SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA

1130313

NÁZOV FAKULTYNÁZOV VYSOKEJ ŠKOLY

ZISŤOVANIE ZÁVISLOSTI KVALITY NABITIA BATÉRIÍ

OD ČASOVÉHO PRIEBEHU NABÍJACIEHO PRÚDU

2010 Daniel Medveď

SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA

TECHNICKÁ FAKULTA

ZISŤOVANIE ZÁVISLOSTI KVALITY NABITIA BATERIÍ

OD ČASOVÉHO PRIEBEHU NABÍJACIEHO PRÚDUBakalárska práca

Študijný program: Prevádzka dopravných a manipulačných strojov

Študijný odbor: 23 02 700 Dopravné stroje a zariadenia

Školiace pracovisko:Katedra elektrotechniky, automatizácie a

informatiky

Školiteľ: Bohumír Brachtýr, Ing

Konzultant: Bohumír Brachtýr, Ing

NITRA, 2010 Daniel Medveď

Čestné vyhlásenie

Podpísaný Daniel Medveď vyhlasujem, že som záverečnú prácu na tému

„Zisťovanie závislosti kvality nabitia batérií od časového priebehu nabíjacieho prúdu“

vypracoval samostatne s použitím uvedenej literatúry.

Som si vedomý zákonných dôsledkov v prípade, ak uvedené údaje nie sú pravdivé.

Nitra 2011 Daniel Medveď

Poďakovanie Ďakujem Ing. Bohumírovi Brachtýrovi za odbornú pomoc a cenné rady pri

vypracovaní mojej bakalárskej práce.

..........................................

Daniel Medveď

Abstrakt

Počet elektrických zariadení, s ktorými prichádzame do styku rastie každou

hodinou. Stupňujú sa aj požiadavky na výkon zdroja energie pre tieto prístroje. Ide

o zdroje (akumulátory, primárne a sekundárne články), ktoré sú nezávislé na elektrickej

sieti.

Dnes už vieme, že elektrochemické články s možnosťou nabíjania sú

hospodárnejšie a šetrnejšie k okoliu ako suché primárne články. Veľká kapacita

akumulátorov a dlhá životnosť je samozrejmou požiadavkou pri kúpe

elektrochemických článkov.

Aby sme sa vedeli správne rozhodnúť pre kúpu nabíjačky musíme poznať akými

parametrami disponujú nabíjacie obvody a hlavne ich musíme vedieť porovnať

s našimi požiadavkami. Pre dosiahnutie najlepších výsledkov je nevyhnutné pozorovať

vývoj nabíjacích obvodov a akumulátorov.

Každá domácnosť sa snaží znížiť spotrebu energií a jedným z týchto spôsobov je

aj efektívne využitie nabíjačiek pre akumulátory, napr. mobilné telefóny, rôzne

prehrávače, fotoaparáty, kamery, osvetľovacie zariadenia a mnoho ďalších.

Moja práca sa zaoberá porovnaním kvality nabitia akumulátorov od časového

priebehu nabíjacieho prúdu.

Kľúčové slová: elektrochemické články, nabíjacie obvody, kapacita, nabíjací prúd

a vnútorný elektrický odpor.

Abstract

Anzahl von elektrischen Geräten, mit denen sie in Berührung kommt, wächst

stündlich. Stepping auf die Anforderungen der Energie-Versorgung für diese Geräte. Es

ist eine Quelle (Batterien, primären und sekundären Zellen), die unabhängig von dem

Stromnetz sind.

Heute wissen wir, dass die elektrochemische Zellen mit der Möglichkeit der

Aufladung sparsamer und weniger schädlich für die Umwelt als trocken primären

Zellen ist. Akku mit großer Kapazität und eine lange Lebensdauer ist eine

offensichtliche Voraussetzung für den Erwerb von elektrochemischen Zellen.

Dass wir in der Lage, richtig entscheiden, ein Ladegerät wir wissen, wie Parameter

Ladeschaltungen, und vor allem ihre wissen müssen, um unseren Anforderungen zu

vergleichen, kaufen. Für optimale Ergebnisse ist es notwendig, die Entwicklung von

wiederaufladbaren Batterien und Schaltungen zu beobachten.

Jeder Haushalt versucht, den Energieverbrauch zu reduzieren und eine dieser

Methoden ist die effiziente Nutzung von Ladegeräten, zum Beispiel. Handys,

verschiedene Musik-Playern, Kameras, Lampen und vieles mehr.

Meine Arbeit beschäftigt sich mit dem Vergleich der Qualität der Laden von

Batterien aus der Ladestrom über die Zeit.

Schlüsselwörter: elektrochemischen Zellen, Ladeschaltung, Kapazität, Ladestrom und

der elektrische Widerstand.

Obsah

ÚVOD...............................................................................................................................9

1 Elektrochemické zdroje energie.............................................................................10

1.1 Vývoj sekundárnych zdrojov prúdu ...............................................................10

1.1.1 Základné pojmy................................................................................................10

1.1.2 Princípy elektrochemických zdrojov prúdu......................................................11

1.1.3 Použitie v praxi.................................................................................................12

1.2 Alkalické akumulátory......................................................................................14

1.2.1 Akumulátory Niklo-kadmiové..........................................................................15

1.2.2 Akumulátory Nikel-hydridové.........................................................................18

1.2.3 Akumulátory Lítium-Iónové.............................................................................19

1.3 Olovené akumulátory...........................................................................................20

1.4 Palivové články....................................................................................................22

1.5 Všeobecné zásady pri nabíjaní akumulátorov.................................................23

1.5.1 Nabíjanie podľa charakteristiky U....................................................................24

1.5.2 Nabíjanie podľa charakteristiky I.....................................................................25

1.5.3 Podstata rýchleho nabíjania..............................................................................26

1.6 Zisťovanie parametrov elektrochemických zdrojov.......................................27

1.6.1 Meranie napätia naprázdno...............................................................................28

1.6.2 Meranie vnútorného odporu...........................................................................28

1.6.3 Meranie impedancie.........................................................................................29

1.6.4 Meranie kapacity..............................................................................................30

1.7 Nabíjacie obvody pre akumulátory..................................................................30

1.7.1 Jednocestné a mostíkové nabíjacie obvody.....................................................31

1.7.2 Nabíjačky akumulátorov s odporovým obmedzením prúdu............................34

1.7.3 Integrované obvody pre riadenie nabíjacieho procesu...................................35

1.7.4 Obvody pre riadenie rýchleho nabíjania od firmy MAXIM............................36

1.7.5 Nabíjacie obvody od firmy ICS.......................................................................39

2 CIEĽ PRÁCE...........................................................................................................41

3 METODIKA PRÁCE..............................................................................................42

4 VLASTNÁ PRÁCA.................................................................................................43

4.1 Koncepcia riešenia úlohy...................................................................................43

4.1.1 Nabíjací obvod.................................................................................................44

4.1.2 Generátor tvarových priebehov.......................................................................45

4.1.3 Zosilňovací obvod............................................................................................46

4.1.4 Merací a riadiaci obvod...................................................................................47

4.1.5 Akumulátor NiCd............................................................................................51

4.2 Riešenie úlohy.....................................................................................................52

4.3 Vlastné meranie..................................................................................................54

4.4 Výsledky meraní.................................................................................................56

5 ZÁVER.....................................................................................................................58

6 POUŽITÁ LITERATÚRA......................................................................................60

PRÍLOHA.................................................................................................................61

8

Úvod

Vo vývoji elektrochemických zdrojov energie bolo dosiahnuté nespočetné

množstvo úspechov, ale rýchlosť vynálezov a elektronických súčiastok silne predčí

vývoj pokiaľ ide o rozmery, váhu a výkon. Konkrétnym príkladom sú prenosné

počítače, mobilné telefóny, meracie prístroje a iné. Kvôli týmto potrebám sa snažíme

zlepšovať výkon a kapacitu, zmenšovať rozmery článkov, či chemickým zložením

(elektrolytu alebo elektród) alebo spôsobom a rýchlosťou nabíjania. Vzhľadom k tomu,

že na trhu predávame lacné nabíjačky sú väčšinou jednoúčelové, kvôli čomu sa oplatí

ich hromadná výroba. Preto sa aj v dnešnej dobe oplatí výroba amatérskych nabíjačiek

používané na konkrétne účely. Cieľom tejto práce je priblížiť problematiku dosiahnutia

maximálneho nabitia akumulátorov a porovnať jednotlivé hromadne vyrobené

nabíjačky s amatérsky vyrobenými a prispôsobenými na dosiahnutie najlepších

vlastností akumulátorov. Kvôli veľkému množstvu sekundárnych (elektrochemických

článkov) akumulátorov sa v tejto práci zameriavam na alkalické akumulátory typu Ni-

Cd a Ni-MH. V závere práce graficky znázorňujem poznatky z meraní a vyhodnocujem

výsledky, ku ktorým som sa dopracoval meraním.

9

1 Elektrochemické zdroje energie

1.1 Vývoj sekundárnych zdrojov elektrickej energie

S elektrickou energiou sa ľudstvo stretávalo do konca 18.storočia len zriedkavo, aj

to len vo forme elektrostatického náboja, ktorý sa indukoval alebo akumuloval. K veľmi

významnému zvratu prispel taliansky vynálezca Alessandro Volta, ktorý zostavil prvý

elektrochemický zdroj elektrického prúdu. Bol to tzv. Voltov stĺp – prototyp

galvanického článku. Jeho unikátny vynález dal podnet pre mnohých odborníkov, ktorí

vynašli články ako Daniellov, Groveho, Buisenov a veľa iných. Boli to vynálezcovia

primárnych galvanických článkov, ktoré po vybití nebolo možné elektricky nabiť.

Elektrochemickému článku, ktorý po vybití, dodaním elektrického prúdu bolo

možné obnoviť kapacitu akumulátora nabitím elektrickým prúdom ďakujeme

francúzovi Gastonovy Plantého z roku 1859. Hovorilo sa o sekundárnom článku –

akumulátor. Neskôr sa ako vhodné na použitie používali olovené akumulátory sériovo,

bolo ich možné pohodlne nabíjať elektrickými generátormi prúdu. Na prelome 19. a 20.

storočia T.A.Edison patentoval akumulátor nikel-železo a nikel-kadmium, obidva

s elektrolytom.V súčasnej dobe sa používajú zdroje energie z nikel-hydrid alebo

lithium-ion, ktoré spôsobujú menšie alebo žiadne znečistenie prostredia.

1.1.1 Základné pojmy

Elektrochemické zdroje elektrickej energie sú zariadenia, v ktorých sa priamou

cestou premieňa chemická energia aktívnych materiálov na energiu elektrickú.

Akumulátor je sekundárny elektrochemický zdroj jednosmerného prúdu. Má

schopnosť hromadiť energiu jednosmerného elektrického prúdu a tú spätnou

elektrochemickou reakciou vrátiť do obvodu. Skladá sa z jedného alebo viacerých

článkov spojených sériovo-paralelne.

Kapacita akumulátora je jeho schopnosť dodávať určitú dobu elektrickú

energiu v požadovanej dobe do poklesu napätia na prípustnú hodnotu. Udáva sa

v ampérhodinách (A.h).

Elektrolyty sú roztoky alebo taveniny, ktoré vedú elektrický prúd. Vznikajú

obvykle rozkladom iónových zlúčenín. V elektrolytoch sa neprenáša elektrický prúd

10

elektrónmi ako u kovových vodičoch, ale iónmi. Ióny sú oproti elektrónom menšie,

takže vodivosť je u elektrolytu nižšia.

Samovybíjanie je úbytok náboja s časom bez toho, aby bol článok alebo

akumulátor vybíjaný cez záťaž (spotrebič). Samovybíjací prúd prechádza medzi

elektródami vo vnútri článku. Je to nepríjemná vlastnosť akumulátorov.

Životnosť akumulátora je to čas používania akumulátora za predpísaných

podmienok. Vyjadruje sa spravidla počtom cyklov alebo dobou, počas ktorých je

akumulátor funkčný a schopný dodávať elektrický prúd.

