí ve vývoji akumulátorů. Značná pozornost je věnovaná také novým konstrukcím ve vývoji, zejména akumulátoru firmy Optima. V závěru uvádím přehled akumulátorů pro elektromobily.
9
3
ZÁKLADNÍ PRINCIP OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU Základní princip funkce olověného akumulátoru je ve společnosti všeobecně
známý a probíraný například ve všech učebnicích Fyziky. Nebudu se jím proto v této práci hlouběji zabývat. Uvedu pouze následující, velmi zjednodušenou chemickou rovnici pro případ vybíjení. Při nabíjení akumulátoru probíhají reakce v obráceném sledu. V rovnici uvádím ekvivalentní množství reagujících materiálů v gramech potřebných k získání náboje 1 A.h. Rovnice 1
Kladná elektroda PbO2 4,46 g
+
Kyselina sírová 2H2SO4
+
3,66 g
Záporná Kladná elektroda elektroda PbSO4 Pb 3,87 g
5,66 g
Celkem: 11,99 g
Voda +
2H2O
Záporná elektroda + PbSO4
0,67 g
5,66 g
Celkem: 11,99 g
Z uvedeného je patrné, že při jmenovitém napětí olověného akumulátoru 2 V by bylo teoreticky možné při 100 % využití aktivních hmot a kyseliny získat měrnou energii 167 W.h/kg. V praxi nelze uvedených hodnot nikdy dosáhnout, protože není možné plně využít aktivní materiály a kyselinu sírovou a navíc akumulátor musí obsahovat další neaktivní části konstrukčního charakteru: nosiče aktivních hmot, separátory, nádoby a víka článků, mezičlánkové spojky a skříně baterií, jak je patrné z následujícího obrázku.
10
Obr. 1 Teoretická a skutečně využitelná měrná energie Dosažení
větší
měrné
energie
závisí
na
dalším
vývoji,
vedoucím
k efektivnějšímu využití aktivních materiálů a na použití menších a lehčích neaktivních částí akumulátorů.
3.1 Fyzikální změny probíhající v akumulátorech Během vybíjení dochází k mechanickému namáhání elektrod tvořícím se síranem olovnatým, který má větší objem než aktivní materiály v nabitém stavu. Se stupněm vybití se zmenšuje i poréznost elektrod. To vede ke zpomalování difůze iontů kyseliny sírové do aktivních hmot. Hustota (měrná hmotnost) kyseliny sírové v elektrodách je proto během vybíjení menší než v elektrolytu. Rozdíl je tím větší, čím větším proudem je akumulátor vybíjen, čím jsou elektrody tlustší a čím více je akumulátor vybit. Síran olovnatý PbSO4 má velmi špatnou elektrickou vodivost, a proto s přibývajícím sulfátem vzrůstá vnitřní elektrický odpor akumulátoru. Objem elektrolytu klesá se stupněm vybití přibližně o 1 cm3 na 1 A.h. Ionty kyseliny sírové při vybíjení akumulátoru reagují s aktivními hmotami elektrod, proto klesá hustota elektrolytu a tento proces je přímo úměrný stavu vybité
11
akumulátoru. Podle hustoty elektrolytu tedy můžeme zjišťovat stupeň nabití (vybití) olověného akumulátoru. Hustota elektrolytu také ovlivňuje bod mrznutí elektrolytu. Nedojde-li následkem nesprávného provozu a údržby ke vzniku nevratné sulfatace aktivních materiálů, je průběh reakcí vratný. Během nabíjení je hustota kyseliny v elektrodách větší než hustota kyseliny elektrolytu, a to tím více, čím většími proudy jsou akumulátory nabíjeny. Se zvyšováním napětí nabíjených akumulátorů vzrůstá následkem elektrolýzy vody v elektrolytu i vývoj výbušné směsí kyslíku a vodíku. Kyslík unikající v podobě bublinek z pórů aktivní hmoty kladných elektrod utrhává málo soudržné částice PbO2 a způsobuje korozi nosných částí těchto elektrod tím více, čím vyšší je konečné napětí akumulátoru čím déle jsou akumulátory při tomto napětí přebíjeny.
3.2 Kapacita Kapacita akumulátoru je jeho schopnost dodávat určitou elektrickou energii v požadované době do poklesu napětí na minimální přípustnou hodnotu. Udává se v ampérhodinách (A.h) Využitelná kapacita je vždy menší než teoretická. Navíc se část elektrického náboje nevybíjí a ponechává se v akumulátorech, aby se hlubokým vybíjením příliš nezkracovala jejich životnost. Není to hodnota stálá a mění se v závislosti na provozních podmínkách 3.2.1
Vliv vybíjecího proudu S narůstajícím vybíjecím proudem dochází k většímu zatížení povrchové vrstvy
aktivních materiálů. Vznikající sulfát olovnatý PbSO4 je objemnější, ucpává póry v povrchové vrstvě, a tím zhoršuje využití hlubších vrstev aktivních hmot elektrod. Proto při nárůstu vybíjecích proudů klesá využitelná kapacita akumulátoru a zkracuje se doba, po kterou může být akumulátor vybíjen. Pokles kapacity se vzrůstem vybíjecích proudů závisí na konstrukci a tloušťce elektrod a na vnitřním elektrickém odporu akumulátoru 3.2.2
Vliv teploty Při teplotách nad + 20 °C kapacita akumulátorů mírně vzrůstá, ale zvyšují se
ztráty samovybíjením a zkracuje se životnost akumulátorů. Například trvale zvýšená teplota o 10 °C může zkrátit životnost olověných akumulátorů až o 50 %. Při nízkých teplotách klesá kapacita akumulátorů přibližně o 1 % na 1 °C. Pokles kapacity není s poklesem teploty lineární a navíc závisí také na velikosti vybíjecího proudu (je 12
výraznější při vybíjení většími vybíjecími proudy). Na pokles kapacity za nízkých teplot jsou náchylnější záporné elektrody. Proto se pro zlepšení jejich činnosti přidávají během výroby do aktivního materiálu elektrod různé typy expandérů, které současně zajišťují udržení potřebné poréznosti během celé doby života akumulátorů. S poklesem teploty se snižuje také nabíjecí schopnost akumulátorů, a nelze je proto plně nabít.
