Veron logo VERON Woerden
navbar.frm 20180310
ATTENTIE. . GROOT ONDERHOUD . . . Bijeenkomst op 17 mei 2018 . . . Elke zondag 145.475 MHz . . 10:30 RTTY bulletin . . 11:00 uur Woerdense Ronde .
W

Over loodaccu's

en de toepassing bij de radiozendamateur

   - klik voor vergroting

Wij geven hierbij een beknopt overzicht van de werking en eigenschappen van loodaccu's, met name voor het gebruik als energievoorziening voor ons radiozendstation.

Loodaccu’s zijn uitgevonden door de Franse natuurkundige Gaston Planté in 1859. Deze vorm van oplaadbare galvanische cel is één van de oudste accutypes.

Kenmerken

De belangrijkste kenmerken van loodaccu’s vergeleken met andere typen accu’s, zijn:

  • relatief hoog vermogen per massa-eenheid, circa 30Wh/kg
  • relatief hoge energiedichtheid per volume-eenheid,
  • relatief goedkoop,
  • kunnen hoge stroom leveren, bijvoorbeeld tijdens piekbelasting van een SSB-zender.
  • de hoge spanning van ruim 2,0 volt per cel.

Specifieke kenmerken

  • Open klemspanning bij volledig geladen: 12,6 V
  • Einde van ontladen: 11,8 V
  • Laden met: 13,2-14,4 V
  • Bij 14,4 V ontleedt het water in waterstof en zuurstof
  • Continu laden met maximaal 13,2 V
  • Na volledig opgeladen te zijn zakt de klemspanning snel naar 13,2 V en dan langzaam naar 12,6 V.
  • Zelfontlading kan bij een campingaccu tussen 0,5 en de 1% per dag zijn, bij een gel-accu is dit ongeveer 0,3%.

Er zijn verschillende soorten accus:

Startaccu's

De bekende autoaccu is een startaccu. Ze mogen niet verder dan 20% te worden ontladen. Startaccu's hebben relatief veel en dunne loden platen. De capaciteit van een startaccu gaat sterk achteruit door sterk ontladen en weer laden, ten gevolg van sulfatering. Bij sulfatering ontstaat een harde, onoplosbare laag op de elektroden, die niet elektrisch geleidend is. Dit type accu's is de goedkoopste soort maar minder geschikt voor onze toepassingen.

Stationaire accu's of semi-tractie accu's

Ook wel camping of recreatie accu's genoemd. Ze leveren een lagere stroom dan startaccu's, maar kunnen dieper ontladen worden, tot 50%. Deze accu's zijn beter bestand tegen sulfatering.

Tractie-accu's

Deze kunnen tot 80% ontladen worden, en hebben een langere le- vensduur (uitgedrukt in ontlaad-laad-cycli) dan stationaire accu's. Echter, vol-tractie accu's zijn aanmerkelijk duurder dan stationaire accu's.

Gel-accu's

Ook wel genoemd onderhoudsvrije accu. Ze bevatten een elektroliet in gel-vorm, en zijn daarmee ook in gekantelde toestand bruikbaar. Deze kunnen langdurig diep ontladen worden, tot 80% en weer snel geladen worden. Gel-accu's kunnen minder stroom leveren dan natte accu's en hebben een lagere capaciteit bij gelijke afmetingen. Ze zijn gevoelig voor overladen, door knalgasontwikkeling ontstaan er holtes die niet kunnen ontsnappen waardoor de capaciteit afneemt. Dit is de duurste van de soorten.

De werking

Loodaccu's komen voor vrijwel altijd voor in een 12-volts uitvoering. Zij bevatten dan zes cellen in serie, met elk een nominale spanning van 2,1 volt.

De klemspanning ontstaat uit het verschil het oxidatietoestand van loodplaten, de elektroden, die in een electrotiet, een oplossing van ongeveer 37 massaprocent zwavelzuur, zijn gedrenkt. De beide elektroden bestaan uit een harde loodlegering die niet aan de laad- en ontlaadreacties meedoet. In een volledig opgeladen accu zit er aan de positieve pool loodoxide gehecht en aan de negatieve pool fijn verdeeld zuiver lood. Deze twee zijn de elektrochemisch actieve materialen.

Tijdens de ontlading vormt zich een laag loodsulfaat op beide materialen. Tijdens het opladen wordt het loodsulfaat weer omgezet in lood en loodoxide.

In ontladen toestand bestaan beide elektroden uit loodsulfaat. Het elektrolyt verandert dan in water, waardoor ontladen loodaccu’s kunnen bevriezen.

Algemene informatie

De capaciteit van de accu wordt uitgedrukt in ampère-uren (Ah) en geeft aan hoeveel ampere de accu kan leveren voor een totale ontlaadtijd van 10 uur. (soms wordt de stroom aangegeven bij een ontlaadtijd van 5 of 20 uur) Naarmate men echter de accu zwaarder belast en sneller oplaadt neemt deze capaciteit af. Bij twee maal die ontlaadstroom is de accu al in 2.5 uur ontladen.

