Συσσωρευτές – Γενικές πληροφορίες

Οι μπαταρίες των αυτοκινήτων είναι συστοιχίες επαναφορτιζόμενων στοιχείων. Είναι σχεδόν πάντα μολύβδου – θειικού οξέος, αν και σε ορισμένες περιπτώσεις είναι χάλυβα – αλκαλίου ή νικελίου – αλκαλίου. Η μπαταρία αποτελείται από έξι στοιχεία των 2 Volt, συνδεδεμένες σε σειρά έτσι ώστε στους ακροδέκτες της να έχει διαφορά δυναμικού 12 Volt. Η πραγματική τάση της μπαταρίας δεν είναι πάντα η ονομαστική των 12V. Κυμαίνεται από 14,5 V αμέσως μετά από μία πλήρη φόρτιση μέχρι τα 10,8 V αν είναι τελείως αφόρτιστη.

Τα βασικά χαρακτηριστικά μιας μπαταρίας είναι τα εξής:

  • Μπορεί να επαναφορτιστεί εφ’ όσον έχει δώσει κάποια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας.
  • Έχει χαμηλή εσωτερική αντίσταση και έτσι μπορεί να δίνει υψηλά ρεύματα για την εκκίνηση στην μίζα χωρίς να προκαλείται σημαντική πτώση τάσεως.
  • Ο ηλεκτρολύτης της είναι αραιωμένο θειικό οξύ και καθώς είναι διαβρωτικό πρέπει να μην του επιτρέπεται να έρθει σε επαφή με τα μάτια, το δέρμα , τα ρούχα ή τα εξαρτήματα και τα μέρη του αυτοκινήτου (Σε περίπτωση που πέσει κάπου οξύ πρέπει να το ξεβγάλουμε με άφθονο νερό).
  • Κατά την φόρτιση ο ηλεκτρολύτης παράγει υδρογόνο και οξυγόνο. Αυτό το μίγμα αερίων είναι εκρηκτικό και πρέπει να δίνεται μεγάλη προσοχή έτσι ώστε να αποφεύγουμε σπινθήρες, τσιγάρα ή φλόγες στην περιοχή όπου φορτίζεται μπαταρία.
  • Μέρος του νερού που διαλύει το θειικό οξύ εξατμίζεται κατά την εκφόρτιση και χρειάζεται αναπλήρωση με απεσταγμένο ή απιονισμένο νερό.

Για να έχουμε χημική αποθήκευση και απελευθέρωση ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να έχουμε δύο διαφορετικά αγώγιμα υλικά σε μικρή απόσταση μεταξύ τους βυθισμένα σε ένα αγώγιμο υγρό, τον ηλεκτρολύτη. Στις μπαταρίες των αυτοκινήτων χρησιμοποιούνται πλάκες κράματος μολύβδου – αντιμονίου καλυμμένες με πάστα οξειδίου του μολύβδου. Σε κάθε στοιχείο υπάρχουν αρκετές πλάκες. Μετά από την φόρτιση έχουμε μεταβολή του οξειδίου του μολύβδου σε διοξείδιο του μολύβδου (το οποίο έχει σοκολατί χρώμα) στις θετικές πλάκες και σε πορώδη μόλυβδο (γκρι χρώμα) στις αρνητικές πλάκες. Έτσι όταν η μπαταρία είναι σε πλήρη φόρτιση έχουμε δύο διαφορετικά υλικά (διοξείδιο του μολύβδου και πορώδη μόλυβδο) βυθισμένα σε αραιό θειικό οξύ. Όσο η μπαταρία αποφορτίζεται τότε οι επιφάνειες των πλακών μετατρέπονται σε θειικό μόλυβδο. Ανάμεσα στις πλάκες υπάρχουν χημικά αδρανή διαχωριστικά. Παλιότερα ήταν ξύλινα ή από πορώδες ελαστικό, αλλά σήμερα χρησιμοποιούνται πιο μοντέρνα υλικά όπως το ανόργανο υλικό Kieselguhr (KG) με ενίσχυση από ίνες υαλοϋφάσματος. Τα διαχωριστικά πρέπει να είναι ανθεκτικά, γιατί κατά την διάρκεια της φορτίσεως και της εκφορτίσεως (ειδικά σε υψηλά ρεύματα) οι πλάκες ζεσταίνονται και πετσικάρουν. Επίσης πρέπει να είναι πορώδη έτσι ώστε να επιτρέπουν τη διέλευση του ηλεκτρολύτη. Αν οι πόροι τους είναι μικροί τότε αυξάνεται η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας και πέφτει η τάση στους ακροδέκτες της. Οι πλάκες είναι ομαδοποιημένες και είναι έτσι διευθετημένες ώστε στην αρχή και στο τέλος της ομάδας να υπάρχουν πάντα αρνητικές πλάκες έτσι ώστε να είναι πάντα περισσότερες από τις θετικές. Τα διαχωριστικά είναι έτσι τοποθετημένα ώστε η πλευρά τους η οποία έχει νεύρα να είναι προς τις θετικές πλάκες. Έτσι ο ηλεκτρολύτης συγκεντρώνεται στις θετικές πλάκες (Σχ.1).Τα κελύφη των μπαταριών παλιότερα φτιάχνονταν με πίσσα και αμίαντο, αλλά σήμερα φτιάχνονται από πολυπροπυλένιο (Σχ.2) το οποίο είναι ημιδιαφανές και έτσι φαίνεται η στάθμη του ηλεκτρολύτη. Επίσης έχει μεγάλη αντοχή και μικρό βάρος.

Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι οι κατασκευαστές για να πετύχουν μικρό όγκο κάνουν τις πλάκες και τα διαχωριστικά πολύ λεπτά. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η μπαταρία να είναι ευαίσθητη σε υπερθέρμανση γιατί μπορεί πολύ εύκολα να πετσικάρουν οι πλάκες και να βραχυκυκλώσουν. Επίσης καθώς μειώνεται ο όγκος της μπαταρίας μειώνεται και η ποσότητα του ηλεκτρολύτη που υπάρχει σε κάθε στοιχείο με αποτέλεσμα την αυξημένη ευαισθησία της μπαταρίας και την εύκολη μείωση της στάθμης του ηλεκτρολύτη.

Φόρτιση και εκφόρτιση

Όταν η μπαταρία φορτίζεται ρεύμα με αντίθετη πολικότητα από αυτό που παρέχει η μπαταρία περνάει διαμέσου της (Σχ.3).

Η μπαταρία έχει σταθερή πολικότητα και για να την φορτίσουμε χρειάζεται ρεύμα σταθερής πολικότητας. Μπορεί να μην είναι συνεχές αλλά διακοπτόμενο, ποτέ όμως εναλλασόμενο. Αν η ηλεκτρεγερτική δύναμη (δηλαδή η τάση χωρίς φορτίο) της μπαταρίας είναι 12V τότε για να την φορτίσουμε χρειαζόμαστε ρεύμα της τάξεως των 14 – 16 V ανάλογα με τον ρυθμό φορτίσεως που θέλουμε αλλά και με την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας (δηλαδή η τάση στα άκρα του φορτιστή πρέπει να ξεπερνά την ηλεκτρεγερτική δύναμη της μπαταρίας αλλά και την πτώση τάσεως στο εσωτερικό της μπαταρίας λόγω της εσωτερικής της αντιστάσεως). Αν μπορούσαμε να δούμε μέσα σε μια μπαταρία (Σχ.4) κατά την φόρτισή της τότε θα βλέπαμε ότι το ρεύμα διασπά τον ηλεκτρολύτη και το οξυγόνο που παράγεται κινείται προς την θετική πλάκα, όπου όσο προχωράει η φόρτιση σχηματίζει διοξείδιο του μολύβδου.