3.3 Účinnost akumulace elektrické energie Tato účinnost udává, jak efektivně může akumulátor elektrickou energii akumulovat a následně vydávat. Účinnost akumulace klesá se zvyšováním nabíjecího a vybíjecího proudu, s poklesem teplot a stárnutím akumulátoru. 3.3.1
Ampérhodinová (proudová) účinnost Je to poměr náboje (A.h) odebraného při vybíjení článku nebo baterie k velikosti
náboje potřebného na obnovení počátečního stavu nabití. Vypočítá se podle vzorce η ah =
Q vyb * 100 (%; A.h , Ah ) Q nab
3.3.2
Watthodinová (energetická) účinnost Je to poměr elektrické energie (W.h) získané vybíjením k energii dodané
k akumulátoru nabíjením. Vypočítá se podle vzorce η wh
=
QvybUvyb, s * 100(%; A.h, V , A.h, V ) ¨ QnabUnab , s
kde Qvyb je elektrický náboj uvolněný akumulátorem při vybíjení (A.h), Uvyb, s střední napětí při vybíjení (V), Qnab
elektrický náboj uvolněný akumulátorem při nabíjení (A.h),
Unab , s střední napětí při nabíjení (V).
Účinnost systému v poměrovém vyjádření je vždy menší než 1. Je-li vynásobena 100, jde o účinnost v procentech – v tom případě je vždy menší než 100 %. U olověných akumulátorů se při c10 dosahuje účinnosti ηah až 85 % a ηwh až 65 %.
3.4 Specifická charakteristika Specifická charakteristika akumulátoru udává, kolik elektrické energie (W.h) můžeme získat z 1 kg hmotnosti, případně z 1 dm3 objemu akumulátoru. V prvním případě se tato vlastnost nazývá měrná energie, v druhém případě hustota energie. 13
Nejvyšší měrné energie (82 až 85 W.h/kg) a nejvyšší hustoty energie (33 až 40 W.h/dm3) dosahují právě startovací akumulátory u kterých se požaduje minimální hmotnost a objem. Naopak u staničních akumulátorů s velkopovrchovými (Plantého) elektrodami u kterých zpravidla větší hmotnost a objem není na závadu se pohybuje měrná energie kolem 13,5 W.h/kg a hustota energie 38,2 W.h/dm3.
3.5 Životnost akumulátorů Je závislá na konstrukci elektrod, teplotě prostředí, způsobu dobíjení a způsobu provozu akumulátoru. U akumulátorů trvale dobíjených se udává v rocích, u akumulátorů pracujících v cyklickém provozu se udává v počtu cyklů a u startovacích akumulátorů v počtu startů. Za konec kapacity se považuje pokles kapacity na 80 % jmenovité hodnoty (nebrání-li tomu provozní podmínky připouští se i větší pokles kapacity akumulátorů). Životnost akumulátoru limitují kladné elektrody, které jsou náchylnější k uvolňování soudržné aktivní hmoty PbO2. Při uvedení do činnosti nedosahuje kapacita kladných elektrod 100 %. Kapacita elektrod pozvolna roste během jejich provozu. Maxima dosahuje v 1/3 až 1/2 životnosti a pak pozvolna klesá. Záporné elektrody dosahují maximální kapacity na počátku provozu akumulátoru. Záporné elektrody mají delší životnost než kladné. To umožňovalo u dřívějších akumulátorů s velkopovrchovými elektrodami výměnu kladných elektrod po skončení jejich životnosti. Tím se životnost akumulátorů prodloužila téměř dvojnásobně. V součastné době se vyrábějí kompaktní akumulátory, které nelze upravovat. Životnost elektrod obou polarit je téměř stejná, ačkoliv se v průběhu provozu mění, jak uvádí následující graf.
14
Obr. 1 Životnost elektrod olověného akumulátoru v závislosti na počtu cyklů
4
KONSTRUKCE OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU
4.1 Elektrody Elektrody jsou základní částí akumulátorů. Na konstrukci elektrod závisí jakou má akumulátor kapacitu, jak velkým vybíjecím proudem může být efektivně vybíjen a jakou bude mít životnost v provozu. Pro získání širší kapacitní řady akumulátorů se kladné elektrody spojují paralelně v kladné sady a záporné elektrody v sady záporné.
4.1.1
Kladné elektrody Jsou více namáhány chemickými reakcemi a fyzikálními změnami než elektrody
záporné a kratší životností limitují celkovou životnost akumulátoru. V současnosti se používá celá řada různých konstrukcí elektrod.
4.1.1.1 Velkopovrchové (Plantého) elektrody Odlévají se z velmi čistého olova (99,99 %), mívají tloušťku 7 až 12 mm. Aktivní hmota oxid olovičitý PbO2 se vytváří na povrchu olova formováním elektrod ve zředěné kyselině sírové za přísady oxidačních látek, nejčastěji chloristanu draselného (KClO4), pro urychlení formování. Poněvadž se na povrchu olova vytváří jen tenká vrstva aktivní hmoty PbO2, zvětšuje se povrch elektrod 8x až 12x žebrováním. I přes uvedenou úpravu nepřesahuje vytvořená aktivní hmota 25 % hmotnosti elektrod, zbylých 75 % tvoří olověná kostra (kolektor). Po uvedení do činnosti dosahují elektrody kapacity zpravidla kolem 80 % a kapacita se zvyšuje během provozu postupným formováním olověného kolektoru. Maximální kapacity proto dosahují elektrody před koncem jejich životnosti, i když část
15
aktivní hmoty odpadá do kalového prostoru akumulátoru. Totálním proformováním olověného kolektoru pak rychle končí životnost těchto elektrod. Výhodou těchto elektrod je jejich dlouhá životnost, ale přesto se dnes ve startovacích akumulátorech téměř nepoužívají, a klesá jejich využití i jako akumulátorů staničních. Důvodem je nízká efektivnost využití olověného materiálu kladných elektrod, velká hmotnost i objem a tím i vyšší ceny v porovnání s jinými konstrukcemi akumulátorů.