1.1.2 Princípy elektrochemických zdrojov prúdu

Galvanické články podľa L. Galvaniho pomenované zariadenie na priamy prevod

chemickej energie na elektrickú. Skladá sa z dvoch rozdielnych, prevažne kovových

elektród, ktoré sú ponorené do spoločného elektrolytu, resp. do dvoch elektrolytov

oddelených pórovitou prekážkou, bez toho aby sa vzájomne dotýkali. Vo vonkajšom

vodiči, ktorý spája elektródy, vzniká elektrický prúd. Pre vznikajúce napätie na

elektródach, ktoré vyvolá el. prúd, je rozhodujúce postavenie dotyčných látok v

elektrochemickom napäťovom rade. Prvý galvanický článok zostrojil r. 1800 N. Volta.

Článok, vynájdený francúzskym chemikom G. Leclanché (1839 až 82), dosiahol v

suchej batérii napätí 1,5 V. V zinkovej nádobe ako negatívnej katóde a v elektrolyte z

10–20% roztoku salmiaku sa ako anóda nachádza uhlíková tyčinka, ktorá je obklopená

burelom, umiestneným do vrecúška alebo hlineného valca. V bureli oxiduje vznikajúci

vodík na vodu. Vznikajúca elektromotorická sila má hodnotu 1,5 V.

Galvanické články môžeme rozdeliť na:

a) primárne články: premieňajú chemickú energiu na elektrickú.

b) sekundárne články: dajú sa nabíjať a vybíjať a znovu nabíjať.

c) palivové články: dodávajú elektrický výkon tak dlho, pokiaľ je im privádzané

palivo.

a) Primárne články majú obmedzené množstvo reaktantov. Pri vybití článku sa

reaktanty premieňajú na produkty, ktoré sa už nedajú opätovne nabiť vonkajším

elektrickým prúdom a znovu z nich vytvoriť reaktanty. Sú vhodné do zariadení, ktoré

majú malú spotrebu prúdu pri dlhodobom zaťažení, avšak majú výhodu voči

11

nabíjateľným batériám a to takú, že nestrácajú kapacitu samovybíjaním. Najbežnejším

primárnym článkom sú články s Burelovou katódou a zinkovou anódou.

Pretože primárne zdroje energie (galvanické články) celkom nevyhovujú našim

potrebám a sú relatívne veľkou záťažou pre životné prostredie, prišlo k veľkému

rozvoju sekundárnych prenosných zdrojov energie - rôznych typov hermeticky

uzavretých akumulátorov.

b) Sekundárne články sú podobné primárnym článkom z hľadiska zloženia majú

tiež malé množstvo reaktantov. Reakčné produkty, ktoré sa produkujú pri používaní

článku sa pri prechode elektrického prúdu z vonkajšieho zdroja dajú dať do pôvodného

stavu a premenia sa na aktívne reaktanty. Sú to teda články určené na nabíjanie. Pretože

napätie jedného článku je len 1,2 voltu až 2,0 voltu, závisí od typu, tak kvôli využitiu

spájame články do akumulátorovej batérie. Napríklad bežná sériovo vyrábaná

automobilová batéria s napätím 12 voltov, je zložená zo šiestich elektrochemických

článkov. Podľa zloženia elektrolytu sa akumulátory delia na kyslé, olovené a alkalické.

Jedným z hlavných parametrov, ktoré pri výbere berieme do úvahy, je počet cyklov

nabitia a vybitia, iným slovom životnosť. Kvalitu akumulátorov ovplyvňuje aj pasivita

elektród, samovybíjanie, spôsob používania a iné faktory.

c) Palivové články dostali pomenovanie podľa ich činnosti, tzv. studenom

spaľovaní paliva. Palivový článok je vlastne galvanický článok na premenu chemickej

energie plynnej látky (vodíka) na energiu elektrickú. Ako palivo sa dá použiť vodík,

formaldehid, amoniak, metan, metanol, zemný plyn, etanol a kyselina mravenčia. K

premene dochádza pri katalytickej reakcii s oxidovadlom na elektródach. Palivové

články sa vyznačujú vysokou účinnosťou premeny energie (85%) a ekologickými

výhodami, jediným odpadovým produktom je voda. Najznámejším palivovým článkom

je článok kyslíkovodíkový.

Na to, aby sme pochopili fungovanie galvanických článkov a akumulátorov si

musíme vysvetliť elektrickú vodivosť kvapaliny a jej praktické využitie. V kvapalinách

sprostredkujú elektrický prúd voľné pohyblivé katióny a anióny. Vodivé roztoky

nazývame elektrolyty. Vznikajú rozpustením iónovej zlúčeniny v nejakom rozpúšťadle.

Elektrolyty sú vodné roztoky mnohých solí (NaCl, KCl), kyselín (H2SO4, HNO3) a

zásad (KOH, NaOH). Ióny spolu s molekulami rozpúšťadla vykonávajú neustály a

neusporiadaný pohyb. Ak do elektrolytu vložíme dve elektródy a pripojíme ich ku

svorkám jednosmerného zdroja napätia, vznikne medzi elektródami elektrické pole vo

12

vnútri elektrolytu, ktoré vyvolá usmernený pohyb iónov v roztoku (iónová vodivosť).

Katióny sa začnú pohybovať ku katóde pripojenej k zápornej svorke zdroja a anióny k

anóde (elektróde pripojenej ku kladnej svorke zdroja). S prenosom náboja pozorujeme

tiež prenos látky. Usporiadaný pohyb iónov v el. poli medzi elektródami tvorí el. prúd v

elektrolyte. Podľa dohody je smer prúdu určený smerom pohybu kladných iónov.

Usporiadaný pohyb iónov v elektrolyte končí na elektródach, kde ióny odvádzajú

náboje a vylučujú sa na povrchu elektród ako atómy, alebo molekuly, alebo chemicky

reagujú s materiálom elektródy, či elektrolytom. Dej, pri ktorom priechodom el. prúdu

elektrolytom dochádza k látkovým zmenám nazývaným elektrolýza.

1.1. 3 Použitie v praxi

Akumulátor je elektrochemický zásobník el. energie, ktorý je možné opakovane

nabíjať. Pri nabíjaní akumulátoru cez jeho elektródy sa elektrická energia mení na

chemickú, pri vybíjaní sa opäť uvoľňuje elektrická energia. Akumulátory existujú iba

pre jednosmerný prúd. Poskytujú prúd nezávisle na elektrickej sieti a umožňujú

vyrovnávanie prúdových špičiek. Stav nabitia akumulátoru sa kontroluje stanovením

hustoty elektrolytu. Sériovým zapojením niekoľkých článkov za sebou do batérie sa

znásobuje napätie, paralelné zapojenie zvyšuje kapacitu. Doposiaľ najpoužívanejší je

olovený akumulátor, vynájdený v roku 1859 Francúzom Gastonom Planté. Jeho

základom sú dosky zhotovené z inertného nosiča, ktorý je upravený do tvaru mriežky,

aby mal čo najväčší povrch. Na mriežku sa nanáša pasta tvorená síranom olovnatým a

kyselinou sírovou, ktorá sa používa aj ako elektrolyt (20% roztok). Dosky sú oddelené

tzv. separátorom, ktorý je zhotovený zo sklenenej vaty a obsahuje ďalšie prímesi.

Pokiaľ k elektródam pripojíme zdroj jednosmerného elektrického prúdu, na katóde sa

bude vylučovať tmavošedé olovo a na anóde sa bude vytvárať vrstvička

červenohnedého oxidu olovičitého. Týmto spôsobom vznikne sústava, ktorá sa dá po

odpojení zdroja jednosmerného elektrického prúdu využiť ako galvanický článok.

Podľa účelu použitia delíme akumulátory do určitých skupín. Takzvané

priemyslové staničné akumulátory s kapacitou článkov rádovo od tisíc ampérhodín.

Akumulátory, ktoré sú dobíjané permanentne, nepretržite sa nazývajú staničné

akumulátory. Slúžia ako náhradný zdroj pri výpadku elektrickej energie zo siete

v energetike, telekomunikáciách, rádio komunikáciách a pod. Behom svojho života

prejdú len malým počtom cyklov. Životnosť akumulátora sa udáva v rokoch prevádzky.

13

Na pohon elektrických vozíkov, ako sú vysokozdvižný vozík, elektromobil a iné

manipulačné zariadenia slúžia trakčné batérie. Pracujú v cyklickom nabíjaní a vybíjaní.

Životnosť týchto akumulátorov sa udáva v počte cyklov.

Štartovacie akumulátory dodávajú elektrickú energiu ukrytú v článkoch pri

zapaľovaní spaľovacích motorov vozidiel, lodí, lietadiel a iných zariadení. Ich

prevádzka v charakteristická tým, že sú krátko vybíjané veľkými prúdmi (čas

štartovania), kedy sa vybije iba zlomok ich kapacity a počas celej prevádzky vozidla

(zariadenia) sú trvalo nabíjané, tak aby sa udržiavali v nabitom stave.

Prístrojové akumulátory sa používajú prevažne ako jediný zdroj energie v rôznych

mobilných zariadeniach, napríklad meracích prístrojoch, mobilných telefónoch,

fotoaparátoch, videokamerách, prenosných počítačoch a iných. Ich kapacita sa pohybuje

od stotín po desiatky ampér hodín.

Elektrochemické zdroje prúdu môžeme deliť podľa ďalších hľadísk ako napríklad

ceny, odolnosti voči mechanickým namáhaniam, podľa doby uskladnenia, hodnote

kapacity, účinnosti, životnosti obsahu toxických látok, spôsobu likvidácie vyradených

článkov atď.

1.2 Alkalické akumulátory

Spoločným znakom tejto skupiny akumulátorov je použitie elektrolytu, ktorým je

vodný roztok hydroxidu alkalického kovu, najčastejšie KOH. Sú to vlastne

elektrochemické zdroje energie založené na chemickej reakcii medzi zinkom a uhlíkom

za prítomnosti alkalického elektrolytu. Podľa použitej hmoty elektród ich delíme na

NiCd (niklokadmiové), ktoré sú v súčasnej dobe najrozšírenejšie kvôli dostupnosti

a nižšej cene. Ich hlavnou nevýhodou bola ich nízka kapacita uchovania elektrického

náboja a silný pamäťový efekt. Boli to prvé komerčne využívané nabíjateľné

akumulátory. Ďalším nedostatkom je negatívny vplyv na životné prostredie, kvôli

toxickému kadmiu. Nikel-metal-hydrid (NiMH) boli predstavené spolu s lítiovými, ako

vylepšená, lacná alternatíva k drahším nabíjateľným batériám. Sú takmer neutrálne na

okolie. Ich nevýhodou je rýchla strata kapacity aj bez používania. V súčasnej dobe sa

s vývojom Niklo-zinkových (Ni-Zn) akumulátorov zaoberá množstvo firiem. Systém

má veľkú perspektívu v elektropriemysle pre motorové vozidlá , ako elektrické bicykle,

skútre a autá, pretože poskytuje vhodné napätie a dostatočnú mernú kapacitu. Na trhu

14

bežne nájdeme dva typy týchto článkov, jeden otvorený a druhý uzatvoreným obalom.

Rozdiel medzi nimi je v obsahu elektrolytu. Ďalším akumulátorom, s ktorým sa

môžeme stretnúť na trhu sú striebro-zinkové (Ag-Zn) majú v porovnaní s Ni-Cd vyššie

napätie a dosahujú vyššiu kapacitu na jednotku hmotnosti a objemu. Majú veľkú

účinnosť pri nabíjaní a malý vnútorný odpor, ich nevýhodou je vysoká cena a krátka

životnosť spôsobená zinkovou elektródou. Nabíjateľné batérie lítium – iónové (Li-Ion)

sú najpoužívanejším typom nabíjateľných batérií. Ich hlavnou prednosťou je vysoká

schopnosť uchovávať elektrickú energiu v menšom objeme článku. Schopnosť uchovať

elektrický náboj je až o 50% vyššia ako Ni-cd a NI-MH. Ďalšou výhodou je ich

absencia pamäťového efektu, ktorý spôsobuje zníženie kapacity. Spôsob nabíjania

lítiových batérií je iný ako nikel kadmiových. Môžeme ich nabiť aj za jednu hodinu.

