Olovené akumulátory a ich diagnostika

Akumulátor je elektrochemický zdroj elektrickej energie a používa sa aj ako zdroj elektrickej energie v rôznych zariadeniach (mobily, hračky, svetelné zdroje, atď.), pričom nás zaujímajú cestné vozidlá (autobatéria). Olovený akumulátor obsahuje obyčajne dva druhy dosiek (elektród), ktoré sú zhotovené zo špeciálne spracovaného olova. Jedna do hneda sfarbená doska plus (+) a druhá do siva sfarbená mínus (–). Dosky sú od seba oddelené a ponorené do roztoku vody a koncentrátu kyseliny sírovej (približne 38%). Zriedená kyselina sa nazýva elektrolyt a je v nádobe z kyselinovzdorného materiálu (obyčajne plastu). V starších akumulátoroch sú v doske otvory na dolievanie odpareného elektrolytu. Novšie a modernejšie sú bezúdržbové, kde táto povinnosť odpadá. Na  olovené dosky sú pripojené cez vrch nádoby olovené svorky na odoberanie prúdu.

Aby akumulátor dodával viac prúdu, musia mať jeho dosky čo najväčší možný povrch. V obmedzenom priestore nádoby sa to dosahuje spôsobom, že sa do nej vloží niekoľko dosák, striedavo kladná a záporná. Takto naukladané dosky sú oddelené komorami naplnenými elektrolytom a tvoria jeden článok o napätí cca 2 V. Tento článok má určitú prúdovú kapacitu, ktorá vypovedá o celkovej prúdovej kapacite akumulátora. Pre výsledné napätie cca 12 V sú pospájané jednotlivé články (6 kusov) do série (za sebou). Prúdová kapacita nám vypovedá o schopnosti akumulátora, koľko je schopný dodať prúdu za určitú časovú hodnotu. Prúdová kapacita akumulátorov sa udáva v ampérhodinách (Ah) a obyčajne sa pohybuje od 10-20 Ah (skútre a motorky) až po 37-80 (osobné automobily). Údaje o prúdovej kapacite sú napísané na štítku akumulátora. Na pamäti však treba mať skutočnosť, že viac elektrickej energie dosiahneme z akumulátora vtedy, keď sa odoberá menší prúd za dlhší čas, ako keď sa odoberá väčší prúd za kratší čas.

Ako to celé funguje?

Princíp uchovávania energie je založený na polarizačnom jave, pri ktorom sa na elektródach galvanického článku usadzujú časti rozloženého elektrolytu. Ak na elektródy oloveného akumulátora privedieme jednosmerný prúd, teda akumulátor nabíjame, elektrická energia sa mení na chemickú energiu. Časti rozloženej kyseliny sírovej sa chemicky viažu s hmotou akumulátorových elektród. Olovené elektródy sa v H2SO4 nerozpúšťajú, ale priťahujú rozštiepené záporné ióny SO4 a zlučujú sa s olovom na síran olovnatý PbSO4. Ak pripojíme jednosmerný zdroj na elektródy akumulátora s povrchom PbSO4, nastane prúd iónov v elektrolyte. Záporný ión SO4 so záporným nábojom pôjde k anóde, kladný ión H2 ku katóde. Pritom sa ióny zlúčia s PbSO4 na elektródach akumulátora a takto jednoduchý olovený akumulátor nabíjame. Akumulátor nabijeme na nominálnu hodnotu a dostaneme tzv. primárny článok skladajúci sa z dvoch rozličných elektród kyseliny sírovej. Kladný pól je PbO2 a záporný pól sivé olovo. Tým sme využili polarizáciu elektród a dostali sme elektrický náboj, z ktorého možno odoberať prúd dovtedy, kým sa elektródy Pb a PbO2 nepremenia naspäť na PbSO4. Ak na takýto akumulátor pripojíme nejaký elektrický spotrebič, bude sa vybíjať. Pri vybíjaní ide prúd v elektrolyte opačným smerom, a preto na anóde vznikne vodík, ktorý sa hneď zlučuje s kyslíkom z anódy a vytvárajú spolu H2O. Po vybití akumulátora je povrch elektród opäť zo síranu olovnatého a vďaka vzniknutej vode sa kyselina v elektrolyte zriedi.

Ak si zaspomíname na stredoškolské časy chémie, tak môžeme uvedené elektrochemické deje popísať nasledovne:

• nabíjanie na anóde: PbSO4 + SO4 + 2H2O = PbO2 + 2H2SO4,
• nabíjanie na katóde: PbSO4 + H2 = Pb + H2SO4.