Obr. 2 Kladná velkopovrchová (Plantého) elektroda
Obr. 3 Vliv obsahu antimonu v kladných elektrodách na životnost v cyklech
16
Obr. 4 legování olova antimonem na vzestup proudu baterie o kapacitě 100 A.h. 4.1.1.2 Mřížkové elektrody Kolektory se vyrábějí odléváním z olova legovaného 5 až 7 % antimonu, pro dosažení lepších licích vlastností olova, pro zvýšení mechanické pevnosti elektrod a k dosažení vyšší odolnosti v cyklickém provozu (nabíjení - vybíjení). Nevýhodou takového množství antimonu je zvýšené samovybíjení akumulátoru, které se dále zvyšuje jeho stárnutím. Výrobci akumulátorů proto snižují množství antimonu až na 1,8 % a antimon nahrazují arzenem, selenem, telurem, nebo 0,05 až 1 % vápníku.s 0,3 až 0,7 % cínu. Elektrody bez antimonu, legované vápníkem, jsou ale choulostivější na přebíjení a hluboké vybíjení. Pro zvýšení odolnosti při provozu za vyšších teplot se začalo přidávat malé množství stříbra a hliníku. Podle účelu použití se vyrábějí elektrody s různými tloušťkami. Elektrody tenčí než 2,5 mm mají menší vnitřní elektrický odpor než elektrody tlustší a proto se využívají právě k výrobě startovacích akumulátorů. Tlustší kladné elektrody se používají pro výrobu průmyslových akumulátorů. Výhodou mřížkových elektrod je snadná výroba, malá hmotnost, malý objem a nízká cena. Nevýhodou je jejich kratší životnost jak v cyklickém provozu (100 cyklů u startovacích akumulátorů, 300 až 700 cyklů u trakčních akumulátorů), tak v provozu trvalého dobíjení na konstantní napětí. V součastné době se rozšiřuje výroba mřížek válcováním a tažením z legovaného olověného pásu namísto lití.
17
Obr. 5 Kladná mřížková elektroda 4.1.1.3 Trubkové (pancéřové) elektrody Tyto elektrody se svou dlouhou životností blíží elektrodám velkopovrchovým, jejich hmotnost a objem je přibližuje lehkým mřížkovým elektrodám. Elektrody jsou sestaveny z olověného hřebene, jehož trny jsou zasunuty v trubicích z kyselinovzdorných textilních vláken. Aktivní hmota pak vyplňuje prostor kolem trnů v trubicích. Textilní trubice brání uvolňování aktivní hmoty a její odpadávání do kalového prostoru akumulátoru. Životnost elektrod proto závisí na korozní odolnosti olověného kolektoru. Přes uvedené výhody je výroba elektrod poněkud pracnější a jejich vnitřní elektrický odpor větší než odpor mřížkových elektrod. Někteří výrobci dosahují snížení vnitřního elektrického odporu použitím textilních trubic o průměru 6 mm namísto klasického průměru 8,7 mm.
4.1.1.4 Tyčové elektrody Tyčové elektrody mají kolektor podobný elektrodám mřížkovým s tím rozdílem, že svislá žebra jsou zesílena do tvaru tyček. Tím se snižují proudové ztráty v kolektoru při zatěžování vyššími proudy a prodlužuje se životnost elektrod (zkorodování kolektoru probíhá pomaleji). Aktivní hmota je po nanesení na kolektor zpevněna uzavřením do tašky (obálky) plastového separátoru, aby nedocházelo k jejímu uvolňování a odpadávání do kalového prostoru akumulátoru. Životností se tyčové elektrody blíží elektrodám trubkovým, mají ale menší objem a menší vnitřní elektrický odpor. Jsou proto vhodné pro vybíjení vyššími proudy. 18
4.1.2
Záporné elektrody V současné době se vyrábějí záporné elektrody pro všechny typy akumulátorů
jako mřížkové odléváním, nebo válcováním a tažením mřížek z olověného pásu. Legovací přísady jsou podobné jako při výrobě kladných mřížek.
4.1.3
Jiné konstrukce elektrod Klasické konstrukce kladných a záporných elektrod se vyrábějí jako desky
obdélníkového tvaru. Dnes se však používají i jiné konstrukce elektrod, s parametry které nelze klasickými konstrukcemi dosáhnout.
4.1.3.1 Bipolární elektrody Obsahují z jedné strany kladnou aktivní hmotu a z druhé strany zápornou aktivní hmotu. Elektrody se sestavují do série tak, že vždy kladná aktivní hmota jedné elektrody se zápornou hmotou sousední elektrody tvoří spolu s elektrolytem samostatný
článek. Elektrolyt každého článku proto musí být od sousedního dokonale oddělen, aby nedocházelo k elektrickému zkratu mezi jednotlivými články. Na rozdíl od klasických konstrukcí akumulátoru se kapacita takové baterie se změnou počtu bipolárních elektrod nemění. Napětí baterie odpovídá počtu článků, sestavených z bipolárních elektrod.
4.1.3.2 Spirálové elektrody Tato konstrukce elektrod byla použita například u baterie Optima 850 a věnuji se jim v kapitole věnované této baterii.
4.1.3.3 Diskové elektrody Tento typ elektrod se zatím používá pouze u staničních akumulátorů. Tyto elektrody mají kruhový tvar a jsou z jedné strany vyduté jako disk. Podle matematického modelu se tlak expandující aktivní hmoty stejnoměrně rozkládá do zesíleného kruhového obvodu elektrod a zeslaslabuje se vydouváním středu elektrod. Zamezuje se tím nerovnoměrnému rozložení tlaků expandující aktivní hmoty spojené s praskáním mřížek, jaké známe u klasických elektrod. To se příznivě projevuje na životnosti elektrod. Výrazně delší životnost v provozu trvalého dobíjení potvrdily i zkoušky při provozu za zvýšené teploty. Konstrukce článku je znázorněna na tomto obrázku.
19
Obr. 6 Olověný akumulátorový článek s diskovými elektrodami Kladné a záporné separátory se sestavují do sloupců. Kladné elektrody se spojují paralelně v sadu svařením sloupků po obvodě elektrod, záporné elektrody se spojují paralelně protavením středového prstence. Článkové nádoby mají válcový tvar. Záporný pól je vyveden středem víka, kladný pól je vyveden mimostředně. Víko je opatřeno bezpečnostní zátkou s nálevkou, kterou lze doplňovat elektrolyt, měřit jeho teplotu a měrnou hmotnost bez snímání zátky. Proti klasickým akumulátorům u kterých se mění se změnou kapacity jejich půdorysná plocha. Mění se u válcových akumulátorů s diskovými elektrodami jejich výška.
4.2 Separátory elektrod Elektricky oddělují kladné elektrody od elektrod záporných. Požaduje se aby umožňovaly co nejlepší průchod SO42-, kladly minimální elektrický odpor a zabraňovaly průchodu kovů a částic aktivní hmoty z elektrod jedné polarity na elektrody opačné polarity. Používají se buď ve tvaru listů přesahujících ze všech stran okraje elektrod, nebo ve tvaru obálek. Do každá obálky se zasouvá jedna kladná elektroda. Poněvadž jsou obálky ze spodní strany uzavřené zůstává odpadávající kal v obálce. Proto může
20
být snížen, nebo odstraněn kalový prostor a tím snížená i výška akumulátorů. Toto zmenšení geometrického rozměru akumulátoru je vhodné zejména u startovacích akumulátorů pro součastné automobily, ve kterých nebývá místa nazbyt a tato skutečnost může být zohledněna už při konstrukci automobilu. Vlastnosti separátorů mají značný vliv na vlastnosti akumulátorů a to zejména za nízkých teplot. Separátory musí být zhotoveny z materiálů, které velmi dobře odolávají agresivnímu prostředí.