In de afbeelding is, in een grafiek, als voorbeeld, de capaciteit van een stationaire loodaccubatterij van 250 Ah uitgezet als functie van de tijd. De stroom die tijdens de gedefinieerde 10 uur kan worden afgenomen, bedraagt 250 / 10 = 25 A.

Uit deze grafiek kan worden afgeleid dat naarmate de stroomafname stijgt, de ontlaadtijd automatisch korter wordt, doordat de capaciteit van de accubatterij dan lager is dan 250 Ah. Als de stroom gedurende 5 uur bijvoorbeeld 46 A bedraagt, dan hoort daar een capaciteit van 230 Ah bij, en bij een stroomafname van 265 A gedurende een half uur, hoort nog maar een capaciteit van 133 Ah. Dat is nog maar iets meer dan 50% van de nominale capaciteit!


Gebruiksoverwegingen

Capaciteitsverloop: Als de accu lange tijd niet gebruikt wordt treedt er door zelfontlading verlies aan lading op. Bovendien wordt het loodsulfaat dan geleidelijk in een minder actieve vorm omgezet. Daarbij laat het ook los van de elektrodes en zakt naar beneden in de sedimentatieruimte onder de platen. Door dit sedimentatieproces zal de zelfontlading in de loop der tijd toenemen en kan er zelfs kortsluiting ontstaan. Het wordt daarom afgeraden om zondermeer accu's parallel te schakelen, om zodoende een batterij met grotere capaciteit te verkrijgen.
Tijdens het ontladen en de vorming van loodsulfaat aan de platen wordt er zwavelzuur onttrokken aan de elektrolyt. De zwavelzuurconcentratie en daarmee het soortelijk gewicht neemt dan af.

Natte accu's: Door het controleren van de zuurdichtheid heeft men controle op de ladingstoestand. Tijdens het gebruik is er alleen waterverlies. Door verdamping en door waterelektrolyse bij het laden en tijdens de langzame zelfontlading. Daarom mag de accu alleen met zuiver water worden bijgevuld. Elke cel bevat daarvoor een schroefdop.
Onzuiver hard water kan leiden tot afzetting van gips en er kan inwendige kortsluiting optreden. Omdat de cellen een vloeibaar elektrolyt hebben, ontstaat bij overladen knalgas, een explosief mengsel van zuurstof en waterstof. Zorg daarom voor voldoende ventilatie van de ruimte. Een ander gevaar van accu's is de zeer corrosieve werking van zwavelzuur, voorkom daarom contact met uw electronische apparatuur.

Gel-accu's: bevatten een gel-elektrolyt, die eventuele gassen vasthouden, waardoor de noodzaak tot bijvullen is verdwenen. Het is belangrijk om de laadspanning binnen de gegeven grenzen te houden om gasvorming te voorkomen.

Zekeren: Een ander, niet minder belangrijk punt van aandacht, is de kortsluitstroom van een accu. De inwendige weerstand van een accu is zeer laag. Een kortsluiting kan daarom tot zeer grote stromen aanleiding geven. De juiste keuze van draaddikte en smeltveiligheden is van groot belang om brand te voorkomen.

Levensduur: Afhankelijk van gebruik en onderhoud kan een gel-accu wel tot 10 jaar mee gaan. Veel bedrijven vervangen preventief de noodstroom batterijen om de 5 a 6 jaar. Startaccu's gaan tegenwoordig ook zo'n 5 jaar mee.

Laadapparaat

De eisen die we aan het laadapparaat moeten stellen zijn hoog, (als we een lange levensduur willen bereiken.)

  • Nauwkeurige spanningsbegrenzing
  • Stabiele laadspanning
  • Onafgebroken gedurende vele uren een hoge laadstroom leveren
  • Lage rimpelstroom
  • Spanningsbewaking bij te ver ontladen
  • Meting van de ladingstoestand

Het is duidelijk dat een 'goedkope' acculader geheel ongeschikt is. Helaas er geen standaard recept te geven voor het laden van een loodaccu. Laden met constante spanning is de beste manier om de invloed van varierende belasting zoveel mogelijk te elimineren.

Veelal wordt een 3 traps laadkarakteristiek gebruikt, met een stroombegrensde (bulk) fase en vervolgens 2 spanningslimieten, de absorptiespanning en de druppellaadspanning. We zullen dit proces hieronder beschrijven.

De bulkfase

In het begin van de laadcyclus van een accu stijgt de spanning snel naar ca. 2.1 volt per cel. De spanning stijgt daarna langzaam door tot de absorptiespanning is bereikt. Gedurende die eerste fase, de bulkfase, accepteert de accu alle aangeboden laadstroom: de laadstroom wordt begrensd door de laadapparatuur. In deze fase moet de stroom beperkt worden tot een waarde die wordt gevonden door de capaciteit van de accu te delen door 5 a 10. Een accu accepteert alle aangeboden laadstroom tot deze ongeveer voor 80% geladen is. Dan wordt de absorptiespanning bereikt.