Nevýhodou je ich nelineárna vybíjacia charakteristika, kvôli výraznému poklesu

napätia za pomerne krátky čas.

1.2.1 Akumulátory Niklo-kadmiové

Tieto akumulátory sú zložené z článkov s napätím 1,2 voltu. Článok Ni-Cd je

elektrochemický systém, ktorý je tvorený elektródami a elektrolytom uzavretom

v puzdre. Aktívnym prvkom anódy je hydroxid niklu NiO(OH), zápornú elektródu

tvorí kadmium. Aktívny materiál anódy sa vyrába sintrovaním (spekaním jemného

prášku) a kadmium je elektrolyticky nanášaný na oceľový nosič. Obe elektródy sú

oddelené separátorom zo syntetickej hmoty-nylon. Elektródy sú v alkalickom roztoku

nerozpustné v ktorejkoľvek fáze pracovného cyklu. Kvôli žiadnemu úbytku aktívnych

hmôt elektród počas chemickej reakcie je životnosť článku aktívne vysoká. Reakcie na

elektródach a v batérii sú reverzibilné avšak sú zložitejšie ako u olovených

akumulátorov. Chemické reakcie:

2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 Nabíjanievybíjanie 2NiO(OH) + Cd +

H2O

Pretože chemické reakcie nespôsobujú úbytok na elektródach, je životnosť

článku relatívne vysoká. Súčasní výrobcovia zaručujú 500 až 1000 cyklov, pokiaľ

články nenabíjame zrýchlene veľkými prúdmi a tiež ich nezaťažujeme vysokým

15

odberom alebo skratom. Väčšina článkov je opatrená poistným ventilom, ktorý odoláva

vnútornému tlaku do 1,5 MPa.

Použitím porovitých elektród bolo dosiahnuté objemovej účinnosti 150Wh/dm3

a energetickej hustoty 50Wh/kg. V súčasnej dobe dosahujú tieto články 30% svojej

teoretickej hustoty energie. Samovybíjaním sa stráca 25% celkovej kapacity.

Druh

článku

Pracovné

Napätie[V]

Hustota

energie[Wh/kg]

Objemová

účinnosť[Wh/liter]

Pamäťový

jav

Rýchlosť

vybíjania

[

%mesiac]

Pracovná

TeplotaoC

NiCd 1,2 45 150 Áno 25 -10 až 50

NiMH 1,2 70 230 Pokles

napätia

20-25 -10 až 50

Li-Ion 1,8 až 3 70 až 100 225 Nie 8 -20 až 50

Veľkosť samovybíjacieho efektu má dôležitú úlohu pri výbere článkov, z ktorých

je zostavený akumulátor. Výber treba dôkladne prešetriť pri zariadeniach, ktoré sa

používajú raz za čas. Nabíjanie akumulátorov, či už pomalé alebo rýchle je vo vyspelom

štádiu, existuje rada integrovaných obvodov, s ktorými je možno zostaviť inteligentnú

nabíjačku batérií. Pri nabíjaní je nutné vyvarovať sa dlhodobému zvýšeniu teploty

článku. Je veľmi dôležité nenabíjať čiastočne vybité články prúdom väčším ako 1/10

kapacity, aby sme sa vyhli pamäťovému javu. Pamäťový jav vzniká pri rýchlom aj

pomalom nabíjaní, keď je nevyhnutné ukončiť nabíjanie kvôli zvýšeniu teploty. Článok

si neskôr pamätá hodnotu aktuálnej kapacity, pri ktorej bolo ukončené nabíjanie. U

článkov s pamäťovým efektom narastú kryštáli aktívneho materiálu a zmenší sa účinná

plocha elektród, čo má za následok stratu kapacity. Materiál katódy je toxické

kadmium, jeho obsah v NiCd článku je až 20 % z celkovej hmotnosti elektród.

Poškodenie článku neúmyselnou zmenou polarity sa zabraňuje pridaním depolarizátora

do hmoty kladnej elektródy. K prepólovaniu môže dôjsť pretekaním vybíjacieho prúdu

ostatných článkov, s ktorými je spojený článok do série. Ako depolarizačná hmota sa

používa hydroxid kademnatý, pracuje účinne 2 až 3 hodiny.

16

Články sa vyrábajú vo valcom obale a v tvare hranola. Vďaka vnútornému odporu

sú stále aktívnym zdrojom pre spotrebiče, kde je treba dodávať veľké prúdy počas

krátkych cyklov, ako je pri používaní ručných náradí nezávislých na sieti.

Kvôli optimálnemu využitiu a životnosti je vhodné dodržiavať určité zásady,

ktoré sú udané výrobcom:

nezaťažovať trvale väčším prúdom ako 20% kapacity

v pohotovostnom režime je akumulátor vhodné udržiavať prúdom 1/50

menovitej kapacity

do batérie je dôležité spájať články rovnakej kapacity, inak by došlo

k prepólovaniu a zničeniu

samovybíjanie článkov sa dá zmierniť skladovaním pri nižšej teplote okolo

6oC

Rýchle nabíjanie sa používa u akumulátorov so spekanými elektródami. Podľa

konštrukcii sa články môžu nabíjať konštantným prúdom od 0,3 CA po dobu 4 hodiny

a teplotnom rozsahu 0°C až + 45°C. Podmienkou je, aby teplota nepresiahla +45 °Ca

nebola prekročená hodnota 1,6 Volta na článok. Ku koncu nabíjania dochádza

k prechodnému nárastu napätia. Nárast napätia je tým výraznejší, čím väčším prúdom

nabíjame akumulátor, ako je to vidieť na obr.1. pre Ni-Cd a na obr.2. pre NiMh.

Obr. 1 . Nabíjacia charakteristika Ni-Cd článku pri teplote 25 °C.

(1-nabíjací prúd 0,1 CA, 2-nabíjací prúd 0,5 CA, nabíjací prúd 1,0 CA)

17

1.2.2 Akumulátory Nikel-metalhydridové

Základným rozdielom oproti Nicd článkom spočíva v použití kovovej zliatiny,

absorbujúci vodík (namiesto kadmia) na vytvorenej zápornej elektródy. Elementom

tejto zliatiny je lantanum-niklu, kvôli dosiahnutiu vyššej životnosti. Anódu tvorí

práškový nikel, ktorý sa počas nabíjanie transformuje na hydroxid niklu. Na zápornej

elektróde sa ako produkt nabíjania zúčastňuje metalhydrid. U NIMH článkoch je

elektróda oproti kladnej kapacitne predimenzovaná a dokáže pohltiť veľké množstvo

vodíku, ktorý vzniká pri vybíjaní veľkými prúdmi a kyslíka pri prebíjaní. Elektródy sú

nerozpustné v elektrolyte. Elektrolytom je hydroxid draselný. Objemová účinnosť

článku NiMH je 230 Wh/dm3. To je v porovnaní s NiCD oveľa vyššia hodnota. Napätie

naprázdno je 1,2 Voltu, kvôli tomuto parametru sa nahradzujú články Nicd, ktoré sú

škodlivé na okolie. Avšak má aj nevýhody, má veľký samovybíjací prúd a stráca

kapacitu pri skladovaní pri vyššej teplote ako 6 oC. Naopak pri používaní článkov pri

nižšej teplote ako izbovej 20oC je nevýhodné kvôli trvalému znižovaniu kapacity.

Články NIMH neobsahujú žiadne prvky nebezpečné pre životné prostredie a to je ich

výhoda, vlastne prednosť voči ostatným článkom. Nestretávame sa u nich ani

s pamäťovým efektom, ktorý spôsobuje zníženie kapacity. Články môžu pracovať

v ľubovoľnej polohe. Pokiaľ by sa nedokázal vyrovnať s tvorbou plynu pri nabíjaní

a vybíjaní veľkými prúdmi, je článok vybavený poistným ventilom. Ni-Mh články sú

výhodné kvôli vysokému odberovému prúdu a nízkemu vnútornému odporu.

Výhodou oproti Nicd článkom je ich zloženie, ktoré neobsahuje toxické látky.

Majú väčšiu kapacitu a kvôli tomu potrebujú dlhšiu dobu nabíjania. Môžu pracovať pri

vyšších teplotách až do 60 oC. Nemajú pamäťový efekt a sú menej citlivé na prebíjanie.

Na obrázku vidieť nabíjaciu charakteristiku Ni-MH článku rôzne veľkými prúdmi.

18

Obr. 2 .Nabíjacia charakteristika Ni-MH článku pri teplote 25 °C, (1-

nabíjací prúd 0,1 CA, 2-nabíjací prúd 0,5 CA, nabíjací prúd 1,0 CA

1.2.3 Akumulátory Lítium-iónové

Tieto akumulátory sa stávajú najpoužívanejším typom zdrojom energie na trhu.

Hlavnou prednosťou Li-Ion akumulátorov je ich vysoká schopnosť uchovávať

elektrickú energiu v menšom objeme článku. Ďalšou výhodou je absencia pamäťového

efektu, ktorý spôsobuje znižovanie kapacity akumulátorov.

Spôsob nabíjania lítiových akumulátorov sa líši od Ni-Cd a Ni-Mh, kvôli

rýchlosti nabíjania. Lítiové sa nabíjajú pomalšie. Ak by sme pripojili na jeden článok

viac ako 4,2 Volta spôsobilo by to trvalé poškodenie článku alebo môže dôjsť až

k explózii akumulátora. Energia potrebná na nabitie akumulátora je približne 1,2-1,5

násobok uvádzanej kapacity.

Lítiové akumulátory majú uvádzaný životný cyklus približne 300 až 500

nabití/vybití. Strata výkonnosti akumulátorov Li-Ion, je predovšetkým starnutie.

Výrobcovia tento fakt často premlčujú a namiesto toho uvádzajú cyklus nabitia

a vybitia.

Výhody Li-Ion akumulátorov:

Majú vyššiu kapacitu ako Ni-Mh a Ni-Cd akumulátory

Nemajú pamäťový efekt

Pri nepoužívaní uchovávajú elektrický náboj dlhšie

Nepotrebujú starostlivosť- znamená, že ich netreba pravidelne nabíjať

a vybíjať

Sú šetrnejšie k životnému prostrediu

Nevýhody Li-Ion akumulátorov:

Starnú rýchlejšie ako Ni-Mh a Ni-Cd akumulátory

Dlhší čas nabíjania

Drahšie ako Ni-Mh a Ni-Cd akumulátory

19

1.3 Olovené (kyslé) akumulátory

Olovené akumulátory sú veľmi rozšíreným sekundárnym elektrochemickým

zdrojom prúdu. Vyrábajú sa v kapacitách od 1 do 10 000 A.h. Dôvodom je dobre

zvládnutá technológia výroby, relatívne nízka cena, spoľahlivosť a dostatočný výkon.

Elektrolytom v olovených akumulátoroch je voda zriedená kyselinou sírovou,

ktorá disociuje (rozkladá) na síranové ióny so záporným elektrickým nábojom

a vodíkové ióny s kladným elektrickým nábojom.

Do 1.stupňa: H 2SO4 - > HSO4 + H+

Ióny rozpustené v kyseline sírovej reagujú pri vybíjaní s aktívnym materiálom

elektród.

Elektróda záporná má stavbu z aktívneho materiálu olova, ktorá pri vybíjaní

uvoľňuje elektróny, ktoré reagujú so zápornými iónmi kyseliny sírovej za vzniku síranu

olovnatého.

Kladná elektróda, jej aktívnou hmotou je oxid olovičitý. Elektróny, ktoré sú pri

vybíjaní uvoľňované zápornými elektródami, putujú vonkajším obalom ku kladnej

elektróde.

Celková reakcia prebiehajúca v olovenom akumulátore je znázornená pomocou

chemickej rovnici:

Počas vybíjania dochádza k mechanickému namáhaniu elektród, tvoriacich zo

síranu olovnatého , ktorý má väčší objem ako aktívny materiál v nabitom stave. So

stupňom vybitia sa zmenšuje aj pórovitosť elektród, ktorá vedie k spomaleniu difúzii

iónov kyseliny sírovej do aktívnych hmôt. Sulfát(síran) olovnatý PbSO4 má veľmi zlú

elektrickú vodivosť, a preto s pribúdajúcim sulfátom vzrastá elektrický odpor

akumulátora. Na obr. 4. je graficky znázornená závislosť vnútorného elektrického

odporu na stupeň vybitia akumulátora s kapacitou C=100A.h.