4.2.1
Papírové (celulózové) separátory Zhotovují se z dlouhovlákené celulózy, pro zvýšení chemické odolnosti
impregnované například fenolformaldehydovou, nebo jinou vhodnou pryskyřicí. Separátory mají relativně malý elektrický odpor a dobrou průchodnost iontů SO42-. Velikost pórů dosahuje 20 až 30 µm. Výhodou je také jejich nízká cena, nevýhodou je krátká životnost následkem postupné degradace celulózových vláken. Toto se ukazuje jako závažný nedostatek těchto separátorů, protože se výrobci snaží konstruovat akumulátory s co nejvyšší životností a toto konstrukční řešení by byl limitující faktor v jejich životnosti, kvůli nebezpečí vnitřního zkratu. Používají se proto jen u méně elektricky namáhaných akumulátorů, např. pro motocykly.
4.2.2
Mikroporézní separátory Zhotovují se například z PVC, pryže, nebo vysokomolekulárního polyetylénu o
tloušťkách od 1 do 0,1 mm, s velikostí pórů 5 až 0,03 µm. Životnost těchto separátorů většinou převyšuje životnost akumulátoru. Malá velikost pórů zamezuje průchodu částic kovů a aktivní hmoty z elektrody jedné polarity na elektrodu jiné polarity. U separátorů z PVC může docházet k uvolňování iontů Cl-, ze kterých pak elektrooxidací vznikají chloristanové ionty ClO4-. Ty urychlují korozi olověných kolektorů kladných elektrod a proto se již dnes většinou tyto separátory u nových konstrukcí akumulátorů nepoužívají.
4.2.3
Separátory ze skleněných vláken Používají se společně s mikroporézními separátory pro zvýšení životnosti
akumulátorů. Přidávají se na stranu kladných elektrod.
4.3 Akumulátorové nádoby Nejpoužívanějšími materiály pro výrobu nádob akumulátorů (řádově do 1 000 A.h) jsou v současné době polypropylén (PP), kopolymer polymer polypropylénu s polyetylénem (PPE), akrylostyrénová pryskyřice (AS), styroakrylnitril (SAN) a směs
21
akrylové pryskyřice s butadiénovou pryží (ABS). Plastové nádoby mají menší hmotnost a lepší odolnost proti rázu než nádoby z tvrzené pryže. Žebry u dna je nádoba vyztužena a současně je zabraňováno možnému zkratu způsobeného olovem odpadlým od desek. Výhodou použití průsvitných plastů pro akumulátory se zaplavenými elektrodami je též možnost kontrolovat výšku hladiny elektrolytu přes průsvitné stěny nádob, bez snímání zátek a bez použití zátek se signalizací výšky hladiny elektrolytu.
4.4 Zátky Podle konstrukce slouží zátky u akumulátorů se zaplavenými elektrodami k oddělení vnitřního prostoru akumulátorů od vnějšího prostředí a chrání tak akumulátory proti vniknutí cizích těles, prachu, škodlivých par a plynů do článku.
4.4.1
Plynotěsné zátky Používají se u moderních konstrukcí akumulátorů při centrálním odplynování
článků. Snímají se pouze při měření nebo doplňování elektrolytu 4.4.2
Zátky pro zachycení aerosolu H2SO4 Jsou určeny aby zachytily co nejvíce zachytily co nejvíce aerosolu H2SO4, který
je unášen z elektrolytu unikajícím vodíkem a kyslíkem, a současně nebránily úniku plynů vznikajících v článcích elektrolýzou. Jsou konstruovány s komůrkou jednoduchou nebo spirálovou, s kaskádou nebo labyrintem.
Obr. 7 Komůrková zátka
22
Obr. 8 Kaskádová zátka 4.4.3
Zátky indukující výšku elektrolytu v článcích První možností je použití průhledného, stupňovitě nebo kuželovitě upraveného
dříku. Dřík je umístěn v zátce a končí na minimální výšce elektrolytu. Při pohledu shora velikost kroužků viditelných v dříku odpovídá příslušné výšce hladiny elektrolytu. Další možností je využité plováčku s dříkem. Dřík v průhledném pouzdru prochází zátkou a jeho výška udává výšku hladiny. Přípustné minimum a maximum hladiny je vyznačeno na průhledném pouzdru dříku. Využití těchto zátek pro indikaci hladiny elektrolytu je vhodné především u akumulátorů v neprůhledných nádobách. Na následujícím obrázku je indikace provedena v případě „a“ dříkem – při pohledu shora 1- hladina pod minimem, 2optimální výška hladiny, 3- hladina nad maximem. V případě „b“ je indikace provedena plováčkem.
Obr. 9 Zátky pro indikaci hladiny v článku
23
4.4.4
Zátky s indikací vybité baterie Mají zabudovanou průhlednou plastovou trubičku, sahající do elektrolytu.
V trubičce je barevná plastová kulička, která plave na hladině elektrolytu a je patrná pohledem shora. Při vybití akumulátoru je malá hustota elektrolytu, kulička klesne na šikmé dno, sjede na stranu a tím zmizí ze zorného pole.
4.4.5
Zátky bezpečnostní (antidetonační) Zamezují roztržení článkových nádob a vík následkem výbuchu kyslíko-
vodíkové směsi, vznikající elektrolýzou vody obsažené v elektrolytu. Výbuch může být iniciován zvenčí zdrojem jiskření nebo teplotou přesahující 500 °C. Princip bezpečnostní zátky spočívá v průchodu plynů přes jemně porézní keramický materiál. Tloušťka materiálu a velikost pórů musí být taková, aby při vznícení vodíku zvenčí zabránila průchodu plamene do článků. Bezpečnostní zátky se zhotovují buď ve tvaru kloboučku (to není příliš praktické, protože při měření hustoty, teploty a při doplňování článků vodou, se musí zátky sejmout a neplní svou bezpečnostní funkci), nebo ve spojení s nálevkou jak je patrné na dalším obrázku.