Από τις δύο πλάκες φεύγουν θειικές ρίζες οι οποίες σχηματίζουν θειικό οξύ στον ηλεκτρολύτη (αυξάνοντας την συγκέντρωσή του) και ταυτόχρονα η αρνητική πλάκα μετατρέπεται σε πορώδη μόλυβδο. Όταν γίνεται εκφόρτιση το ρεύμα αντιστρέφεται λόγω της διαφοράς ηλεκτροθετικότητας του θειικού μολύβδου από τον πορώδη μόλυβδο, το θειικό οξύ διασπάται και οι θειικές ρίζες που απελευθερώνονται σχηματίζουν θειικό μόλυβδο και στις δύο πλάκες με αποτέλεσμα να μην υπάρχει διαφορά μεταξύ τους, άρα και ροή ρεύματος. Επίσης οξυγόνο φεύγει από την θετική πλάκα και επιστρέφει στον ηλεκτρολύτη σχηματίζοντας νερό. Έτσι ο ηλεκτρολύτης αραιώνει. Το μπομόμετρο (πυκνόμετρο του Beaume) είναι ένα όργανο το οποίο μετράει την πυκνότητα του ηλεκτρολύτη δίνοντας έτσι πληροφορίες για την κατάσταση φορτίσεως της μπαταρίας (Σχ. 5).

Το Σχ. 6 δείχνει ένα μπονόμετρο. Αποτελείται από πλωτήρα μέσα σε ένα διαφανές δοχείο το οποίο στην μία άκρη του έχει λεπτό στόμιο και στην άλλη, φούσκα αναρροφήσεως. Το στόμιο τοποθετείται στο στοιχείο και ρουφάμε ηλεκτρολύτη στο μπομόμετρο. Ανάλογα με την πυκνότητά του ο πλωτήρας ισορροπεί σε κάποια θέση. Η ένδειξη του μας πληροφορεί σχετικά με την φόρτιση της μπαταρίας, υπό την προϋπόθεση ότι ηλεκτρολύτης σωστής πυκνότητας χρησιμοποιήθηκε για την φόρτιση της μπαταρίας. Μία σχέση για την διόρθωση της πυκνότητας για πολύ θερμές ή ψυχρές συνθήκες είναι η παρακάτω:

S20 = St + 0,007 (t – 20)
όπου:
St: μετρούμενη πυκνότητα
t: Θερμοκρασία ηλεκτρολύτη (βαθμοί C)
S20: Διορθωμένη πυκνότητα (στους 20 βαθμούς C).
Έτσι αν η ένδειξη της πυκνότητας είναι 1,200 στους 30 βαθμούς C, τότε η διορθωμένη πυκνότητα είναι:
S20 = 1,200 + 0,007 (30 – 20) = 1,200 + 0,007 => S20 = 1,27.
Από την παραπάνω σχέση φαίνεται ότι όσο πέφτει η θερμοκρασία τόσο πυκνώνει ο ηλεκτρολύτης. Οι παρακάτω τιμές μας δείχνουν την κατάσταση φορτίσεως της μπαταρίας.

πυκνότητα
1,11 – 1,13
1,23 – 1,25
1,27 – 1,29

κατάσταση φορτίσεως
εκφόρτιση
φόρτιση 70%
πλήρης φόρτιση

Χωρητικότητα μπαταρίας

Η ονομαστική χωρητικότητα της μπαταρίας είναι το μέτρο της ποσότητας του ηλεκτρικού φορτίου το οποίο μπορεί να προσφερθεί από μία μπαταρία όταν αυτή εκφορτιστεί από κατάσταση πλήρους φορτίσεως στην ελάχιστη επιτρεπτή τάση (1,8 V ανά στοιχείο ή 10,8 V για μια δωδεκάβολτη μπαταρία). Συνήθως η χωρητικότητα που αναγράφεται στην μπαταρία, είναι για εκφόρτιση σε 10 ώρες και θερμοκρασία 25ο C. Τότε θεωρούμε ότι η εκφόρτιση γίνεται με σταθερό ρυθμό και με ένα ρεύμα το οποίο θα φέρει την μπαταρία από την αρχική της στην τελική της κατάσταση (όπως ορίστηκαν στην προηγούμενη παράγραφο) σε 10 ώρες. Αν ο ρυθμός εκφορτίσεως είναι ταχύτερος τότε η χωρητικότητα της μπαταρίας μειώνεται. Σαν παράδειγμα μπορούμε να πάρουμε την περίπτωση μιας μπαταρίας 36 Ah (αμπερωρίων) η οποία πρέπει να μπορεί να δώσει 3,6 Α για 10 ώρες ή 7,2 Α για 5 ώρες κλπ. Στην πραγματικότητα αν την εκφορτίσουμε με 7,2 Α θα φτάσει σε τελική κατάσταση σε κάτι λιγότερο από 5 ώρες, αλλά η διαφορά θα είναι μικρή για μια μπαταρία σε καλή κατάσταση. Η χωρητικότητα της μπαταρίας μας δείχνει πόση ώρα θα πρέπει να τη φορτίσουμε. Αν υποθέσουμε ότι έχουμε μια πλήρως εκφορτισμένη μπαταρία, το θεωρητικό φορτίο είναι:

