Akkumulátor (energiatároló)

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

Nikkel-hidrid akkumulátorok töltőbe helyezve

Az akkumulátor elektromos energiáttároló berendezés, amely a töltésekor a bevezetett villamos energiát vegyi energiává alakítja, vegyi energia formájában huzamosabb ideig tárolni tudja, majd használat közben villamos energiává alakítja vissza. Az elektromos akkumulátor közvetlenül csak egyenfeszültség tárolására alkalmas.

Az akkumulátorra fogyasztót kapcsolva (=„kisütés”) az akkumulátor úgy működik, mint egy galvánelem; a töltésszétválasztó folyamat közben elektródáinak anyaga átalakul. Amikor ez a folyamat teljesen végbement, az akkumulátor „kisütött” állapotba kerül, a kezdeti feszültségértéke lecsökken.

A töltés során a kapcsaira adott feszültség hatására töltőáram alakul ki (ilyenkor az akkumulátor mint fogyasztó energiát vesz fel), melynek hatására az előbbi vegyi folyamat fordított irányban megy végbe, és az elektródák anyaga eredeti állapotba kerül vissza. A folyamat végén az akkumulátor feltöltődött, és ismét képes energiát szolgáltatni.

Az akkumulátor kapocsfeszültsége a kisütés során folyamatosan csökken, a töltés során folyamatosan nő. Ha kisütés közben a kapocsfeszültsége egy bizonyos határérték alá esik, akkor az akkumulátor „kisült”, a használatát be kell fejezni, mert a további terhelés az akkumulátor károsodását okozhatja. A határérték az akkumulátor felépítésétől függő érték. A töltést szintén be kell fejezni, amikor a kapocsfeszültség a feltöltésre megadott értéket eléri. A túltöltés ugyanúgy tönkreteheti az akkumulátort, mint a megengedettnél nagyobb kisütés.

12 V-os gépkocsi-akkumulátor

Üzemállapotai

Akkumulátor üzemállapotai

Cellavizsgáló műszer akkumulátorokhoz

Az akkumulátor felfogható egy UT telepfeszültségként, és egy soros Rb belső ellenállásként. Az akkumulátor kapcsain megjelenő potenciálkülönbség az Uk kapocsfeszültség. Fogyasztó rákapcsolásakor RT terhelő ellenállás terheli, és ekkor I áram folyik. Az akkumulátor töltés-kisütés közben veszít jóságából, ami a belső ellenállás értékének növekedésében nyilvánul meg. Az akkumulátor szakszerűtlen használata ezt a folyamatot gyorsítja.

Üresjárat

Üresjáratban az RT terhelő ellenállás értéke végtelen nagy, áram nem folyik, és az Uk = UT. Tulajdonképpen a kapocsfeszültség megegyezik a telepfeszültséggel.

Egy akkumulátor jóságáról nem lehet meggyőződni terheletlenül mérve. Korábban úgynevezett „cellavizsgálót” használtak erre a célra. A cellavizsgálóval egy mesterséges terheléssel helyettesítve az RT terhelő ellenállást, következtetni lehetett az Rb belső ellenállás nagyságára.

Rövidre zárás

Rövidre zárás esetén az RT terhelő ellenállás értéke ≈ 0, az Uk kapocsfeszültség ≈ 0. Az UT telepfeszültség nagyon nagy áramot hajt keresztül az Rb belső ellenálláson, mely hővé alakulva az akkumulátor tönkremenetelét okozza.

Üzemi állapot

Normál üzemi állapotban az RT terhelő ellenállás terheli az akkumulátort. A körben áram folyik, melynek nagysága I = UT / (RT + Rb). Ekkor az Rb belső ellenálláson U = Rb×I nagyságú feszültségesés lép fel, aminek következtében az Uk = UT - (Rb × I) lesz.

Ez problémát okozhat nagy belső ellenállással rendelkező akkumulátorok esetén, ha nagy értékű fogyasztóval terhelik (pl. az autó önindítója). Ekkor a nagy áramfelvétel miatt a belső ellenálláson fellépő feszültségesés nagy lesz, minek következtében a kapocsfeszültség értéke annyira lecsökken, hogy már nem lesz elég a teljesítmény a terhelő eszköz alkalmazására.