Obr. 10 Princip bezpečnostní zátky Stopka nálevky sahá do elektrolytu a tím zamezuje úniku plynů nálevkou. Plyny unikají kolem nálevky do prostor keramického válce a pronikají póry do vnějšího prostoru. Tyto zátky jsou osazeny protizážehovou keramickou vložkou. Tato vložka zabraňuje šlehnutí plamene do článku z vnějšího prostředí. Nálevka umožňuje měřit hustotu a teplotu elektrolytu, včetně doplňování článků vodou bez snímání zátek.
24
4.4.6
Zátky pro automatické doplňování vody do článků Tento systém pracuje na principu přetlaku vyvíjených plynů v článku, které po
doplnění vody na potřebnou výši zabraňují dalšímu přítoku vody. Tak lze jedním otvorem doplňovat všechny články bateriového bloku. Tento systém automatického doplňování vody do článků se zatím používá pouze u velkých staničních akumulátorů a je otázkou jestli se v budoucnosti uplatní i u startovacích akumulátorů.
Obr. 11 Automatické doplňování vody do článků
Na tomto obrázku je pod písmenem „a“ znázorněno plnění článků. Pod písmenem „b“ je konec plnění (vyvíjené plyny zamezují dalšímu přítoku vody do
článků) a pod písmenem „c“ je běžný provozní stav. Tento systém využívá tlaku plynů v článku.
4.4.7
Rekombinační zátky s katalyzátorem Umožňují slučovat vodík a kyslík, vzniklý elektrolýzou vody v elektrolytu, opět
na vodu. obr. Plyny se nejprve zbaví aerosolu, který by poškozoval katalyzátor a pak procházejí porézním pouzdrem ke granulím, na kterých je nanesen paládiový katalyzátor. Na katalyzátoru se molekuly plynů rozštěpí a pak společně reagují na vodní páru, která se sráží na chladnější stěně zátek a v podobě kapek stéká zpět do článku. Při reakci obou plynů se uvolňuje teplo. Aby nedošlo k přehřívání a poškození zátek, je třeba volit správnou velikost zátek. Účinnost rekombinace dosahuje na počátku provozu až 99 %, pak zvolna klesá až na 95%. Zátky mohou teoreticky pracovat v rozsahu teplot od -50 °C do +45 °C. Dolní teplota je v praxi limitována zamrzáním rekombinované vody na stěnách zátek, při teplotě nad +45 °C klesá účinnost kondenzace vznikající vodní páry na stěnách zátek. Použití rekombinačních zátek s katalyzátorem výrazně 25
prodlužuje intervaly doplňování vody a snižuje i množství plynů unikajících do ovzduší. Nevýhodou je vyšší cena akumulátorů opatřených rekombinačními zátkami. Určitou nevýhodou může být i pokles účinnosti rekombinace a možnost poškozování paládiového katalyzátoru antimonovodíkem. Je proto třeba používat akumulátory se sníženým obsahem antimonu v olověných kolektorech elektrod, nebo raději používat akumulátory s kolektory elektrod z bezantimonového olova.
Obr. 12 Zátka pro rekombinaci plynů na vodu pomocí paládiového katalyzátoru 1- plastový plášť, 2- porézní komůrka, 3- katalyzátor, 4- těsnící podložka, 5- trubice omezující průnik aerosolu H2SO4
4.4.8
Zátky s rekombinačními elektrodami Využívají jednu, nebo dvě pomocné elektrody ponořené zčásti do elektrolytu
obr. Elektrody jsou plynové (používá se vodíková a kyslíková, jako v palivových
článcích) a připojují se přes rezistor s nelineárním odporem k pólovým vývodům elektrod článků. Výhodou rekombinace plynů na vodu pomocnými elektrodami je vysoká účinnost reakce i při rychlém nabíjení, nevýhodou je vyšší ceny pomocných elektrod.
4.5 Ventily Používají se hlavně u tzv. akumulátorů řízených ventilem (hermetizovaných, rekombinačních). Pryžové těsnění ventilu zabraňuje kontaktu vnějšího prostředí s vnitřním prostorem akumulátoru a současně udržuje trvalý přetlak plynů v článcích v rozmezí 0,07 až 0,43 kPa.
26
Obr. 13 Ventil rekombinačních akumulátorů 4.5.1
Akumulátory řízené ventilem Teto druh akumulátorů se označuje zkratkou VRLA (z anglického valve
regulated acid) a nazývají se též rekombinační nebo hermetizované. Neobsahují elektrolyt v kapalném skupenství jako akumulátory se zaplavenými elektrodami. Mohou proto pracovat v libovolné poloze. Pro výrobu akumulátorů řízených ventilem se používají kolektory z olova legovaného vápníkem (nevyhovuje olovo legované antimonem), aby se dosáhlo co největšího přepětí vodíku na olovu a maximálně se snížila elektrolýza vody na kyslík a vodík. Minimalizuje se tím ztráta samovolným vybíjením. Akumulátory jsou vybaveny ventily, které zabraňují úniku aerosolu H2SO4 a udržují v článcích přetlak na hodnotě 0,07 až 0,43 kPa. Účinnost rekombinace plynů (kyslíku a vodíku) je vyšší než 95 %. Akumulátory řízené ventilem lze rozdělit podle způsobu znehybnění elektrolytu do dvou skupin - AGM a gelové. Pro obě skupiny těchto akumulátorů platí přibližně stejné podmínky provozu, kontrol a údržby. Některé typy se liší rozdílnou velikostí napětí pro trvalé dobíjení, které může být 2,23 až 2,30 V/článek při teplotě +20 °C. V cyklickém
provozu
nabíjení-vybíjení
nesmí
konečné nabíjecí napětí
přesahovat podle údajů výrobce 2,40 V až 2,47 V na článek. Jsou-li akumulátory na uvedené napětí trvale dobíjeny, zvyšuje se únik H2 a následkem přebíjení se akumulátory rychle poškodí.
5
AKUMULÁTOROVÁ BATERIE OPTIMA Tato baterie byla vyvinuta americkou firmou Gates Technology v Denveru. Jedná
se o zásadně odlišnou konstrukci ve srovnání s klasickými akumulátory, i když základní
27
princip zůstává samozřejmě zachován.. Klíčovou vlastností je technologie spirálovitých
článků, jejichž vývoj trval 9 let a tato baterie je chráněna 15 různými patenty. V současné době OPTIMA ve výrobním závodě zaměstnává 250 pracovníků a vyrábí 1 200 000 kusů baterií ročně. OPTIMA je certifikována ISO 9000 a QS 9000. Jako první bude certifikována v novém systému kvality v koncernu Johnson Controls (majitel společnosti Varta automotive). Autobaterie OPTIMA jsou nejrozšířenější startovací akumulátory na světě, prodávají se v nejvíce státech světa.