6Α επί 6 ώρες = 36Ah ή
3Α επί 12 ώρες = 36Ah κ.λ.π.

Λόγω του ότι η μπαταρία δεν έχει απόδοση 100% για να φτάσει σε πλήρη φόρτιση πρέπει να της δώσουμε φορτίο 1,3 φορές του ονομαστικού. Έτσι για την μπαταρία του παραδείγματος πρέπει να της δώσουμε.
36 X 1,3 = 46,8 Αh

Έτσι αν θέλουμε να την φορτίσουμε σε 6 ώρες το ρεύμα φορτίσεως πρέπει να είναι:
46,8 / 6 = 7,8Α

Ρυθμός φορτίσεως

Σε ένα όχημα ο ρυθμός φορτίσεως κανονίζεται από τον αυτόματο. Εξαρτάται από τη στάθμη φορτίσεως της μπαταρίας η οποία με τη σειρά της εξαρτάται από τα πρόσφατα φορτία στα οποία έχει υποβληθεί η μπαταρία, αλλά και από την ηλικία και την κατάστασή της. Πάντως αν θέλουμε να φορτίσουμε μια μπαταρία με φορτιστή, τότε, αν δεν υπάρχει ανάγκη ταχείας φορτίσεως καλό είναι να την φορτίζουμε με ρεύμα 1/10 έως 1/30 της χωρητικότητάς της. Στο παράδειγμα μας, αν η μπαταρία των 36 Ah ήταν τελείως αφόρτιστη, τότε θα χρειαζόταν 46,8 Ah για να φορτιστεί (36 x 1,3) και αν την φορτίζαμε με ρυθμό 1/10 θα έπρεπε να φορτιστεί με ρεύμα 1/10 x 46,8 = 4,68 δηλ. περίπου 5Α (για δέκα ώρες). Καλό είναι να μην φορτίζουμε τις μπαταρίες με πιο γρήγορο ρυθμό από 1/10 γιατί καταπονούνται, υπερθερμαίνονται, μπορεί να βραχυκυκλώσουν στοιχεία τους, μπορεί να πέσει η στάθμη του ηλεκτρολύτη κ.λ.π.

Γέμισμα υγρών

Υπάρχει η περίπτωση να θέλουμε να γεμίσουμε μια καινούργια, στεγνή μπαταρία με υγρό. Στην περίπτωση αυτή πρέπει να αραιώσουμε πυκνό θειικό οξύ στη σωστή πυκνότητα. Πρέπει να προσέχουμε πάρα πολύ κατά την διάρκεια της διαδικασίας και να φοράμε γυαλιά ασφαλείας και προστατευτικά ρούχα (γάντια, ποδιά κ.λ.π). Πριν να αραιώσουμε το οξύ πρέπει να κάνουμε έναν υπολογισμό της ποσότητας που χρειαζόμαστε. Είναι σημαντικό να ρίχνουμε το οξύ στο νερό και ποτέ το νερό στο οξύ. Κατά τη διάρκεια της αραιώσεως παράγεται σημαντική ποσότητα θερμότητας και το οξύ πρέπει να προστίθεται αργά και να αναδεύεται μέχρι να πετύχουμε την σωστή πυκνότητα. (σχ.7).