Absorptiefase

Vanaf dat moment zal de accu, in plaats van alle aangeboden stroom te accepteren steeds minder stroom absorberen naarmate het laden vordert. Daarom wordt deze eerste spanningslimiet de absorptiespanning genoemd en heet de tweede fase van de laadcyclus de absorptiefase. Tijdens de absorptiefase neemt de stroom gestaag af totdat de accu de volledig geladen toestand bereikt.
In de bulkfase worden voornamelijk de oppervlakten van de platen geactiveerd, tewijl in de apsorptiefase het laadproces diep in de platen door diffundeert. Als een accu snel maar ondiep is ontladen, heeft er weinig diffusie diep binnenin het actieve materiaal plaatsgevonden en is het chemische proces beperkt gebleven tot het oppervlak van de platen. Om de accu weer te laden is dan een kortstondige of zelfs helemaal geen absorptieperiode nodig. De accu wordt bij een vaste waarde van 2.3 volt per cel geladen.
Om te herstellen van een langdurige en diepe ontlading is een lange absorptieperiode nodig om al het actieve materiaal binnenin de platen opnieuw om te zetten. Naarmate een hogere absorptiespanning wordt gekozen, wordt de benodigde absorptietijd wordt korter, omdat hogere spanning sterkere elektrische velden opwekken die de diffusiesnelheid verhogen. Maar een hogere spanning zal meer gasontwikkeling veroorzaken, hetgeen uiteindelijk tot uitdroging van de electrolyt zal leiden, ook bij gesloten accu's. Om overmatige gasontwikkeling te voorkomen, moet de laadstroom boven de gasspanning (2.4 volt per cel) beperkt worden tot maximaal 5 a 10% van de capaciteit van de accu: Dit wordt bereikt door stroombegrenzing van de laadapparatuur of door de snelheid waarmee de laadspanning toeneemt te beperken tot ongeveer 0.1 V per cel en per uur
Het is ook belangrijk te weten dat accu’s niet volledig hoeven te worden geladen na elke ontlading. Het is heel acceptabel om gemiddeld tot 80% of 90% te laden en de accu bijvoorbeeld één keer per maand volledig te laden

Druppelladen

Nadat de accu volledig is geladen wordt de spanning verlaagd om corrosie en gasontwikkeling zo veel mogelijk te beperken. Daarbij moet de spanning wel hoog genoeg blijven om te compenseren voor zelfontlading, d.w.z. om de accu volledig geladen te houden.
Te veel spanning leidt tot versnelde veroudering vanwege corrosie van de positieve platen. Maar bij onvoldoende spanning zal de acuu niet volledig geladen blijven, wat uiteindelijk tot sulfatering zal leiden.

  • Voor het druppelladen van natte accu’s gebruiken we 2.15 V tot 2.33 V per cel. Deze types zijn minder geschikt voor druppelladen gedurende langere tijd, want door corrosie van de roosters van de positieve platen zal regelmatig met gedestilleerd water moeten worden bijgevuld. Druppelladen met een lage spanning, bijvoorbeeld 2.15 V per cel, verminderd veroudering en gasontwikkeling, maar er is dan wel een regelmatige opfrislading nodig op een hogere spanning om de accu volledig geladen te houden.
  • Gel accu’s zijn geschikt voor langdurig druppelladen, maar een lage druppelspanning met af en toe een opfrislading zal ook hier de levensduur aanzienlijk verlengen

Samenvattend voorbeeld

We gaan voor het gemak even uit van een 12 volt 100 ampere-uur accu.
Het is belangrijk om de ladingstoestand van de accu kontinu te registreren. Bij een ladingstoestand van minder dan 50% kunnen we met een stoom van 10 tot 20 ampere de accu snel bijladen tot 80 ampere-uur. Daarna gaan we zolang over op absorptielading met een konstante spanning van 13.8 volt, totdat we ongeveer 15 ampere-uur hebben bijgeladen. Dan verlagen we de laadspanning tot 12.9 volt, de bedrijfsspanning. De stroom die ons laadapparaat in deze toestand moet leveren is de zelfontlading van de accu. Die zal circa 20 miliampere bedragen dus in de orde van 0.5 ampere-uur per dag.
Maar vergeet niet dat ook de normale belasting van de gebruikspapparatuur nog ergens vandaan moet komen.


 

Meer informatie

Wikipedia

Campertechniek

Accu specifikaties

footerconvert.frm
background-color:#bdf'
Redactie: pa0phb @ veron.nl
Thursday, 26-Apr-2018 01:37:48 CEST ©