5.1 Historie vývoje tohoto akumulátoru
1983 Začátek výzkumu a vývoje baterie na bázi SpiralCell Technologie pro armádu.
1984 Založena společnost OPTIMA.
1987 První 12-Voltové baterie SpiralCell se zavádějí na trhu v USA.
1992 Skupina Gylling Group získává firmu Optima Batteries.
1993 Společnost U.S. Air Force se rozhodla pro OPTIMU a jejich servis.
1995 Zavedení OPTIMA YellowTop pro pohon a osvětlení (zavedení cyklů).
1996 Zahájení výroby baterií Optima v moderním závodě ve městě Aurora (Denver).
2000 Johnson Controls získává Optima Batteries.
2002 Zavedení typu YT & BT 5.5 – Group 31 Batterie.
2003 Optima Batteries AB se stává součástí společnosti VB Autobatterie GmbH.
5.2 Konstrukce Každý článek baterie OPTIMA se skládá ze dvou, do svitků stočených elektrod, oddělených separátorem. Separátor zároveň slouží i jako nosič elektrolytu. Celý svitek je zasunut do nádoby, kde se do něj pomocí vakua vpraví elektrolyt.
Článek je těsně vinutý s minimální vzdáleností desek, dává velký činný povrch desek pří při malých rozměrech článku. Takto vytvořený článek má extrémně nízký vnitřní odpor, proto může svými užitnými vlastnostmi nahradit mnohem větší klasicky provedený článek s plochými deskami. 28
Obr. 14 Elektrody akumulátoru OPTIMA Elektrody (desky) akumulátorů Optima jsou vyrobeny z téměř čistého olova. Příměs tvoří jen nepatrné množství cínu. Díky čistotě použitých materiálů jsou perfektně vodivé (vnitřní odpor baterie je jen 0,0028 Ohmu). Propojky článků jsou z litého olova, nejsou bodově vařené skrz boky nádoby, to se dále projevuje na vodivosti systému a hlavně na spolehlivosti (nehrozí riziko nekvalitního sváru).
Obr. 15 Propojení článků v akumulátoru Konstrukce představuje zcela uzavřený zaplombovaný systém bez tekutého elektrolytu, který zaručuje absolutní bezpečnost a spolehlivost. Umožňuje uložit baterii v jakékoliv poloze - i dnem vzhůru bez následků na provoz. Veškerý elektrolyt je obsažen v mikroporézní skelné vatě mezi jednotlivými deskami. Tato hmota tvoří zároveň separátory. Navíc vodík a kyslík vznikající při provozu jsou automaticky rekombinovány zpět na vodu, nikdy tedy není potřebné doplňovat akumulátor stejným způsobem jako klasický, destilovanou vodou. Nehrozí koroze pólových vývodů. U tohoto typu tak můžeme plně hovořit o zcela bezůdržbovém akumulátoru.
29
Obr. 16 Řez akumulátorem OPTIMA
5.3 Výhody Tato baterie poskytuje velmi vysoký zdrojový proud pro startování i při teplotách až -40 °C. Poněvadž rozteč mezi elektrodami je velmi malá, má každý článek značnou aktivní plochu (o 50 % až 100 % ve srovnání s běžným akumulátorem) s tím souvisí i větší kapacita. Díky velké povrchové ploše olověných článků má vysokou schopnost rychlé obnovy kapacity a tím umožňuje startování v rychlém sledu za sebou. Další výraznou výhodou je doba nabíjení, dobíjení akumulátoru. Ta může být zkrácena až na 1 hodinu. Nabíjecí proud může být nastaven na hodnotu až 100A při napětí 14,4V. Při nabíjení toleruje velké rozdíly nabíjecích proudů i napětí. Mohou být několikrát úplně vybity bez významnějšího poškození. I při velice neodborném zákroku je chráněna proti explozi bezpečnostní pojistkou.
30
Konstrukce počítá s vysokými provozními zatíženími. I v případě mechanického poškození obalu, při havárii je vyloučen únik kyseliny a je po určitou dobu zajištěna funkčnost. Kompaktní konstrukce se spirálovitými články a elektrolytem vázaným v porézní hmotě separátorů vydrží vibrace a otřesy výrazně déle než klasická baterie. Mezi další výhody patří vysoký vybíjecí proud baterie - 850A (měřeno podle DIN). Akumulátor vydrží až 12 000 startů, narozdíl od běžného olověného akumulátoru který vydrží asi 4 000 startů. Má tedy až trojnásobně vyšší životnost. Nezanedbatelnou výhodou také je, že má výrazně menší samovolné vybíjení v porovnání s klasickými konstrukcemi akumulátorů. Ani po ročním skladování nevykazují podstatný úbytek kapacity. I po této době baterie nastartuje, je však vhodné baterii dobít jednou za půl roku. Tato vlastnost ji předurčuje k úspěšnému použití v sezónních strojích, například v zemědělství. Jako jediná nevýhoda se jeví vysoká pořizovací cena, která je však kompenzována právě delší životností a vyšším startovacím proudem, který je potřebný především v zimních měsících při startování těžkých nákladních automobilů
5.4 Akumulátor OPTIMA na trhu Baterie Optima se vyrábějí ve dvou konstrukčních modifikacích, třech aplikačních skupinách a asi dvaceti typech První konstrukce je určena pro startování, jsou tomu podřízeny technické parametry baterií jako je hmotnost a startovací proud. Do této kategorie spadají všechny akumulátory s červeným víkem tzv. Optima RedTop™ a jeden typ Optima BlueTop™ SLI-4,2L. Baterie určené pro startování mají tmavě šedivou nádobu akumulátoru. Druhá konstrukce je určena pro trakční a startovací účely. Baterie jsou masivnější, podstatně těžší, lépe odolávají hlubokému vybití. Do této kategorie spadají všechny baterie Optima YellowTop™ a typy BlueTop™ DC. Baterie pro trakční a startovací účely mají světle šedou nádobu akumulátoru. Z těchto dvou konstrukcí pak vychází tři barevně odlišené řady: červená, žlutá a modrá. Takto jsou rozlišeny pro tři typická použití: v autech ke startu (RedTop™ -
červená), v autech ke startu a napájení přístrojů a v záložních zdrojích (YellowTop™ žlutá), v lodích ke startu a napájení (BlueTop™ - modrá).