Ellenőrzése

Mivel terheletlenül üresjárat van, a feszültségét megmérve a kapocsfeszültség megegyezik a telepfeszültséggel. Zárlatos cella esetén értelemszerűen annyival kevesebb. A cellák feszültségét terhelés alatt kell vizsgálni. Erre szolgál a cellavizsgáló műszer. A műszerhez különféle értékű terhelő ellenállások tartoznak, és terhelés alatt lehet mérni a cella kapocsfeszültségét.

Fajtái

Savas akkumulátorok

A gépkocsikban ún. savas ólomakkumulátorokat alkalmaznak, melyek névleges cellafeszültsége 2V. Az általánosan használt 12 V-os akkumulátor 6 darab, sorosan kapcsolt cellát tartalmaz.

Lúgos akkumulátorok

A legismertebbek a nikkel-kadmium,[1] a nikkel-vas és a cink-ezüst akkumulátorok, de léteznek egyéb elektródarendszerű akkumulátorok is.

Elektronikus berendezésekben „száraz” akkumulátorcellákat használnak, melyeket szokás ugyanolyan méretben készíteni (AA, AAA, C, D, 9V), mint az elemeket, telepeket, abból a célból, hogy az elem helyére behelyezhetőek legyenek. Lényeges különbség azonban az elemhez képest, hogy a ma használatos akkumulátorcellák (Ni-Cd = nikkel-kadmium, Ni-MH = nikkel-metálhidrid) névleges üresjárási feszültsége csak 1,2V. Így az elemek helyett akkucellákat használva a berendezést működtető feszültség kisebb lesz, bár a legtöbb esetben ez nem okoz problémát.

A ma használatos NiCd (és kis mértékben a NiMH) akkumulátorokra jellemző a memóriaeffektus. Ez abban nyilvánul meg, hogy ha a cellát nem sütik ki teljesen, mielőtt feltöltik, energiatároló-képessége lecsökken (mintegy „emlékszik” arra, hogy feltöltés előtt nem teljesen sütötték ki), és eredeti tárolóképességét csak akkor nyeri vissza, ha (akár többször is) teljesen kisütik feltöltés előtt.

Összevetések

Összehasonlító táblázat

Típus     Fesz.a   Energiasűrűségb              Telj.c     Haték.d E/$e       Kisüt.f   Ciklusokg            Élettart.h

(V)         (MJ/kg) (Wh/kg)               (Wh/l)  (W/kg) (%)         (Wh/$) (%/hó) (#)          (év)

Ólom-savas        2,1          0,11-0,14             30-40     60-75     180         70%-92%             5-8         3%-20%                < 350     3 (gépjárműben), 20 (telepítve)

VRLAi    2,105                                                                                                                                  

Ni-vas   1,2          0,18        50                           100         65%       5-7,3[2] 20%-40%                             50+

Ni-kadmium      1,2          0,14-0,22             40-60     50-150  150         70%-90%                             20%       1500      

NiH2      1,5                          75                                                                                          20000    15+

NiMH    1,2          0,11-0,29             30-80     140-300                250-1000              66%       1,37 [2] 20%       1000      

Ni-cink  1,7          0,22        60           170         900                        2-3,3                      100-500               

Li-ion     3,6          0,58        160         270         1800      99,9%    2,8-5[3] 5%-10%               1200      2-3

Li polimer           3,7          0,47-0,72             130-200                300         3000+    99,8%    2,8-5,0                  500~1000             2-3

LiFePO4               3,25                       80-120  170[4]   1400                      0,7-1,6                  2000+[5]             

Li kén[6]              2,0          0.94-1.44[7]       400[8]   350                                                                                      

Nano Titanát[9] 2,3                          90                           4000+    87-95%r               0,5-1,0[10]                         9000+    20+

Vékony film Li    ?                                             350         959         ?              ?p[11]                  40000   

ZnBr                                      75-85                                                                                                  

V redox 1,15-1,55                             25-35[12]                                            80%[13]                               20%[13]               14000[14]                10(telepítve)[13]

NaS                                       150                                        89%-92%                                                           