Ióny kyseliny sírovej pri vybíjaní reagujú s aktívnymi hmotami elektród, preto

klesá hustota elektrolytu a tento pomer je priamo úmerný stavu vybitia akumulátora.

20

Podľa hustoty elektrolytu môžeme posudzovať stav vybitia akumulátora u týchto typov

akumulátorov.

Menovité napätie článku je 2,00 V. Pre určenie menovitého napätia

akumulátora so sériovým spojením článkov stačí vynásobiť menovité napätie

jedného článku s počtom článkov.

Konečné nabíjacie napätie je napätie, ktoré dosiahne akumulátor po plnom

nabití na konci nabíjania. S pokračujúcim nabíjaním konštantným prúdom sa

už hodnota napätia nemení. Podľa vnútorného odporu akumulátora, teploty

a veľkosti nabíjacieho prúdu býva v rozmedzí 2,4 až 2,8 V na článok.

Konečné vybíjacie napätie je predpísaná hodnota napätia akumulátora, pri

ktorom je vybíjanie považované za ukončené. Toto napätie závisí od

veľkosti vybíjacieho prúdu a od hodnoty vnútorného elektrického odporu

akumulátora.

Plynovacie napätie je napätie 2,4 V na článok, pri ktorom olovený

akumulátor začína intenzívne plynovať následkom elektrolýzy vody

v elektrolyte za vzniku vodíka a kyslíka. S rastúcim napätím sa elektrolýza

vody ďalej stupňuje.

Obr. 4. Závislosť vnútorného elektrického odporu na stupeň

vybitia akumulátora s kapacitou C=100A.h.

21

1.4 Palivové články

O výrobe elektrickej energie pomocou vodíka a kyslíka sme počuli už

v polovici 19. storočia. Vyskytli sa rôzne pokusy využiť túto technológiu na napájanie

elektrických zariadení.

Ako palivový článok funguje? Je to elektrochemický reaktor, konštrukčne

porovnateľný s galvanickým článkom, ktorý na základe chemickej reakcie medzi

palivom a oxidačným činidlom vyrába elektrickú energiu. Vedľajším produktom

spomínanej reakcie je teplo. Ide vlastne o opak elektrolýzy. Kým pri získavaní vodíka

a kyslíka z vody treba použiť elektrinu, v palivových článkoch sa naopak zlúčením

oboch prvkov uvoľňuje energia a premieňa na elektrický prúd, na konci procesu potom

zostáva voda.

Z technického hľadiska existujú rozličné typy palivových článkov, niektoré sú v

Tab.3. Zatiaľ čo jeden druh pracuje pri vysokých teplotách, iné fungujú pri nízkych.

Niektoré sa skladajú výlučne z pevných látok, ďalšie obsahujú tekutý alebo polotekutý

elektrolyt. No vo všetkých sa odohráva rovnaká reakcia – dve elektródy spája

elektrický vodič a obe sú oddelené elektrolytom, ktorý je nepriepustný pre plyny.

K anóde sa privádza vodík, ku katóde zasa vzduch alebo čistý kyslík. Na anóde

dochádza k rozkladu vodíka na elektróny a protóny. Tok elektrónov z anódy na katódu

v tomto elektrickom okruhu je využiteľný ako elektrický výkon.

Palivový článok oproti bežným akumulátorom dosahuje výrazne vyššiu

účinnosť pri porovnateľnej hmotnosti. Inými slovami, má vyššiu hustotu energie,

konkrétne 5- až 10-krát. Konfrontácia so spaľovacími motormi vychádza pre palivové

články takisto kladne. Ich účinnosť je v priemere asi dvojnásobná ako pri motoroch,

teda okolo 50 až 60 percent. Výhodou oproti elektrárňam a generátorom je vynechanie

mechanického medzistupňa, kde sa teplo, vodná či mechanická energia využívajú na

výrobu elektriny. Navyše sa výroba elektriny takto dá decentralizovať a súčasne sa aj

zlepší stabilita elektrických sietí.

22

Tab. 3. Druhy palivových článkov s komerčným využitím a ich parametre

Typ Palivo Okysličovadlo Elektrolyt Pracovná teplota Účinnosť Výkon

AFC vodík čistý kyslík hydroxid draselný 60 – 90 °C

článok 50 – 60 %systém 50 %

5 – 150 kW

PEMFC vodík vzduch polymérová membrána 50 – 80 °C

článok 50 – 60 %systém 30 – 50 %

5 – 250 kW

DMFC metanol vzduch polymérová membrána 60 – 130 °C článok 20 –

40 %mW – 100 kW

PAFC vodík vzduch kyselina fosforečná

160 – 220 °C

článok 55 %systém 40 %

50 kW – 11 MW

MCFC

vodíkmetánsvietiplyn (CO)

vzduch uhličitanová tavenina

600 – 650 °C

článok 60 – 65 %systém 47 %

100 kW

SOFC

vodíkmetánsvietiplyn (CO)

vzduch oxidová keramika

800 – 1000 °C

článok 55 – 65 %systém 55 – 60 %

100 kW

1.5 Všeobecné zásady pri nabíjaní akumulátorov

Uveďme niektoré zásady a podmienky obecne platné pre všetky typy

akumulátorov, ktoré nám pomôžu lepšie pochopiť princíp nabíjačiek akumulátorov.

Charakteristikou nabíjačky rozumieme voltampérovú závislosť medzi výstupným

napätím a nabíjacím prúdom. Nabíjačka, ktorá má charakteristiku zdroja konštantného

napätia, to znamená, že počas celého procesu nabíjania má konštantné napätie U.

Nabíjačka s charakteristikou konštantného prúdu, má počas celého procesu nabíjania

konštantný nabíjací prúd I. Dôležitým článkom technologického procesu obnovenia

energie akumulátorov je okrem obsluhy kvality nabíjačky aj iné faktory. Akumulátor je

vždy viac poškodzovaný špatným dobíjaním než vybíjaním. Špatne prispôsobená

kabeláž, kolísavé napätie v sieti, zastaraná nabíjacia technika a nedostatočná kontrola

23

nabíjacieho procesu, spolu s tvarom nabíjacej krivky, majú rozhodujúci vplyv na

dosiahnutie finálneho stavu a zároveň kvality nabitia akumulátora. Následkom

nedostatočného nabitia je postupné znižovanie kapacity akumulátora, čo v podstate

znamená skracovanie životnosti.

Účinnosť súčasných moderných nabíjačiek by nemala klesnúť pod úroveň 90%.

Optimum je okolo 93 až 95%. Pri rastúcich cenách elektrickej energie je tento faktor

veľmi dôležitým parametrom pri výbere a správnej obsluhe nabíjačiek. Ďalšou

možnosťou je posunutie začiatku nabíjania do ekonomicky vhodného časového pásma.

Najväčší vplyv na skrátenie životnosti má hlboké vybitie akumulátora. Tento

stav nejde ovplyvniť nabíjačkou, je výhradnou záležitosťou obsluhy.

1.5.1 Nabíjanie podľa charakteristiky U

Po pripojení akumulátoru ku svorkám nabíjačky začína nabíjanie veľkým

prúdom I. Ten spôsobuje rýchle ohriatie elektrolytu. Na obr. 4.a) je charakteristika

nabíjačky s konštantným napätím. Na obr. 4.b) je závislosť nabíjacieho prúdu a napätia

na čase. Veľkosť konštantného napätia má byť nastavená na plynovacie napätie

nabíjacieho akumulátora s pomerne veľkou presnosťou. Tento spôsob nabíjania

umožňuje nabíjať batérie paralelne zapojených vedľa seba. Je potrebné istiť nabíjací

transformátor proti veľkému prúdu, ktorý vzniká pri nabíjaní viacerých akumulátoroch.

Nabíjačky s charakteristikou U sa používajú pri nabíjaní dopravných

a štartovacích akumulátoroch, pri nabíjaní niklokadmiových a niklohydridových

akumulátoroch a pri striebrozinkových akumulátoroch.

Ideálnu charakteristiku U u nabíjačiek sa dá dosiahnuť najľahšie elektronickým

regulátorom. Sieťový transformátor a usmerňovacie diódy poskytujú jednosmerné

napätie. Regulačný člen mení svoju impedanciu tak, aby výstupné napätie bolo

konštantné.

24

Obr . 4 .Nabíjacie charakteristika nabíjačky s konštantným napätím

Obr.5. Princíp zdroja konštantného napätia

25

1.5.2 Nabíjanie podľa charakteristiky I

Nabíjačky s charakteristikou I sa používajú pri nabíjaní malých olovených

akumulátorov, pri ich uvádzaní do činnosti z centrálneho rozvodu jednosmerného prúdu

napríklad v nabíjarniach. Pri nabíjaní konštantným prúdom I = 0,1 QA je doba nabíjania

10 až 16 hodín. Pri nabíjaní niklokadmiových akumulátoroch je nabíjací prúd

obmedzený teplotou elektrolytu, v praxi volíme cca I=0,3 QA. Doba nabíjania

niklokadmiových batérií je asi 4 až 6 hodín. Výhodou nabíjačiek s konštantným prúdom

je skratu vzdornosť, ľahké zistenie dodanej energie akumulátoru ,samočinné vypínanie

pri preťažení. Takmer ideálnou prúdovou charakteristikou , ktorú sa dá zrealizovať

elektrickými obvodmi je na obr. 6. Regulačný člen mení svoj odpor v závislosti na

pretekajúcom odpore R , ktorý má na sebe úbytok napätia. Operačný zosilňovač

porovnáva tieto napätia a riadi regulačný člen napríklad tranzistor. Charakteristiku I sa

dá dosiahnuť aj pri neelektrických obvodoch napríklad s kondenzátorovým

obmedzením prúdu.

Obr. 6. Charakteristika nabíjačky s konštantným prúdom

Obr. 7. Princíp zdroja konštantného prúdu

26

1.5.3 Podstata rýchleho nabíjania

Okrem prioritných požiadaviek na kvalitu nabíjacej techniky, vzniká veľký

dôraz na krátkosť času nabíjania. Táto požiadavka je uplatňovaná najmä

v priemyselných prevádzkach, kde je daný veľký dôraz na pracovnú vyťaženosť

manipulačnej techniky. Dnes bežne používané akumulátory so 700 Ah kapacitou je

nutné v trojsmenných prevádzkach nabíjať do konečných znakov nabitia po dobu 6 až 7

hodín. Samozrejme požiadavky na rýchlu obnovu mobility platí pre všetky vozidlá

s nulovými emisiami.

Kritériám rýchlosti nabitia nejde v súčasnej doby vyhovieť inak ako použitím

nabíjačiek k tomuto účelu špeciálne vyvinuté. Skrátené doby nabíjania dokážu len

nabíjačky pracujúce s veľkými prúdmi a vhodne volenou nabíjacou charakteristikou,

ktoré sú strednofrekvenčné prístroje riadené mikroprocesorom. Vybavený korekciami

nabíjacích parametrov s meraním teploty akumulátorov . Pri teplotnej korekcii je

teplota snímaná sondou priamo na akumulátore, ktorá za spolupráci s riadiacou

jednotkou zamedzí alebo obmedzí nabíjecí prúd alebo úplné ukončí nabíjací cyklus.

27

Ďalšou výhodou týchto nabíjačiek je malá hmotnosť, malé rozmery, ale vysoká

účinnosť závislosti na tom aj energetická účinnosť. Podstata rýchleho nabíjania spočíva

v neustálom sledovaní vnútorného elektrochemického stavu batérie počas celého cyklu.

Názorný priebeh rýchleho nabíjania je na nasledujúcom obrázku.

Obr. 8. Názorná charakteristika rýchleho nabíjania akumulátorov

Na obr. 8. je z ľavej časti vidieť oblasť prebíjania(overcharge zone), táto oblasť

odpovedá účinnému nabíjaniu NiCd akumulátorov. Dodaný náboj sa pri veľkých

prúdoch zúčastňuje výlučne na účinnom nabíjaní. Nasleduje nabíjacia charakteristika

podbíjanie(undercharge zone), v ktorom prebieha tak isto ako v predchádzajúcej oblasti

účinné nabíjanie , ale pri zníženom prúde. Znížený prúd zabezpečuje, aby sa

neuvoľňovali plyny a netvorilo reakčné teplo vplyvom neúčinného nabíjania po celú

dobu nabíjacieho procesu.