31
Obr. 18 Praktické provedení akumulátorů OPTIMA
6
AKUMULÁTORY PRO ELEKTROMOBILY
6.1 Olověný akumulátor K pohonu elektromobilů se může používat i klasický olověný akumulátor, ovšem větších rozměrů než při jeho použití jako startovací akumulátor. Reálný dojezd vozidel s tímto akumulátorem je 50 km na jedno nabití. Při poklesu teploty je třeba počítat s poklesem kapacity a tím i dojezdu. Dosavadní zkoušky prokázaly životnost olověných akumulátorů ve vozidle asi 4 roky nebo 700 cyklů nabíjení a vybíjení. Toto je přibližně poloviční životnost v porovnání s použitím tohoto typu akumulátoru jako startovacího. Tento rozdíl je způsoben vyšším zatížením při pohonu vozidla. U vozidla je střední doba nabíjení 2 hodiny. Prakticky jedinou výhodou použití olověného akumulátoru v elektromobilu je jeho cena oproti jiným typům akumulátorů. Nevýhodou je pokles kapacity při nízkých teplotách a pří vzrůstu vybíjecích proudů, nízká měrná energie a výkon, velká citlivost na vybíjecí a nabíjecí režim.
6.2 Akumulátor sodík – síra Systém Na – S, případně Na-Ni-Cl má čtyřnásobně vyšší energetickou hustotu než akumulátor olověný. Elektrody sodík i síra jsou při chemické reakci tekuté. Elektrolyt je tvořen oxidem hlinitým, dobrým vodičem iontů. Při vybíjení akumulátoru dochází k přenosu iontů elektrolytem od záporného ke kladnému pólu tak dlouho, než se článek vybije. Při nabíjení se ionty hromadí u záporných elektrod. Protože samotná síra není vodivá, používá se k vedení proudu grafitová plst, která je spojena s kovovou kostrou sloužící jako kladný pól. Obě tekutiny jsou od sebe odděleny pevným elektrolytem. Tvoří jej desky z keramické hmoty oxidu hlinitého beta. Ten se vyznačuje vysokou vodivostí pro sodíkové ionty, které reakcí se sírou vytvářejí polysulfid solný. Sodík se ve vnitřním prostoru akumulátoru postupně spotřebuje, hladina tekutiny klesá, současně
32
stoupá hladina tekutiny ve vnějším prostoru článku. Při nabíjení dochází k obrácenému postupu. Pracovní teplota akumulátoru, který je tvořen velkým množstvím článků je 380 °C.
Články mohou být řazeny jak sériově, tak i paralelně. Každý jednotlivý článek je vytvořen jako pohár, na jehož stěně je síra v grafitové plsti pro zlepšení vodivosti. Mezi sírou a vodíkem je keramický elektrolyt rovněž ve tvaru poháru. Akumulátor je absolutně bezůdržbový a plynotěsný, jeho proudová účinnost je 1, což vede k energetické účinnosti přes 88 %. K udržení pracovní teploty je nutno z akumulátoru odebírat část energie, která se projevuje jako ztráty. Akumulátor o energii 10 kWh potřebuje na krytí těchto ztrát asi 80 W. Vozidla osazena tímto akumulátorem mají dojezd přes 100 km (pro VW Golf se uvádí až 250 km). Životnost je 1000 cyklů, respektive 30 000 km. Vzhledem k vysoké ceně akumulátoru je životnost stále ještě nedostatečná. Nutná je také tepelná izolace. Mezi výhody patří vysoká měrná energie a měrný výkon.
6.3 Akumulátory nikl-kadmium Jedná se o plně recyklovatelné a bezúdržbové akumulátory. Mají velkou životnost, 10 let nebo 2000 cyklů a vysokou energetickou hmotnost. Kladné elektrody jsou tvořeny hydroxidem hliníku, záporné hydroxidem kademnatým. Elektrolytem je hydroxid draselný ředěný destilovanou vodou. Tyto akumulátory nemají tak výraznou závislost kapacitu na teplotě a vybíjecím proudu jako olověné akumulátory. Vyznačují se větší spotřebou vody a ztrátami.
6.4 Akumulátory nikl-železo Konstrukcí i vlastnostmi jsou stejné jako akumulátory nikl-kadmium. Záporné elektrody jsou však ze železa. Oproti nikl-kadmiovým akumulátorům mají tyto akumulátory ještě větší spotřebu vody, dvojnásobný vnitřní odpor, nižší energetickou účinnost a větší pokles kapacity za nízkých teplot.
6.5 Akumulátory nikl-metalhydrid (Ni-Mh) Mají mnoho společných znaků jako nikl-kadmiové akumulátory. Materiálem záporné elektrody je však slitina lanthanu, kobaltu, hliníku a manganu, která pří nabíjení vytváří metelhydrid a nahradila škodlivé kadmium. Ni-MH akumulátory jsou tak
33
ekologické a dosahují ještě vyšší hodnoty měrné energie. Jsou však dražší a citlivější na nabíjecí a vybíjecí režim. Životnost je poloviční oproti Ni-Cd akumulátorům.
6.6 Akumulátory zinek-vzduch Dosahují hustoty energie až 220 Wh/kg a při tom jsou o 30 % lehčí než například akumulátory typu sodík síra. Elektrolyt je tvořen vodným roztokem hydroxidu sodného. Požadovaný odběr výkonu vyžaduje jeho chlazení, při nízkých teplotách musí být ohříván.
6.7 Akumulátory zinek-halogen Výhodou jsou nízké finanční náklady na materiály elektrod, které jsou dobře využity při reakcích vznikajících v akumulátoru. Halogeny jsou však toxické. Životnost je přibližně 800 cyklů.
6.8 Akumulátory lithium-ion Materiálem katody jsou LiCoO2, LiMn2O4 či LiNiO. Napětí článku se pohybuje v rozmezí 3 až 4 V. Energetická hustota dosahuje hodnoty 130 Wh/kg. Životnost je až 1000 cyklů. Nevýhodou je vysoká cena.
6.9 Akumulátory lithium-metal-hydrid Katodu
tvoří
LixMnO2
a
anodu
tvoří
uhlíková
matrice
připravená
z grafitizovaných částic koksu. Tyto akumulátory mají nejvyšší energetickou hustotu a nejnižší hmotnost ze všech uvedených akumulátorů pro elektromobily. Jsou odolné proti velkému přebíjení, vybíjení, zkratu, mechanickému poškození. Pracují v nejširším rozsahu teplot.
6.10 Akumulátory lithium-polymer Anoda je z lithiové a katoda z kovové fólie se zakotveným organosulfidovým polymerem. Podle použitého materiálu elektrod může článek dosahovat napětí 1,8 až 3 V. Hustota energie je 150 Wh/kg při výkonové hustotě 200 W/kg. Pracovní teplota je v rozsahu 40-150 °C. Za podmínek rychlého nabíjení může být dosaženo nabíjecí účinnosti až 90 %.