Ηλεκτρεγερτική δύναμη

Η ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) μιας μπαταρίας είναι η τάση η οποία μετριέται στους ακροδέκτες της όταν δεν υπάρχει εξωτερικό φορτίο. Η ΗΕΔ εξαρτάται από την πυκνότητα του ηλεκτρολύτη και εκφράζεται από την παραπάνω προσεγγιστική σχέση:

ΗΕΔ = πυκνότητα + 0,84 / στοιχείο

Έτσι αν μετρήσουμε με το πυκνόμετρο πυκνότητα 1,25 θα έχουμε:
Τάση στοιχείου : 1,25 + 0,84 = 2,09 V
Tάση μπαταρίας: 2,09 x 6 = 12,54V
(πολλαπλασιάζουμε με 6 γιατί μια δωδεκάβολτη μπαταρία έχει 6 στοιχεία σε σειρά).

Εσωτερική αντίσταση

Οι μπαταρίες είναι και αγωγοί. Έτσι παρουσιάζουν κάποια αντίσταση στη ροή του ρεύματος. Αυτή ονομάζεται εσωτερική αντίσταση. Στην περίπτωση των μπαταριών των αυτοκινήτων αυτή είναι πολύ χαμηλή. Ένας από τους λόγους που προτιμούνται οι μπαταρίες μολύβδου στα αυτοκίνητα, είναι η χαμηλή εσωτερική τους αντίσταση. Καθώς το ρεύμα εκκινήσεως είναι πολύ μεγάλο, αν η μπαταρία είχε υψηλή εσωτερική αντίσταση θα παρουσίαζε απαράδεκτη πτώση τάσεως. Στο Σχ.8 φαίνεται μια μπαταρία με την ισοδύναμη εσωτερική της αντίσταση. Ένα αριθμητικό παράδειγμα δείχνει ότι αν η εσωτερική αντίσταση ήταν 0,05 Ω και η Vo ΗΕΔ 12V τότε αν υπήρχε ρεύμα 10 A θα είχαμε:
V = ΗΕΔ – r I,
όπου:
V = τάση στους πόλους
ΗΕΔ = ηλεκτρεγερτική δύναμη
r = εσωτερική αντίσταση
Ι = ρεύμα που περνάει
τότε:
V = 12 – (0,05 x 10) => V = 115V
με ίδιους υπολογισμούς προκύπτουν τα παρακάτω:
ΗΕΔ (V) ρεύμα (Α) εσωτερική πτώση τάσεως (V) τάση στους πόλους

12 10 0,5 11,5
12 20 1,0 11,5
12 50 2,5 9,5
12 100 5,0 7,0

Αυτό το παράδειγμα μας δείχνει μια μπαταρία με μεγάλη εσωτερική αντίσταση. Ρεύμα της τάξεως του 60Α, όταν γυρίζει η μίζα, δεν είναι ασυνήθιστο. Βλέπουμε ότι με μια τέτοια μπαταρία η τάση στους πόλους θα ήταν μικρότερη από 9,5 V. Στην πραγματικότητα μια καλή μπαταρία μολύβδου έχει εσωτερική αντίσταση 0,005 Ω. Έτσι για ρεύμα 60Α έχουμε πτώση τάσεως:

V = 0,005 x 60 = 0,3 V.

Δηλαδή όταν δουλεύει η μίζα το ρεύμα γίνεται:

12V – 0,3V = 11,7V.