1.6 Zisťovanie parametrov elektrochemických zdrojov

Medzi najbežnejšie meracie metódy ako merať a skúšať akumulátory patrí

meranie:

meranie napätia naprázdno,

28

meranie vnútorného odporu,

meranie impedancie,

meranie kapacity,

1.6.1 Meranie napätia naprázdno

Napätie Uo, čiže napätie naprázdno meriame na článku alebo akumulátore, ktorý je

nezaťažený(nemá pripojenú žiadnu záťaž na svorky), pomocou voltmetra s veľkým

vnútorným odporom a zodpovedajúcou presnosťou.

1.6.2 Meranie vnútorného odporu

Schéma na meranie vnútorného odporu článku alebo akumulátora je na obr. 9.

Vnútorný odpor označuje sa Rv sa meria pomocou voltmetra s veľkým vnútorným

odporom najprv naprázdno Uo, a následne sa zopne spínač S, ktorý nám pripojí záťaž R

a zmeriame svorkové napätie článku alebo akumulátora U.

Vnútorný odpor Rv vypočítame zo vzťahu

Rv = R.( Uo –U )/U

Vnútorný odpor Rv nie je konštantná veličina. Mení sa v závislosti od kapacity

článku alebo akumulátora. Behom nabíjania (TJ keď rastie kapacita akumulátora) sa

obvykle vnútorný odpor zväčšuje, čo má za následok zmenšenie pracovného napätia.

Tento parameter nám pomáha pri vhodnom výbere typu akumulátora pre napájanie

elektronických prístrojov.

Obr. 9. Schéma na meranie vnútorného odporu článku

29

1.6.3 Meranie impedancie článku alebo akumulátora

Dôležitou vlastnosťou elektrochemických zdrojov energie je ich vlastná

impedancia. Táto impedancia sa uplatňuje hlavne vtedy, keď používate v obvode

elektronické zosilňovače. Po určitej dobe by mohlo dôjsť ku zníženiu kvality signálu,

bez toho aby sa zmenšilo svorkové napätie na akumulátore, a závislosti na tom by sa

mohol zkresliť signál. Pre výrobcov elektroniky postačí vedieť impedanciu článku

nabitého a vybitého. Impedancia sa meria pomocou zapojenia na obr. 10.

K akumulátoru pripojíme zdroj striedavého prúdu s kmitočtom 1 kHz a striedavým

voltmetrom zistíme striedavú zložku napätia. Jednosmerný prúd odoberáme cez

tlmivku. Striedavý voltmeter M1 musí mať čo najväčší vnútorný odpor a kondenzátor

aspoň kapacitu 10 µF.

Obr. 10. Schéma na meranie impedancie akumulátora

Impedanciu Z vypočítame pomocou rovnice :

Z = U1/I

kde U1 je údaj voltmetra M1,

I je údaj ampérmetra M3.

1.6.4 Meranie kapacity

Kapacita článku a akumulátora sa značí C alebo Q. Udáva sa v ampérhodinách. Pri

meraní kapacity sa článok vybíja vybíjacím prúdom cez zaťažovací odpor a súčasne sa

meria svorkové napätie. Podľa typu akumulátora a počtu článkov vieme presne hodnotu

nabitého akumulátora a meriame čas kým nedosiahne hodnotu vybitého akumulátora.

30

Kapacitu akumulátora vypočítame pomocou vzťahu :

Q=Up .tR

A .h;V , h ,Ω

kde Up je priemerné svorkové napätie,

t je čas vybíjania,

R je zaťažovací odpor.

Kapacita je vlastne najdôležitejším parametrom všetkých akumulátorov

a článkov. Slúži na orientáciu pri výbere na určitú funkčnosť v elektronike.

1.7 Nabíjacie obvody pre akumulátory

Popis a návody ku stavbe najrôznejším druhov nabíjačiek sú obľúbenými

témami odborných časopisov. Nabíjačky sekundárnych článkov Nicd a NiMH

umožňujú výber medzi normálnym alebo zrýchleným spôsobom nabíjania. Na trhu sú

častejšie vyhľadávané nabíjačky so zrýchleným nabíjaním, kvôli tomu sa vyrábajú vždy

efektívnejšie nabíjacie obvody. Dôležitým článkom technologického procesu obnovenia

akumulátorov je okrem poctivosti obsluhy hlavne kvalita nabíjačiek. Akumulátor je

vždy viacej poškodení špatným nabíjaním než vybíjaním. Zle prispôsobená kabeláž,

kolísavé napätie sieti, zastaraná nabíjacia technika a nedostatočná kontrola nabíjacieho

procesu. Následkom nedostatočnom nabitia akumulátora je jeho postupné znižovanie

kapacity, čo v preklade znamená skracovanie životnosti. Existuje niekoľko kritérií,

ktoré nám pomôžu pri výbere vhodnej nabíjacej techniky. Prioritu ich dôležitosti však

musí stanoviť konečný zákazník. Pri výbere nám pomôžu parametre ako rýchlosť

nabitia, energetická účinnosť, korekcia nabíjania a teploty, nabíjacie charakteristiky.

Všetky nabíjačky predávané na území SR musia zodpovedať príslušným

technickým normám. V súčasnej dobe sa už jedná o mikroprocesorom riadené alebo

kontrolované nabíjačky – od prístrojov s nabíjacou charakteristikou W po prístroje

s charakteristikou IUIa. Konštrukčne najjednoduchšie prístroje s charakteristikou W,

dokážu na displeji informovať v reálnom čase užívateľa okrem základných údajov

31

o veľkosti prúdu a napätia, dodania náboja, teploty akumulátora atď. Vďaka kontrole

mikroprocesora je pozorovaná aj hodnota plynovacieho napätia, takže nebezpečenstvo

vyvarenej baterky je počas nabíjacieho procesu obmedzené na minimum. Konštrukčne

menej zložité ,avšak veľmi dlho používané sú nabíjačky s charakteristikou IUIa. Tento

typ šetrí baterku a zároveň predlžuje životnosť baterky.

1.7.1 Jednocestné a mostíkové nabíjacie obvody

K nabíjaniu NiCd a NiMH článkom je v praxi najvhodnejšia nabíjačka

s charakteristikou I. Články sa najčastejšie používajú u prenosových elektronických

zariadeniach, pre ktoré je dobrá ich vybíjacia charakteristika. Sú totiž schopné pracovať

so stálym svorkovým napätím až do vyčerpania svojej kapacity. Výrobca obvykle udáva

najvhodnejší nabíjací prúd, pri ktorom jeho prekročenie môže porušiť kompaktnosť

článku a môže vytekať jeho náplň. Neprekročí sa tento prúd články vydržia aj značné

prebíjanie. Uzavreté články sa odporúča nabíjať prúdom 1/10 kapacity článku.

Napríklad článok s kapacitou 225 mAh sa nabíja prúdom 22 mA po dobu 14 až 16

hodín. Pretože sa obvykle nabíjajú viac článkov naraz je nabíjačka riešená s článkami

do série.

Spoľahlivo nabíjať a dlhodobo udržať v dobrej kondícii články NiCd a NiMH

ide i s veľmi jednoduchým vybavením. Napríklad zdroj s jednocestným

usmerňovačom , vhodným k nabíjaniu jedného až šiestich článkov je na nasledujúcom

obrázku.

32

Obr. 15. Schémy najjednoduchších typov nabíjacích obvodov pre akumulátory

Obr. 16. Priebeh impulzného prúdu

prechádzajúci do nabíjacích článkov je obmedzovaní kondenzátorom C. Jedna

polvlna prúdu prechádza obvodom C-D1-akumulátor-R2 a opačná R2-D2-C.Oba články

sú teda nabíjané jednou polvnou o dobe trvania 10 ms. Rezistor R1 slúži k vybitiu

33

kondenzátora po odpojení prístroja od sieťovej zásuvky. Diódy D1 a D2 nemusia byť

dimenzované na veľké záverné napätie, lebo jedna chráni druhú. Jednou diódou

prechádza vždy prúd v jednom smere a úbytok napätia na nej nie je väčší ako 1V.

Kondenzátor C musí byť dimenzovaní na napätie siete. Jeho kapacitu ide vypočítať zo

vzťahu.

C=6,5 I /U (µF,mA,V)

I - Nabíjací prúd akumulátora

U - Napätie siete(50Hz)

K pomalému alebo normálnemu spôsobu nabíjania postačí použiť jednocestne

usmernený impulzný prúd, ktorý má polsínusový priebeh, ktorý trvá 10 ms. Impulzný

prúd zlepšuje uloženie dodávanej energie do aktívneho materiálu elektód. Chemický

proces je dynamickejší pri prechode impulzného ako vyhladeného prúdu.

Aby sa zabránilo pamäťovému efektu pri NiCd článkoch treba pred nabíjaním

zmerať, či neobsahuje článok ešte nejaký náboj. V prípade ,že je hodnota napätia na

jednom článku 1V je dôležité tento článok vybiť.

Za značnej teplotnej závislosti parametrov nabíjacích článkov vyplýva určité

obmedzenie teplotného rozsahu, v ktorom môžeme články bez straty na ich životnosti

bezpečne nabíjať. So zvyšujúcou teplotou sa znižuje napätie článku ako to je vidieť

z obr.17.

34

Obr. 17. Závislosť napätia po nabití článku NiCd na teplote.Dolná krivka udáva

hodnotu -3.3mV/oC,a horná krivka udáva hodnotu -4,15mV/oC.Články boli nabíjané po

dobu 14 hodín pulzným prúdom 0,16 CA.

1.7.2 Nabíjačky akumulátorov s odporovým obmedzením prúdu

K nabíjanie uzavretých niklokadmiových a niklemetalhydridových článkov sa

v praxi vyrábajú a používajú nabíjačky s charakteristikou I. Akumulátory sa používajú

najčastejšie u prenosných elektronických zariadeniach, pre ktoré je vhodná vybíjacia

charakteristika – sú totiž schopné pracovať so stálym svorkovým napätím až do úplného

vyčerpania kapacity článku, čo je vzhľadom na články burelové ich najväčšou

prednosťou. Výrobca udáva najvhodnejší nabíjací prúd, pri jeho prekročení sa môže

porušiť kompaktnosť článku a môže vytiecť náplň(elektrolyt). Pri dodržaní

a neprekročení tohto prúdu sa článok môže bezpečne prebíjať trvale, bez možnosti

poškodenia. Uzavreté Nicd a NiMH články sa doporučuje nabíjať prúdom číselne

rovnajúcim sa 1/10 kapacity C článku. Napríklad akumulátor s kapacitou 225 mAh sa

nabíja prúdom 22mAh po dobu 14 až 16 hodín. Pretože je málokedy používané

jednotlivé články sú nabíjačky riešené aby boli schopné nabíjať viacej článkov naraz.

Mechanická konštrukcia musí zabrániť užívateľom prísť do kontaktu so živými

časťami prístroja. Prúd prechádzajúci do článkov je obmedzovaný kondenzátorom C.

Jedna polvlna prúdu prechádza cez C-D1- akumulátor-R2 a opačná polvlna R2-D2-C.

Akumulátor je teda nabíjaní prvou polvlnou a druhou je vybíjaný cez odpor R2.Rezistor

R1 slúži k vybitiu kondenzátora po odopnutí od siete. Diódy nemusia byť dimenzované

na vysoké napätie, lebo pokiaľ je pripojený akumulátor chráni jedna dióda druhú.

Jednou diódou prechádza vždy prúd v priepustnom smere a napätie na dióde nie je

väčšie ako 1V. Kondenzátor C1 musí byť dimenzovaný na napätie siete. Jeho kapacitu

vypočítame zo vzorca C=6,5I/U [mikroF,mA,V]

Nabíjací prúd

U- napätie siete

U viacerých vreckových nabíjačiek sa používa mostíkový usmerňovač. V tomto

prípade prechádza akumulátor každá polvlna. V praxi to znamená, že stredná hodnota

prúdu bude dvojnásobná a frekvencia nabíjacieho prúdu bude 100Hz pri elektrickej sieti

230/50Hz.