Na kladnej elektróde sa teda pri nabíjaní vytvorí tmavohnedý oxid olovičitý (PbO2) a na zápornej elektróde sa vylúči čisté olovo Pb. Súčasne sa elektrolyt zhusťuje.

Takže vidíme, že prázdny (vybitý) akumulátor má povrch elektród z inej hmoty ako plný (nabitý) akumulátor. Pri akumulátoroch sa stretávame s pojmami primárny a sekundárny. Akumulátor sa nazýva sekundárny článok preto, že ním musí najskôr pretekať elektrický prúd, aby sa elektródy chemicky zmenili, čím sa stane primárnym článkom, ktorý takto môže elektrický prúd dodávať. Oproti klasickému galvanickému článku má akumulátor tú výhodu, že po vybití ho možno opäť nabiť a použiť.

Klasický olovený akumulátor sa skladá zo separátnych komôr, ktorých je pri 12 V prevedení šesť. V komorách sa nachádzajú sady dosiek – články, pričom mínusové a plusové dosky sú oddelené separátorom. Základnou funkciou separátora je izolovanie/oddelenie mínusovej a plusovej dosky tak, aby nedochádzalo ku skratu týchto dosiek. Popri izolačnej funkcií však musí byť separátor aj porézny a umožniť cirkuláciu elektrolytu v článku. V súčastnosti sa ako materiál používa na výrobu separátorov veľmi odolný plast polyetylén-PE. V minulosti sa používal menej odolný PVC, v dávnejšej histórii aj špeciálny porézny papier či v úplných začiatkoch dokonca drevená mriežka. Kvalitné prevedenie separátora je dôležité najmä z dôvodu prípadného skratu oboch dosiek. Ten vzniká napr. ak ponecháme akumulátor dlhšiu dobu vo vybitom stave. Vtedy sa totiž na doskách vo zvýšenej miere tvoria kryštály síranu olovnatého – sulfátu (ľudovo olovená beloba), ktoré postupne porušia separátor až následne dôjde ku skratu článku. Ku vzniku kryštálov (sulfatácii) a k ich postupnému odpadávaniu na dno akumulátora a následnému zvýšenému riziku skratu dosiek dochádza aj pri nadmernom namáhaní resp. dlhodobejšom nedostatočnom dobíjaní akumulátora. Eliminovať tento nežiadúci jav pomáha špeciálna vrecková konštrukcia separátorov. Takýto vreckový separátor zachytáva uvoľňujúcu sa aktívnu hmotu z plusových dosiek, ktorá nepadá na dno nádoby akumulátora, ale zachytáva sa v samotnom separátore. Výsledkom je tak dlhšia životnosť akumulátora, ktorá sa v podstate končí až vyčerpaním/vypadaním aktívnej hmoty z plusových dosiek pod limitnú úroveň.

Bezúdržbový akumulátor

Pri akumulátoroch používaných v automobilovom priemysle sa stretávame aj s pojmom bezúdržbový. Výrazom bezúdržbový akumulátor v súčasnej dobe označujeme produkt, ktorý z hľadiska kontroly stavu hladiny elektrolytu, a teda dolievania destilovanej vody, tento úkon nevyžaduje. Takéto batérie majú hornú časť plastovej nádoby napevno pritavenú, a tak nie je možné ju ani otvoriť a kontrolovať. Bezúdržbové akumulátory majú v hornej časti nádoby integrovaný labyrintový systém, ktorý zabraňuje úniku elektrolytu pri náhodnom prevrhnutí akumulátora na bok, napr. pri prenose alebo nehode vozidla. Výhoda oproti starším akumulátorom je jasná, keďže staršie „údržbové“ sú vybavené klasickými „zátkami“, vyžadujú pravidelnú kontrolu a v prípade prevrhnutia začnú takmer okamžite vytekať.

Prečo netreba bezúdržbový akumulátor dolievať?

Dôvodom na dolievanie destilovanej vody v starších typoch akumulátorov je nežiadúca chemická reakcia pri nabíjaní, pri ktorej súčasne so žiaducimi chemickými procesmi dochádza k zvýšenej tvorbe vodíka a kyslíka. Aby sa vznikajúce plyny nehromadili a výrazne nestúpal v obale akumulátora tlak, dochádza k priebežnému úniku vznikajúcich plynov do okolitého priestoru a tým aj k nežiadúcemu ubúdaniu vody z roztoku. Preto je potrebné pri starších typoch akumulátorov pravidelne doplňovať destilovanú vodu. Pri bezúdržbových akumulátoroch je možné vďaka moderným výrobným technológiám (legovanie dosiek rôznymi materiálmi napr. vápnikom) túto nežiadúcu chemickú reakciu výrazne eliminovať – pracujú na princípe tzv. kyslíkovej rekombinácie. Ak predsa len dôjde k nadlimitnému nahromadeniu množstva plynov, cez ventil/pretlakovú poistku sa tlak plynu vyreguluje – tzv. VRLA akumulátor (valve-regulated lead-acid battery), teda ventilom riadený akumulátor.