Η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας οφείλεται σε διάφορες επί μέρους αντιστάσεις, όπως η αντίσταση ανάμεσα στα ηλεκτρόδια και τον ηλεκτρολύτη, η αντίσταση των πλακών, η αντίσταση στις εσωτερικές συνδέσεις, η αντίσταση του ηλεκτρολύτη στην ροή των ιόντων (τα ιόντα είναι ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια τα οποία κινούνται στον ηλεκτρολύτη). Επιπροσθέτως, η εσωτερική αντίσταση εξαρτάται από την στάθμη φορτίσεως και την θερμοκρασία της μπαταρίας. Όσο εκφορτίζεται η μπαταρία ή πέφτει η θερμοκρασία της, τόσο αυξάνεται η εσωτερική αντίσταση. Οι κατασκευαστές μπορούν να μεταβάλλουν την εσωτερική αντίσταση αυξομειώνοντας την επιφάνεια των πλακών. Οι μπαταρίες με μεγάλο αριθμό πλακών (άρα και με μεγαλύτερη χωρητικότητα) έχουν χαμηλότερη εσωτερική αντίσταση. Καθώς οι μπαταρίες γερνάνε, ένα από τα προβλήματα που προκύπτουν είναι η αύξηση της εσωτερικής αντιστάσεώς τους. Σαφώς φτάνει ένα σημείο όπου δεν υπάρχει επαρκής πολική τάση για να γυρίσει την μίζα αρκετά γρήγορα για να ξεκινήσει ο κινητήρας. Για ένα ξεκίνημα σε ένα κρύο πρωί χρειάζεται παραπάνω ροπή για να περιστρέψει στον στρόφαλο και οι ελάχιστες στροφές για να ξεκινήσει ο κινητήρας είναι γύρω στις 100 r.p.m. Κάτω από τέτοιες συνθήκες φαίνεται αν η μπαταρία έφτασε στο τέλος της ζωής της.

Επιλογή μπαταρίας

Συνήθως οι κατασκευαστές οχημάτων τοποθετούν μπαταρίες οι οποίες είναι αρκετά μεγάλες για να περιστρέψουν τον κινητήρα κάτω από δεδομένες συνθήκες, συνήθως σε θερμοκρασία -30ο υποθέτοντας φόρτιση 70%. Δοκιμές στα αυτοκίνητα καθορίζουν το ελάχιστο ρεύμα που απαιτεί η μίζα σε αυτές τις συνθήκες και με αυτά τα στοιχεία επιλέγεται μπαταρία με επαρκή χωρητικότητα.

Επίδραση της θερμοκρασίας

Σε χαμηλές θερμοκρασίες, ο ηλεκτρολύτης θα είναι πιο πυκνός και θα έχει μεγαλύτερο ειδικό βάρος αλλά παρ’ όλα αυτά οι χημικές αντιδράσεις μέσα στην μπαταρία είναι πιο αργές και το τελικό αποτέλεσμα είναι η μείωση της χωρητικότητάς της μπαταρίας σε συνάρτηση με την θερμοκρασία. Στο σχ.9 φαίνεται μια τυπική χαρακτηριστική καμπύλη όπου φαίνεται η διασταύρωση (στους -20οC) ανάμεσα στο παρεχόμενο και στο απαιτούμενο ρεύμα για την εκκίνηση δεδομένου αυτοκινήτου. Η μπαταρία πρέπει να προστατεύεται από πάγωμα, ειδικά όταν είναι σε χαμηλή στάθμη φορτίσεως γιατί τότε το ποσοστό νερού στον ηλεκτρολύτη είναι μεγαλύτερο και υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα παγώματος. Μια καλή φόρτιση είναι ένα καλό μέτρο κατά του παγώματος. Η εξάρτηση του ορίου παγώματος από την πυκνότητα του ηλεκτρολύτη φαίνεται στο Σχ.10 καθώς και η εξάρτηση από την στάθμη φορτίσεως. Μια παγωμένη μπαταρία δίνει πολύ χαμηλό ρεύμα, αλλά δεν παθαίνει μόνιμη βλάβη, αν και μπορεί να παρουσιαστούν ρωγμές στο κέλυφός της. Αυτό συμβαίνει γιατί ο παγωμένος ηλεκτρολύτης δε διαστέλλεται και παραμένει σε μία κατάσταση ζελέ. Πρέπει να σημειωθεί ότι η επαναφόρτιση όταν η μπαταρία έχει παγώσει είναι δύσκολη εφ’όσον μόνο ένα πολύ χαμηλό ρεύμα μπορεί να περάσει. Δεν πρέπει να συμπληρώνουμε υγρά σε μπαταρίες όταν η θερμοκρασία τους είναι κάτω από το σημείο πήξεως του νερού (0οC).

Back to Top
error: Content is protected !!