34
7
ZÁVĚR Ve světě existují desítky, možná stovky firem produkující akumulátory pro použití
v motorových vozidlech. Stejně jako v případě ostatních výrobků i zde jsou výrobci tlačeni konkurenčním prostředním a požadavky a požadavky zákazníků k neustálému vylepšování svých produktů. V zásadě je postupováno třemi vývojovými směry. V prvém případě je stále vylepšována konstrukce klasického akumulátoru s tekutým elektrolytem. Jsou zaváděny nové materiály a nové výrobní postupy pro výrobu desek, důraz je kladen na vysokou kvalitu, spolehlivost a dlouhou životnost. Je zachován oddělený přístup ke kontrole, údržbě a opravám jednotlivých článků. Na tyto akumulátory je poskytovány záruční lhůta až do deseti let. V druhém případě, který pokrývá největší procento trhu, je zachován tekutý elektrolyt, ale velký důraz je kladen na dobré provozní vlastnosti a současně na omezení, nebo úplné vyloučení nutné údržby v průběhu celé životnosti akumulátoru. Víko akumulátoru je tepelně spojeno s nádobou, k jednotlivým článkům není přístup, mnohdy nejsou ani opatřeny víčky. Záruční doba těchto výrobků je obvykle 1 rok, průměrná životnost v provozu do 3 let. Důležitý kritériem v konkurenčním prostředí je u těchto výrobků cena. Ve třetím případě se jedná o nové směry ve vývoji a výrobě akumulátorů. Mezi tyto výrobky patří akumulátory ve formě elektrolytu s elektrolytem ve formě gelu a akumulátory s absorbovaným elektrolytem, akumulátory se spirálovými články. Vyšší cena je vyvážena vyšší užitnou hodnotou a větší životností výrobku. Záruční doby jsou obvykle do šesti let. Nejvíce jsou na trhu rozšířené právě startovací akumulátory které se používají v automobilech. Za normálních podmínek jsou udržovány v nabitém stavu zdrojovou soustavou vozidla, což významně přispívá k jejich životnosti. Pouze výjimečně u nich dochází k hlubokému vybití. Například při poruše nabíjecí soustavy. Jejich konstrukce je v porovnání s dalšími skupinami akumulátorů subtilnější a mají větší počet tenčích desek. Oproti nim jsou takzvané hlubokocyklové akumulátory mají robustnější konstrukci desek a jsou určeny pro dlouhodobou dodávku určeného množství energie jak je požadováno například u lodí, off-road vozy s navijákem nebo přídavnými světly,
35
vozy se sklopným čelem, vysocezatěžované záložní zdroje Prioritou při jejich konstrukci je životnost pokrývající velký počet cyklů vyznačujících se hlubokým nabitím a vybitím. Nejvýznamnějším požadavkem na údržbu je u takzvaných nízkoúdržbových akumulátorů udržení množství elektrolytu doléváním destilovanou vodou. Mezi konstrukční opatření omezující úbytek elektrolytu patří vhodné složení aktivních hmot na elektrodách, konstrukce víček a vytvoření dostatečného prostoru pro náplň elektrolytu tak, aby byla postačující pro deklarovaný provozní interval. Z provozních podmínek má zásadní vliv teplota pracovního prostředí a čas působení plynovacího napětí při nabíjení. Lze předpokládat, že se v praxi značně rozšíří akumulátory s elektrolytem nasáklým do masivních separátorů ze skelné tkaniny, jako například v konstrukcích akumulátorů firmy Optima, Lifeline i dalších. Separátory jsou vyrobeny za skelných vláken s vysokou absorpční schopností. Prostor mezi deskami je touto separační hmotou zcela vyplněn a její vysoká kapilarita umožňuje neustálý kontakt elektrolytu s činnou hmotou desek. Materiál je navržen tak, že 90 % jeho objemu je nasyceno elektrolytem a zbývajících 10 % může být vyplněno plynem. V této části se vytváří plynové kanály, ve kterých se vodík a kyslík vznikající při elektrochemických reakcích spojují v atomárním stavu zpět na vodu. Tato skutečnost spolu s velkým množstvím aktivní hmoty na kladných deskách, vysokou chemickou čistotou této hmoty i hmoty mřížek, zajišťuje větší množství proudu který je schopen článek uvolnit a současně kratší dobu obnovení jeho kapacity při nabíjení. Mechanicky pevnější výplň mezi deskami také zvyšuje odolnost akumulátoru proti nárazům a vibracím. Elektrolyt neuniká z akumulátoru ani v případě poškození jeho obalu. Zkoušky prokázaly funkčnost baterie i v případě jeho prostřelení. Elektrické vlastnosti akumulátoru jsou srovnatelné s nikl-kadmiovými články s výhodou nižší ceny a jednodušší údržby. Z bezpečnostního hlediska jsou baterie se ztuženým elektrolytem považovány za nerizikové výrobky a mohou být na rozdíl od běžných akumulátorů u většiny společností přepravovány i letecky. V blízké budoucnosti bude zřejmě zvýšeno jmenovité napětí elektrických soustav motorových vozidel na hodnotu 36 V. S rostoucím počtem elektrických a elektronických zařízení na vozidle rychle vzrůstá počet elektrických obvodů a s tím rostou i nároky na
36
zdrojovou soustavu vozidel. Zvýšením napětí je umožněno snížení potřebné velikosti proudu při zachování výkonu. To umožňuje menší průřezy vodičů a tím i menší hmotnost vodičů a elektrických přístrojů, což zlevňuje celou soustavu. Nabíjecí systém bude pracovat s napětím 42 V. Průkopníky v této oblasti jsou firmy Bosch, Mercedes i další.
37
8
SEZNAM POUŽITÉ LITERATŮRY 1. Cenek, M.: Akumulátory a baterie. Praha 1996 2. Cemek, M.: Akumulátory od principu k praxi. FCC Public 2003 3. Motejl, V. a Horejš K.: Učebnice pro řidiče a opraváře automobilů. Littera 1998 4. Marek, J.: Hermetické akumulátory v praxi ….. 5. Vlk, F.: Alternativní pohony motorových vozidel. Avid 2004 6. Zdeněk J, Kubát J, Žďárský B, Elektrotechnika motorových vozidel 1 Avid 2001 7. Internet: http://www.varta-automotive.cz/ 8. Internet: http://www.mulac.cz/ 9. Internet: http://www.mulac.cz/optima.php#optima_typy#optima_typy
38