35

Niekedy potrebujeme aby bol akumulátor pripojený k nabíjačke trvale a aby

sa jeho vlastnosti využívali iba pri výpadku siete. S takýmito prípadmi sa stretávame

napríklad u elektrických hodinách u zariadeniach s polovodičovým napätím. V tomto

prípade je možné nabíjať trvale prúdom 1/50 kapacity bez poškodenia akumulátora.

Alebo odpájať od nabíjačky pomocou zaradenej zenerovej diódy , ktorá je zapojená

k článkom paralelne.

1.7.3 Integrované obvody pre riadenie nabíjacieho procesu

Riadiace obvody sú určené pre autonómne alebo nabíjačky obsahujúce

mikroradiče, ktoré sa riadia vopred naprogramovaným softwarom.

Bloková schéma na nasledujúcom obrázku je univerzálna pre všetky rýchlo

nabíjačky.

Obr. 11. Univerzálna bloková schéma pre riadenie nabíjania

akumulátorov

36

Napájací zdroj, vo väčšine prípadov pulzný – kvôli investičným nákladom,

poskytuje dostatočnú hodnotu vstupného napätia a prúdu. Tieto hodnoty veličín

udržiava na nabíjacích článkoch regulátory pomocou sériového bipolárneho tranzistora.

Pokiaľ je potrebná vysoká účinnosť pracujú regulátory impulzne ,alebo so

synchrónnym usmerňovačom.

Teplota článku sa meria a vyhodnocuje v každej fáze nabíjania a ďalej riadi

ukončenie nabíjacieho procesu. Všetky hodnoty zo snímačov spracuje inteligentný

obvod, je to vlastne mikroprocesor.

Od autonómne fungujúcich obvodov nabíjacích akumulátorov sa očakáva

sledovanie týchto funkcií:

- možnosť voľby počtu nabíjacích článkov

- nastavenie nabíjacieho prúdu pre rýchle nabíjanie

- určenie doby nabíjania a yvbíjania podľa typu nabíjacieho článku

- zaistiť udržiavací prúd po nabití

- dovoliť nabíjanie len v určitom teplotnom rozsahu

- signalizovať jednotlivé fázy nabíjania

1.7.4 Obvody pre riadenie rýchleho nabíjania od firmy MAXIM

MAX2003 je integrovaný obvod určený k príprave NiCd a NiMH

k nasledujúcemu rýchlemu nabíjaniu a jeho riadeniu. Má naviac mód impulzného

kvapkového dobíjania, ktorý je dôležitý kvôli prevencii proti tvorbe dendritov

v nabíjacích článkoch. MAX2003 môže byť použitý ako spínaný regulátor prúdu alebo

spínanie externého zdroja prúdu, prípadne pracovať v lineárnom režime. Impulzný

regulátor sa vyznačuje výbornou energetickou účinnosťou, vznikajúca teplota je

minimálna. K ukončeniu nabíjania môže viesť pár príčin ako sú napríklad- rýchlosť

stúpania teploty, pokles napätia, maximálna teplota, doba a napätie na jednotlivých

článkoch.

Tento obvod ponúka možnosť vybíjania akumulátorov a následne zahájiť proces

nabíjania. Fáza závisí od operátora.

37

Časové charakteristiky MAX2003 minimálna šírka impulzu 1mikrosekuda,

spínaný kmitočet 100 kHz, doba potrebná na zmeranie napätia na batérii 300

milisekúnd.

Z porovnania napäťových charakteristík oboch typov článkov uvedených na obr.

12. je možné vyčítať ,že NiCd články vykazujú výraznejší pokles napätia pri nabíjacom

procese.

Obr. 12. Napäťové charakteristiky článkov NiCd a NiMH

Kvôli tomu je možné merať pokles napätia iba na tomto type, pre NiMH by to

nebolo účelné a viedlo by to k prebíjaniu. Detekciou prekročenia rýchlosti teploty

článku a doby nabíjania (ΔT / Δt) sa dá prerušiť alebo ukončiť proces rýchleho

nabíjania a prejsť na fázu udržiavacieho nabíjania.

Meranie napätia článku je určený vývod BAT pripadajúci na 1 článok. Preto je

nutné nabíjať viac článkov. Meranie sa uskutoční za 300 ms a vyhodnotí sa

procesorom.

Meranie teploty batérie sa používa termostat NTC, ktorý má dobrý tepelný

kontakt. Údaj o aktuálnej teplote nabíjanej batérie môžeme využiť pri výbere fázy

nabíjania. Pre ukončenie môžeme použiť dve kritériá – dosiahnutie maximálnej teploty,

alebo rýchlosť stúpania teploty.

38

Rýchle nabíjanie je zahájené ak je napätie článku väčšie ako konečné vybíjacie

Uedv.

Ak je nesplnené kritérium batéria je nabíjaná kvapkovým prúdom a rýchle

nabíjanie začne až po dosiahnutí Uedv Jeho veľkosť je interne nastavená na 0,2.Ucc.

Prúd rýchleho nabíjania sa meria pomocou dvoch obvodov. Sú to obvody so

snímacím rezistorom RSNS, a obvody bez snímacieho odporu vývod sns je spojený so

zemou .V spínanom režime a pri napájacom napätí 5V je na vývode pílovité napätie,

ktorého hodnota sa pohybuje medzi hodnotami 220mV a 250mV, jeho stredná hodnota

ja 235mV, umožní výpočet nabíjacieho prúdu, ktorý je INAB= 0,235 V/RSNS.

Obr. 13. Časový priebeh prúdu pri rýchlom nabíjaní obvodu MAX2003

V niektorých prípadoch sa vstup SNS nezapája, Mod je aktívny a nabíjanie trvá až

kým sa nesplnia niektoré z podmienok pre ukončenie nabíjania. Veľkosť nabíjacieho

prúdu je vhodné opatriť použitím napájacieho zdroja s prúdovým obmedzením.

39

Ukončenie procesu nabíjania –ΔU pri NiCd článkoch je výrazne vidieť pri

maximálnom dodaní náboja, pri prebíjaní klesá napätie a životnosť článku.

Koncové dobíjanie sa rozumie režim, ktorý po ukončení rýchleho dobíjania

dodá maximálny náboj na dosiahnutie maximálnej kapacity článku.

Kvapkové nabíjanie sa používa po ukončení rýchleho a koncového dobíjania .

Jeho účelom je kompenzovať samovybíjanie nabitej batérie. Používa sa konštantné

a impulzné.

Impulzné kvapkové dobíjanie sa realizuje pomocou vývodu MOD , ktorý je

periodicky aktivovaný do stavu H.

Kvapkové nabíjanie so stálym prúdom je priamo vedení zo zdroja cez odpor

RTR, nejde ho vynechať kvôli detekcii hodnoty nabíjacieho prúdu.

1.7.5 Nabíjacie obvody od firmy Integrated Circuit System(ICS)

Obr. 14. Závislosť napätia nabíjaného akumulátora na derivácii času obvodom ICS.

Integrovaný obvod ICS 1700 má všetky vlastnosti inteligentného nabíjania batérií.

Je určený k nabíjaniu a vybíjaniu NiCd aj NiMH akumulátorov. Nabíja pomocou

impulzov prúdu o dobe trvania 983 ms a veľkosti 1 CA , za týmto impluzov nasleduje

prestávka , ktorá trvá 2 ms bez prúdu a nasleduje vybíjací impulz 2,5 CA, ktorý trvá 5

40

ms. Po tomto vybíjacom impulze je batéria bez prúdu 10 ms a proces sa znova opakuje.

Tento typ nabíjania sa označuje ako reflexné nabíjanie. Pomáha udržať v normálnej

miere tvorenie plynov vo vnútri článku a núti ho ukladať energiu do svojich elektród.

Okamih ukončenia nabíjania je stanovený metódou –ΔU/Δt alebo presnejšie prvou

deriváciou dU/dt v priebehu napätia na batérii. Napätie batérie je desaťbitovým

prevodníkom A/D digitalizované a procesorom RISC je získaná jeho deriváci.

Jeho priebeh má výrazný extrém obr. 14. ,čo umožňuje spoľahlivo určiť koniec

dobíjania, po ktorom nasleduje pomalé dobíjanie. Pred nabíjaním môže byť akumulátor

vybíjaný po dobu jednej hodiny, je to kvôli pamäťovému efektu a predĺženia životnosti

akumulátora. V tomto prípade je to riešené pomocou spínača MOSFET so zaťažovacím

rezistorom pripojeným paralelne k batériám. Po nabití je batéria pomali dobíjaná

procesom, ktorý je na obr. 15.

Obr. 15. Prúdové impulzy pri pomalom dobíjaní akumulátora

41

2 CIEĽ PRÁCE

Získanie prehľadu o elektrochemických premenách energií

v akumulátoroch.

Osvojenie si základných fyzikálnych pojmov.

Rozšírenie znalostí a vedomostí v oblasti nabíjania akumulátorov.

Zisťovanie efektívnosti využitia nabíjacích spôsobov.

Na základe získaných vedomostí a nameraných hodnôt určiť

najefektívnejší spôsob nabíjania akumulátorov.

42

3 METODIKA PRÁCE

Výber tvaru nabíjacieho prúdu a frekvencie pomocou generátora.

Nabíjanie akumulátora a následné vybíjanie.

Meranie napätia na akumulátore a čas celého cyklu.

Výpočet dodaného náboja zo zdroja do akumulátora.

Výpočet vydaného náboja z akumulátora – kapacita.

Vyhodnotenie času nabíjania a účinnosti pri jednotlivých cykloch.

43

4 VLASTNÁ PRÁCA

4.1 Koncepcia riešenia úlohy

V úvode kapitoly o nabíjacích obvodoch sme sa zmienili o používaní

nabíjačiek v súkromnom živote. Z podkladov, ktoré sme mali k dispozícii sme zistili

základné parametre a metódy nabíjania akumulátorov, ako napríklad rýchle alebo

pomalé nabíjanie, možnosť vybitia pred nabíjaním, nastavenie typu akumulátora atď.

Nabíjačky, ktoré sa nachádzajú na trhu sú vyrobené tak, aby mohli nabíjať

viaceré typy akumulátorov. Nie sú však vybavené výberom veľkosti nabíjacieho prúdu

alebo zmenou časového priebehu prúdu.

V prehľade o nabíjacích obvodoch sme sa dozvedeli, že akumulátory sa

nabíjali konštantným napätím alebo prúdom. Pri takomto spôsobe nabíjania

akumulátora je chemická premena aktívna, až po dosiahnutie maximálneho napätia

akumulátora. Akumulátor je trvale dobíjaný a nemá „oddych“. Získané informácie

a doterajšie výskumy nás viedli k vysloveniu hypotézy: meniť nabíjacie priebehy

napätia pri nabíjaní akumulátorov a zistiť účinnosť nabíjania pri rôznych priebehoch.

Na základe vyslovenej hypotézy budeme meniť časové priebehy napätia,

meniť plnenie a impulzy pri nabíjaní. Jednotlivé časové priebehy, ktoré sme použili pri

meraní sú uvedené v prílohe.

Výber článku, ktorý sme použili v našom meraní nebol jednoznačný.

Museli sme vyberať z množstva typov akumulátorov. K výberu sme dospeli vzhľadom

k najčastejšie používanému akumulátoru na trhu – NiCd.

Na nabíjanie akumulátora potrebujeme zdroj elektrickej energie. Podmienkou

k chemickej premene v akumulátore je, aby napätie zdroja energie bolo väčšie ako

maximálne napätie akumulátora. Hodnotu tohto napätia dostaneme sčítaním

jednosmernej a striedavej zložky napätia. Na tento účel sme použili generátor

tvarových signálov. Generátor pracuje s napätím 0,1 až 8 Voltov, avšak prúdové

zosilnenie generátora je slabé. Ďalšou úlohou je signál z generátora zosilniť a priviesť

na vstup nabíjacieho obvodu. Na zosilnenie signálu sme použili nízkofrekvenčný

zosilňovač. Zosilnený signál sa pripojí k nabíjaciemu obvodu, ktorý má na výstupe

pripojený akumulátor a meracie zariadenie.