Mnohí užívatelia si však pod pojmom bezúdržbový akumulátor predstavujú nielen žiadnu údržbu, ale aj skutočnosť, že akumulátor znesie takmer všetko. Bohužiaľ, realita až taká ružová nie je. Oproti starým tzv. dolievacím akumulátorom, ktoré mali ešte dosky legované molybdénom, sú novšie tzv. bezúdržbové akumulátory podstatne citlivejšie na hlboké vybitie (12 – 12,2 V). Ak teda moderný akumulátor zostane úplne vybitý dlhšie ako cca desať hodín, vzniknutá sulfatácia (vytvoria sa kryštály síranu olovnatého – olovenej beloby) ho môže zničiť. Proces sulfatácie však začína vznikať aj v prípadoch, ak sa nechá akumulátor dlhšiu dobu v stave čiastočného vybitia, čo znamená napätie okolo 12,4 – 12,5 V. Dobrú kondíciu a tiež optimálny prevádzkový stav akumulátora predstavuje napätie okolo 12,7 – 12,9 V. Životnosti akumulátorov nepomáha ani čoraz väčší počet rôznych elektronických pomocníkov a teda spotrebičov, ktorých negatívny vplyv sa najvýraznejšie prejavuje v zimných mesiacoch a kratších jazdách. Ako teda vidieť, aj moderný akumulátor si zaslúži pozornosť motoristu (najmä v zimných obdobiach) a preto nezaškodí poznať zopár informácií, aké situácie akumulátorom neprospievajú a čo treba urobiť v prípade vzniku takéhoto nepriaznivého stavu.

Diagnostika akumulátorov a riešenie vzniknutých problémov

Elektrická sústava každého vozidla obsahuje tieto základné časti:

• Akumulátor – slúži na štartovanie a napájanie sústavy keď je motor v kľude.
• Alternátor (dynamo) – zabezpečuje dodávku el. energie do siete automobilu za chodu motora a dobíja akumulátor.
• Regulátor – riadi veľkosť napätia dodávaného do siete alternátorom.
• Kontrolné zariadenie – indikuje správnu / zlú funkciu dobíjania.

Prvým krokom pre zistenie, že elektrický obvod dobíjania pracuje správne, je zmeranie veľkosti napätia na akumulátore. Na klasickom olovenom akumulátore nesmie byť nižšia ako 12,2 V. Všetky ďalšie úpravy sa vykonávajú vždy s odpojeným akumulátorom. Okrem bezpečnosti a ochrany zdravia sa tak zabráni prípadnému skratu alebo zničeniu niektorej z častí elektrickej sústavy vozidla.

Pre základnú diagnostiku, ktorú dokážeme vykonať v domácich podmienkach potrebujeme meracie zariadenie (multimeter), ktorý obsahuje voltmeter  s rozsahom 20V, ampérmeter s rozsahom min. 10A a taktiež ohmmeter na meranie prechodových odporov. Toto meracie zariadenie je nutné aj v prípade, ak je vozidlo vybavené kontrolnými prístrojmi vo vozidle. Tie totiž môžu byť poruchou dobíjacej sústavy tiež porušené a pracovať nesprávne, taktiež napr. palubné voltmetre nemajú na diagnostikovanie stavu dostatočnú presnosť, aby sme z ich údajov mohli záväzne vychádzať.

Príklady porúch akumulátorov a dobíjacej sústavy

Vozidlo má problémy (nejde) naštartovať. Vychádzame z faktu, že štartér je v poriadku a problém so štartovaním sa v prípade denno dennej jazdy neustále zhoršuje a štartér točí stále pomalšie a pomalšie, alebo je problém naštartovať po dlhšej dobe státia auta. V takýchto prípadoch je na vine väčšinou vybitý akumulátor.

Dôvod

Životnosť akumulátora je ovplyvňovaná (limitovaná) tým, ako veľmi často štartujeme, aké dlhé trasy jazdíme, od stavu – správnej funkčnosti dobíjacej sústavy, od jej kapacity, od spôsobu parkovania vozidla ( v garáži či vonku- cez zimu) a ďalších faktorov. Obvykle sa životnosť akumulátorov pohybuje medzi 2-5 rokmi, pričom životnosť originál akumulátorov od výroby je spravidla vyššia ako dodatočne kupovaných.