Olvadt só                                            70-110[15]                          150-220                                4,54[16]                               3000+    8+

Szuper vas                                                                                                                                                       

Ezüst cink                                           100[17] 240                                                                        100[17] 0,5[17]

Alkáli     1,5          0,31        85           250         50           99,9%    7,7          <0,3       100-1000             <5

Megjegyzések

A rövidség érdekében tömören szerepelnek az adatok, a részletek a külön szócikkekben találhatók. Amelyikről nincs külön szócikk, az ebben a cikkben van szerepeltetve.

a Névleges cella feszültség V-ban

b Energiasűrűség = energia/tömeg vagy energia/méret, három mértékegységben

c Fajlagos teljesítmény = teljesítmény/tömeg W/kg-ban

d Töltés/kisütés hatékonysága %-ban

e Kapacitás/eladási ár Wattóra/amerikai dollárban (közelítés)

j Biztonságos lemerítési szint

f Önkisütési szint %-ban/hónap

g Tartósság az újratöltési ciklusokat tekintve

h Tartósság években

i VRLA vagy rekombináns tartalmazza a zselés akkumulátorokat és a üveg szövetes kialakításúakat is

p Kísérleti szakaszban van

r Az elvégzett újratöltések számától függ

Összehasonlítások

Alkáli elem - akkumulátorcella

Ma az ugyanabban a méretben gyártott alkáli elemek valamivel nagyobb kapacitásúak, mint a Ni-MH akkumulátorcellák. Meg kell jegyezni, hogy bár az akkumulátor az energiát hosszú ideig tárolni tudja, ez az idő (néhány hónap) nem mérhető össze az alkáli elemek élettartamával (néhány év). Az akkumulátorcella ára azonos nagyságrendben van az azonos méretű alkáli elemével, viszont akár 1000-szer feltölthető, így alkalmazása sokkal gazdaságosabb (de rövidebb energiatárolási ideje miatt csak gyakran használt berendezések üzeméhez ajánlható).

Ólomakkumulátor

A lúgos cellák feszültsége 1,2 V, kisebb, mint az ólomakkumulátoroké, ezért egy adott feszültségű akkumulátorhoz több sorba kapcsolt cellára van szükség.

Előny az ólomakkumulátorokkal szemben: például nagyobb a fajlagos energiatároló képesség, hosszabb élettartam, üzembe helyezése egyszerűbb, a túltöltés és az elégtelen töltés, ill. a mélykisütés kevésbé károsítja, a mechanikai szilárdság nagyobb.

Hátrány: előállítási költség 3-4-szer nagyobb, mint az ólomakkumulátoroké. Az elektrolitot az üzemelési körülményektől függően legalább évente egyszer ki kell cserélni, mert a levegő szén-dioxid tartalma az elektrolitot tönkreteszi. Gépjárműveken való alkalmazás szempontjából hátrányos az a tulajdonság, hogy a töltési és a kisütési feszültség között nagyobb a különbség, mint az ólomakkumulátoroknál.

Hatásfok

Az akkumulátor veszteséggel dolgozik, azaz nagyobb töltést (és energiát) vesz fel, mint amekkorát kisütéskor lead. A veszteségek jellemzésére két hatásfokot szokás megadni:

az amperóra-hatásfok a visszaadott és a felvett amperórák hányadosa, a wattóra-hatásfok pedig a visszaadott és felvett energia hányadosa.

A wattóra-hatásfok mindig rosszabb, mint az amperóra-hatásfok, mert a töltés magasabb feszültségen megy végbe, mint a kisütés.

A Ni-Cd, ill. Ni-MH akkumulátorcellák amperóra-hatásfoka kb. 70%, ezért a névleges amperóra-kapacitásának 1/0,7=1,4-szeresével szokás feltölteni, éspedig az amperóra kapacitás 1/10-ének megfelelő árammal.

Példa

Mekkora árammal és mennyi ideig töltsünk fel egy teljesen kisült, 1,2V 2400 mAh-s akkumulátorcellát?

Megoldás: A töltőáram legyen az amperóra-kapacitás 1/10-e, azaz 2400/10 = 240 mA. A töltési idő (70% hatásfokot feltételezve) legyen 14 óra.