44

Pre splnenie týchto podmienok bola vytvorená bloková schéma, ktorá je na

obr. 16. Funkcie jednotlivých prvkov obvodu sú popísané v ďalších kapitolách.

Obr. 16. Bloková schéma automatického nabíjacieho obvodu, riadený PC.

4.1.1 Nabíjací obvod

Princíp nabíjacieho obvodu je v pripojení nabíjacieho napätia na akumulátor. Na

reguláciu nabíjacieho a vybíjacieho prúdu sú použité odpory. Vzhľadom na vybíjací

a nabíjací prúd a ochrane meracieho zariadenia sme riešili zapojenie s tranzistorom

v Darlingtonovom zapojení. Riadenie tranzistora sme riešili optočlenmi, ktoré sú

budené výstupom z meracej karty NI 6008.

Nabíjací obvod sme museli navrhnúť tak, aby sme mohli pripojiť výstupy pre

meraciu kartu a pripojiť akumulátor. Na tento účel nám poslúžilo kontaktné pole ZS

B474, ktoré je uvedené v prílohe. Odpor R1 je nabíjací obvod jeho hodnotu sme vybrali

podľa veľkosti nabíjacieho prúdu. Výstupný signál je vedení od generátora cez

výkonový tranzistor KD 137, ktorý je v Darlingtonovom zapojení..

Na vstup optočlenov je vedený signál z výstupov meracej karty, pomocou nich

riadime činnosť nabíjania a vybíjania akumulátora. Odpor R2 je vybíjací odpor, je to

vlastne reálna záťaž pre dosiahnutie vybitia akumulátora.

Na odpore R1 meriame veľkosť nabíjacieho prúdu. Prúd sa bude meniť závislosti

na čase nabíjania akumulátora a bude závisieť aj od nabíjacej charakteristiky pre určitý

typ akumulátora.

45

Po ukončení celého cyklu nabíjania a vybíjania sa odpojí akumulátor od záťaže

a spustí sa nový cyklus s iným priebehom nabíjacieho prúdu.

Obr.17. Schéma nabíjacieho obvodu

4.1.2 Generátor tvarových priebehov

Ako sme sa vyššie zmienili, že chceme meniť časový priebeh prúdu z

konštantného na iné zhodli sme sa na použití generátora GFG-3015 určený pre

laboratórne merania. Pomocou generátora budeme generovať jednotlivé časové

priebehy prúdu.

Obr. č. 18 Generátor GFG-3015

46

Technické údaje:

Frekvenčný rozsah od 0,01 Hz do 15 MHz

Výstupná amplitúda 0,01 – 10 V rms

Jednosmerný offset 5V

Nastavenie striedy 20 – 80 %

Frekvenčný čítač 150 MHz

Voliteľný priebeh: sínusový, trojuholníkový, obdĺžnikový, pílovitý.

Voliteľné funkcie generátora:

FUNC – výber funkcie tvarového priebehu signálu

FREQ – nastavenie frekvencie v Hz

OFFSET– nastavenie jednosmernej zložky(posunutie amplitúdy nad x-ovú

os)

DUTY - voľba plnenia(striedy) signálu

Výstup MAIN z generátora sme pripojili na zosilňovací obvod, ktorý nám

zosilní signál z generátora. V našom prípade ide o zosilnenie tvarového priebehu prúdu.

4.1.3 Zosilňovací obvod

Zosilňovací obvod nám slúži k zosilneniu signálu z generátora a privedenie signálu

na vstup nabíjacieho obvodu, o ktorom sme písali vyššie.

Tvarový signál z generátora musím zosilniť na požadovanú hodnotu ale nesmieme

tento signál skresľovať. Na túto funkciu nám poslúži zapojenie operačného zosilňovača

MAC1458 s tranzistorom BD 138. Operačný zosilňovač, ktorý sme použili sa používa

v audio zapojeniach. Na invertujúci vstup sme pripojili signál z generátora a spätnú

väzbu sme priviedli z výstupu na neinvertujúci vstup operačného zosilňovača. Výstup

operačného zosilňovača sme spojili s bázou tranzistora BD138, ktorý má vhodný

zosilňovací súčiniteľ. Súčiastky sú osadené na kontaktnom poli BS Z474. Výstup

z tranzistora je pripojený k nabíjaciemu obvodu. Schéma vytvorená v programe Eagle

5.1 je na obr. č. 19.

47

Obr. č.19. Schéma zapojenia nízkofrekvenčného zosilňovača.

4.1.4 Merací a riadiaci obvod

Hardvérové vybavenie meracieho a riadiaceho obvodu:

Pre dosiahnutiu dobrých výsledkov sme na meranie a riadenie nabíjania

a vybíjania akumulátora použili multifunkčnú kartu NI6008 od firmy National

Instruments, ktorá je na obr. č.19. Pomocou tejto karty budeme riadiť proces nabíjania

a vybíjania a súčasne zaznamenávať všetky potrebné hodnoty a graficky ich

znázorňovať. Táto karta má veľké využitie pri výskumoch kde treba zaznamenávať

viacero parametrov v reálnom čase. Na použitie karty je okrem pripojeného PC mať

vytvorení aj riadiaci program. Tento program je vytvorení v programovacom prostredí

LabVIEW, ktorý je uvedený nižšie.

Obr. 19. Multifunkčná karta NI 6008

48

Technické údaje:

8 analógových vstupov (12-bit, 10kS/s )

2 analógové výstupov ( 12-bit, 150 S/s )

12 digitálnych vstupov / výstupov, 32-bitový čítač

Kompatibilná s LabVIEW, Visual Studio.NET

Napájanie karty je z USB portu počítača

Obr. č. 20 Zapojenie analógových a číslicových vstupov a výstupov karty NI6008.

Bloková schéma multifunkčné karty USB-6008/6009 je znázornená na Obr. 20.

V našom zapojení je karta NI 6008 využitá na merania a riadenie celého nabíjacieho

vybíjacieho cyklu. Je to karta so všesmerovým využitím v praxi.

Karta je vybavená ôsmimi analógovými vstupy (AI 0 až AI 7 – Analog Input),

dvoma analógovými výstupy (AO 0 a AO 1 – Analog Output), dvanástimi

obojsmernými digitálnymi linkami (P0.0 až P1.3) a jedným 32bitovým čítačom (vstup

PFI 0, ktorý môže slúžiť ako vstup pre spustenie čítača). Analógové vstupy AI ide

zapojiť buď ako osem nesymetrických kanálov alebo ako štyri diferenciálne

(symetrické) kanály.

Karta USB-6008/6009 je vybavená dvanástimi digitálnymi linkami P0.0 až P0.7 a

P1.0 až P1.3, ktoré tvoria jeden DIO port (Digital Input / Output). Každú jednotlivú

linku ide naprogramovať buď ako vstup alebo ako výstup. Vzťažným bodom je

49

spoločná zem GND. Na Obr. 22. je znázornený príklad nastavenia jednotlivých

digitálnych liniek. Samozrejme obdobne ide nastaviť i linky P1.0 až P1.3, kde:

[1] - linka P0.0 je nastavená ako výstupná, typ otvorený kolektor;

[2] – linka P0.1 je nastavená ako výstupná, typ activ drive (USB-6009);

[3] – linka P0.3 je nastavená ako vstupná (na vstupe je výstup hradla TTL)

[4] – linka P0.7 je nastavená ako vstupná (na vstupu je mechanický kontakt).

Obr. 22. Jednoduchý príklad zapojenia karty

Obr. 21. Bloková schéma multifunkčnej karty NI 6008.

50

Softvérové vybavenie meracieho a riadiaceho obvodu:

Na naše meranie sme museli vybrať vhodný program, ktorý v spojitosti

s vhodným hardvérom vie uložiť množstvo informácií a súčasne prepočítavať podľa

algoritmov.

Program LabVIEW je programovacie vývojové prostredie založené na grafickom

programovaní. Inštrukcie sú nahradené ikonami a tokmi dát prenosu medzi nimy. Je

určený pre rýchle a jednoduché programovanie.

Program , ktorý sme vytvorili zaznamenáva informácie, prepočítava ich

a monitoruje stav nabíjania :

Výpočet dodaného náboja Qin zo vzorca Q=∫0

T

idt

Kde: Qin – elektrický náboj spotrebovaný na dobitie akumulátora,

Tnab – je nabíjací čas.

Výpočet akumulovaného náboja Qout zo vzorca Q=∫0

T

idt

Kde: Qout – elektrický náboj spotrebovaný na dobitie akumulátora,

Tvyb – je vybíjací čas

Výpočet účinnosti, je to vlastne pomer náboja akumulovaného v akumulátore

a dodaného do akumulátora zo zdroja elektrickej energie. K jeho výpočtu nám pomôže

jednoduchý vzťah η c=QoutQin . 100% .

Obsluha zariadenia komunikuje cez dialógové okno s programom cez periférne

zariadenie počítača. Všetky zadané parametre sa zobrazujú na riadiacom paneli

programu.

Proces nabíjania a vybíjania sa musí uskutočniť medzi hodnotami minimálneho

a maximálneho napätia. Tieto hodnoty sa zadávajú do programu pred spustením

nabíjania. Pred nabíjaním je potrebné vybiť akumulátor na hodnotu minimálneho

napätia na čo dohliada program. Veľkosť nabíjacieho a vybíjacieho odporu sa zadáva

tiež pred spustením nabíjania a slúži nám k výpočtu veľkosti nabíjacieho a vybíjacieho

prúdu.

51

Počas nabíjania program zaznamenáva nabíjací čas a dodaný náboj v jednom

kroku pomocou vzorca dq = i.dt, kde dq je náboj dodaní za čas dt. Tento náboj je

zobrazený v okne na ľavej lište programu.

Pri vybíjaní akumulátora program zaznamenáva vybíjací čas a vydaný náboj

z akumulátora a zobrazuje ho v okne ako „náboj celkom - vybíjanie“.

Po prebehnutí celého cyklu vypočíta účinnosť a zobrazí v okne „Účinnosť“

Začiatok a koniec nabíjania je zobrazený na ľavej strane panelu programu pod

oknami nabíjacieho a vybíjacieho prúdu.

Obr. 22. Program pre riadenie celého cyklu nabíjania a vybíjania.

4.1.5 Akumulátor Nicd

Akumulátory NiCd ako elektrochemický zdroj energie je najrozšírenejší

akumulátor na našom trhu. Preto sme sa rozhodli použiť tento typ pri našom meraní.

Jeho využitie je rozsiahle vo všetkých smeroch. Našou snahou bude využívať zdroje

s ich najlepšími možnými dostupnými parametrami.

V našej práci sme použili akumulátor NiCd s kapacitou 1700 mAh a menovitým

napätím 1,2 volta od výrobcu akumulátorov SANYO.

52

Obr. 23. Alkalický akumulátor NiCD.

4.2 Riešenie úlohy

Pre realizáciu merania sme skonštruovali meracie pracovisko podľa blokovej

schémy na obr. č. 16. Všetky prvky obvodu sme pospájali a odskúšali.

K dosiahnutiu cieľa bude potrebné vykonať :

Výber časového priebehu nabíjacieho prúdu.

Vytvorenie napätia na nabíjanie akumulátora.

Monitorovanie priebehu napätia na akumulátore.

Nabíjanie akumulátora NiCd jednotlivými priebehmi prúdu.

Meranie náboja dodaného a čas potrebný na nabitie akumulátora.

Vybíjanie akumulátora NiCd pomocou záťaže a meranie vydaného náboja Q za

vybíjací čas t.

Výpočet účinnosti nabíjania.

Postup pri meraní:

a) Generovanie časových priebehov prúdu pomocou , ktorých budeme nabíjať

akumulátory :

Trojuholníkový

Sínusový

Obdĺžnikový splnením 50%

Obdĺžnikový s plnením 20%

Obdĺžnikový s plnením 80%

53

b) Zápis vstupných hodnôt do programu:

minimálne napätie akumulátora pri vybití

maximálne napätie akumulátora pri nabití

hodnota nabíjacieho odporu

hodnota vybíjacieho odporu

c) Voľba funkcie

vybitie akumulátora na minimálnu hodnotu napätia pred nabíjaním

nabíjanie akumulátora

vybíjanie akumulátora po nabití na maximálnu hodnotu napätia

d) Zobrazenie priebehu nabíjania a vybíjania pomocou grafov:

napätie na akumulátore

nabíjací prúd

vybíjací prúd

náboj celkovo vydaný

náboj v jednom kroku

e) Výpis nameraných a vypočítaných hodnôt:

nabíjací prúd

vybíjací prúd

začiatok a koniec nabíjania

trvanie nabíjania a vybíjania

náboj celkom pri nabíjaní

náboj celkom pri vybíjaní

účinnosť

54

4.3 Vlastné meranie

Pri našom meraní chceme presne určiť náboj, ktorý bol spotrebovaný pri nabití

akumulátora na maximálnu hodnotu a náboj, ktorý sa akumuloval v akumulátore pri

nabíjaní jednotlivých priebehoch nabíjacieho prúdu.

Pre zosilnenie signálu z generátora sme najprv použili zosilňovač pre komerčné

využitie. Toto zariadenie nebolo vhodné použiť, pre veľké skreslenie nášho

vygenerovaného signálu. Na ďalšie použite sme vybrali nízkofrekvenčný zosilňovač

s MOS-FET tranzistormi. Zosilnení signál na výstupe tohto zariadenia nebolo skreslené,

ale nedokázal preniesť signál jednosmernej zložky. Tak sme si museli poskladať

zosilňovač z operačného zosilňovača MAC1458 , ktorý v zapojení s tranzistorom KD

138 dokázal zosilniť aj jednosmernú zložku, ktorá bola pre naše ďalšie meranie

nevyhnutná. Týmto pádom máme funkciu zosilňovača vyriešenú.

Na výstup nabíjacieho obvodu sme pripojili akumulátor, ktorý budeme používať

pri našom meraní. Na meranie a riadenie je vhodné použiť multifunkčnú kartu NI6008

pripojenú k PC.

Pre dosiahnutie cieľa je dôležité postupovať podľa nasledovných krokov:

Po zapojení funkčných celkov sme začali s meraním. Po spustení programu

v LabVIEW udáme vstupné hodnoty napätia. Hodnota minimálneho napätia je 1 Volt

a maximálneho 1,42 Volta. Tieto hodnoty sú určené výrobcom akumulátora. V ďalšom

príkaze zadávame hodnoty nabíjacieho odporu 6,3 Ω a vybíjacieho odporu 1 Ω. Malý

vybíjací odpor sme použili zvýšenie vybíjacieho prúdu a zároveň skrátili čas potrebný

na vybitie akumulátora. Pre akumulátor zložených z viacerých článkov je potrebné tieto

hodnoty odporu meniť.

Na začiatku sa akumulátor úplne vybije na minimálnu hodnotu 1 V. Vybiť pod

túto hodnotu by mohlo poškodiť akumulátor. Po dosiahnutí minimálnej hodnoty

multifunkčná karta spustí nabíjanie:

1.fáza: Akumulátor sa pripojí cez nabíjací odpor a sleduje sa hodnota nabíjacieho

prúdu. Po dosiahnutí 1,42 V na akumulátore PC zaznamená nabíjací čas a vypočíta

dodaný elektrický náboj.

Q=∫0

T

idt

55

2.fáza: Program prepne nabíjací obvod do módu vybíjania a pripojí akumulátor na

záťaž. Meracia karta meria veľkosť vybíjacieho prúdu a čas pokiaľ sa akumulátor

nevybije na minimálnu hodnotu 1 Volt. Program vypočíta hodnotu vydaného náboja

z akumulátora a zobrazí v príslušnom okne. Pre tento výpočet sme použili

predchádzajúci vzťah.

Po ukončení celého cyklu program vypočíta a zobrazí celkovú účinnosť nabíjania

pre konkrétny priebeh prúdu.

Uvedený postup sme použili pre všetky priebehy.

56

4.4 Výsledky meraní

Po zadaní parametrov nabíjania program spustil nabíjanie. Vybíjanie začalo po

dosiahnutí maximálneho napätia 1,42 voltu na akumulátore. Tento cyklus sa opakoval

pri všetkých tvarových priebehoch napätia.

Na ilustráciu uvádzam riadiaci panel programu vyrobeného v programe LabVIEW,

na ktorom sú zobrazené namerané hodnoty a grafy meraných veličín zaznamenané

počas celého priebehu merania. Na obrázku je zobrazené konkrétne meranie pre

trojuholníkový priebeh nabíjacieho napätia. Ďalšie obrázky z meraní sú v prílohe.

Celé meranie je graficky značené a hodnoty sa zapisujú do tabuľky. Na ľavej lište

sú premenné ako celkový náboj pri nabíjaní v našom prípade je to 432,759 Columba.

Oproti vydanému náboju 397,805 to nie je až taký zlý pomer. Možno z toho usúdiť, že

náboj sa po dosiahnutí saturácie akumulátora premieňal na inú formu energie ako

chemickú.

Krivka pre napätie akumulátora exponenciálne rastie až po hodnotu

maximálneho napätia. Skok ,ktorý je výrazný pri napätí akumulátora na hornom grafe je

zapríčinení prechodom režimu z nabíjania do režimu vybíjania. Napätie kleslo pre veľké

zaťaženie akumulátora, ktorý sa nejavil ako „pevný“ zdroj elektrickej energie.

57

Na pravej časti vybíjacej krivky klesá napätie exponenciálne po krivke až napätie

nedosiahne minimálne napätie akumulátora. Všetky údaje sú vyčítané z grafu a zapísané

do tabuľky.

Tab. č. 3 Namerané hodnoty nabíjania a vybíjania.

sínus trojuholnik obdĺžnik 50 % obdĺžnik 20% obdĺžnik 80%0

102030405060708090

100

Účinnosť

Graf č. 1 Účinnosť jednotlivých priebehov napätia.

sínus trojuholnik obdĺžnik 50 %

obdĺžnik 20%

obdĺžnik 80%

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

čas nabíjaniačas vybíjania

Graf č. 2 Porovnanie času nabíjania a vybíjania v stĺpcovom grafe.

58

5 ZÁVER

Po štúdiu odbornej literatúry o akumulátoroch a nabíjacích obvodoch sme

vyslovili hypotézu. Na základe vyslovenej hypotézy sme sa rozhodli pre rad meraní.

Našou úlohou bolo vytvoriť pracovisko , na ktorom sme vytvorili podmienky pre

naše meranie. Použili sme multifunkčnú meraciu kartu pre riadenie nabíjacieho cyklu

a súčasne meranie a zapisovanie hodnôt premenných. Meranie prebehlo podľa

opísaného postupu práce.

Pre zostrojenie grafu nameraných hodnôt sme použili stĺpcový graf. V grafe č.1

sme zobrazili účinnosti jednotlivých priebehov napätia. Z grafu je možné vyčítať, že

najlepšiu účinnosť dosiahlo nabíjanie obdĺžnikovým priebehom napätia s plnením 20%.

Akumulátor sa pri tomto priebehu nabíjania pomaly nabíjal malým nabíjacím prúdom.

Týmto spôsobom sme oddialili stav saturácie, keď už akumulátor nedokáže premeniť

chemickou reakciou dodanú energiu na akumulovaný náboj. Namerané hodnoty, ktoré

sme dostali sú veľmi blízke a nedá sa z nich urobiť jednoznačný záver. Pre presnejšie

meranie je potrebné automatizovať meracie pracovisko a previesť viacero meraní.

V stĺpcovom grafe č. 2 zobrazujeme závislosť jednotlivých priebehoch nabíjacieho

a vybíjacieho času. Tento čas závisí od veľkosti nabíjacieho prúdu, stavu batérie, ako

vidieť z grafu aj od tvarového priebehu nabíjacieho napätia. Vybíjací čas pri nabíjaní

obdĺžnikovým priebehom s plnením 20% a 80% je pomerne rovnaký, čo znamená že

náboj vydaný akumulátorom je rovnako veľký. Ak by sme spravili priemer medzi

týmito dvoma priebehmi vyšli by nám hodnoty blízke hodnotám nabíjacieho priebehu

s plnením 50%. To znamená, že zmenou plnenia vieme meniť čas nabíjania bez väčších

zmien na akumulovaný náboj.

Nabíjacie časy v našich meraniach sú pomerne krátke vzhľadom na uvedené

informácie výrobcom. Môže to byť spôsobené nekvalitným akumulátorom alebo jeho

krátkou životnosťou.

K takémuto výsledku sme dospeli a tým sme si odpovedali na časť vyslovenej

hypotézy. Pre dôveryhodnejšie výsledky treba cyklus nabíjania a vybíjania opakovať

a zautomatizovať.

Prínosom nášho meracieho zariadenia je okrem spôsobov nabíjania aj zistenie

stavu nabitia akumulátora a jeho kvality. Toto zariadenie je možné zdokonaľovať a

využiť pre ďalší výskum.

59

Pre viac výsledkov by sme meranie mali opakovať, čo bude úlohou v

našej diplomovej práci.

60

6 POUŽITÁ LITERATÚRA

1. CENEK,Miroslav .2003. Akumulátory od principu k praxi.Praha:FCC PUBLIC,2003.248 s.ISBN: 9788086534039.

2. ARENDÁŠ,Miroslav – RUČKA,Milan.1999. Nabíječky a nabíjení.3.vyd.Praha:BEN-technická literatura.112 s.ISBN 80-86056-61-9

3. MALINA,Václav.2003.Poznávame elektroniku I.České Budejovice:Kopp,2003.221 s.ISBN 80-7232-039-4

4. MALINA,Václav.2003.Poznávame elektroniku III .České Budejovice:Kopp,2003.232 s.ISBN 80-85828-87-1

5. MALINA,Václav.2001.Poznávame elektroniku VI .České Budejovice:Kopp,2001.343 s.ISBN 80-7232-114-5

6. HAVLÍK,Ladislav.1994.Jak používať články a baterie NiCd a NiMH.KTE magazín,roč.4,1994,č. 4,s.145-148.

7. HAVLÍK,Ladislav.1997.Současné technologie nabíjecích článku.KTE magazín,roč.97,1997,č.7,s.6-8.

8. RATAJ,V.Metodika písania záverečných prác na SPU v Nitre.Nitra : SPU, 2009. 84 s. ISBN 978-80-552-0186-3

9. BAGOCKIJ,V.S. – SKUNDIN,A.M.1987. Elektrochemické zdroje proudu.Praha: SNTL, 1987. 339 s.

61

PRÍLOHA

62

ZOZNAM PRÍLOH

Príloha 1 Sínusový priebeh

Príloha 2 Trojuholníkový priebeh

Príloha 3 Obdĺžnikový priebeh

Príloha 4 Kontaktné pole

Príloha 5 Meracie pracovisko

Príloha 6 Namerané hodnoty počas sínusového priebehu nabíjania

Príloha 7 Namerané hodnoty počas trojuholníkového priebehu nabíjania

Príloha 8 Namerané hodnoty počas obdĺžnikového priebehu nabíjania s 50% plnením

Príloha 9 Namerané hodnoty počas obdĺžnikového priebehu nabíjania s 80% plnením

Príloha 10 Namerané hodnoty počas obdĺžnikového priebehu nabíjania s 20% plnením

63

Príloha 1 Sínusový priebeh

Príloha 2 Trojuholníkový priebeh

64

Príloha 3 Obdĺžnikový priebeh

Príloha 4 Kontaktné pole

65

Príloha 5 Meracie pracovisko

Príloha 7 Namerané hodnoty počas sínusového priebehu nabíjania

66

Príloha 7 Namerané hodnoty počas trojuholníkového priebehu nabíjania

Príloha 8 Namerané hodnoty počas obdĺžnikového priebehu nabíjania s 50% plnením

67

Príloha 9 Namerané hodnoty počas obdĺžnikového priebehu nabíjania s 80% plnením

Príloha 10 Namerané hodnoty počas obdĺžnikového priebehu nabíjania s 20% plnením

68