Postup

Ako prvé treba akumulátor vizuálne skontrolovať, či nie je mechanicky poškodený a nevytiekol elektrolyt. Elektrolyt treba skontrolovať aj v prípade, ak sa jedná o údržbový akumulátor, v akom stave je, prípadne ak máte hustomer je vhodné zmerať aj jeho hustotu. Platí pravidlo, ak nie je dostatok elektrolytu, akumulátor sa nesmie nabíjať. V dnešnej dobe je však väčšina akumulátorov bezúdržbová, a tak sa elektrolyt počas celej životnosti nedolieva.

Záťažový test akumulátora

Ďalším krokom by mal byť tzv. záťažový test akumulátora. V odborných servisoch sa prevádzkuje pomocou záťažového testera autobatérií s rozsahom aspoň 500 A.

Záťažový tester akumulátorov vykonáva sériu testov v rôznych podmienkach:

• bez zaťaženia,
• pod testovacím zaťažením,
• v priebehu simulácie nabíjania.

Profesionálny tester automobilového akumulátora vyhodnocuje nasledovné parametre:

• meranie kľudového napätia,
• testovanie schopnosti prijímať nabíjacie napätie a prúd,
• krátkodobý záťažový test v trvaní 1s,
• dlhodobý záťažový test v trvaní 30s,
• určuje skratový prúd batérie,
• meria a stanovuje prúdovo-napäťovú charakteristiku akumulátora,
• určuje napätie odpovedajúce zaťaženiu štartovacím prúdom podľa EN,
• tlačí protokol testu.

Výsledky meraní umožňujú dokonale posúdiť stav testovaného akumulátora a vo všeobecnosti pomáhajú stanoviť príčinu zlyhania:

• sulfatácia dosiek batérie,
• vnútorný skrat,
• úbytok aktívnej hmoty (pasty) z dosiek batérie,
• nedostatočné naformovanie akumulátora.

Takýto záťažový test možno vykonať len na nabitom akumulátore, inak dôjde k skresleniu testu. V prípade určitých znalostí z elektrotechniky a vlastnenia multimetra sa dá do určitých podmienok takýto test nasimulovať aj doma. Podmienkou je už vyššie spomenuté plné nabitie akumulátora. Akumulátor sa pripojí na svorky + a – , pričom sa riadne upevnia. Na oba póly sa pripevní multimeter v nastavení voltmeter s rozsahom 20V. Skúsime vozidlo naštartovať a pozorujeme prepad meraného napätia. Ak je pred štartom na voltmetri hodnota napr. 12,6 -12,8 V a pri štartovaní klesne pod 11 V, jednoznačne to napovedá, že životnosť akumulátora je na konci. Ak napätie neklesne (prípadne klesne minimálne), je na príčine vybitého akumulátora iný problém ako koniec jeho životnosti. Jednať sa môže napr. o veľký kľudový odber alebo problém s dobíjaním.

Kľudový prúd automobilu

Mnoho motoristov si myslí, že keď vozidlo odstavia, odber prúdu z akumulátora bude nulový. Kedysi, pri starších vozidlách vybavených karburátorom bol skutočne po odstavení odber 0 mA. V prípade, že mali zabudované palubné hodiny bol kľudový odber prúdu max 10 mA. V dnešnom vozidle plnom rôznej elektroniky (rádio, centrál, alarm, GPS, ECU motora atď.) má vozidlo vždy určitý odber kľudového prúdu, ktorý rastie množstvom elektrických zariadení. Bežne vybavené vozidlo strednej triedy má veľkosť kľudového prúdu okolo 30 mA. Takéto množstvo prúdu spotrebovaného za 24 hod sa približne rovná množstvu energie, aké sa vytratí z batérie jej vlastným samovybíjaním. To znamená, že pri približne 60 Ah akumulátore stačí absolvovať aspoň raz za dva týždne jednu jazdu (25 a viac km) a s naštartovaním automobilu nebude žiadny problém. Problém nastane ak je odber kľudového prúdu podstatne vyšší a s vozidlom sa pravidelne nejazdí. Vtedy je potrebné nielen zmerať veľkosť kľudového prúdu, ale aj odhaliť pôvodcu zvýšeného odberu. Často ním býva neodborne namontovaná el. zariadenie, či jeho porucha a niekedy aj chyba v alternátore (prerazená usmerňovacia dióda).

Nedostatočné dobíjanie, prebíjanie klasického oloveného akumulátora

V prípade, že na príčine poklesu kapacity akumulátora nie je ani nadmerný kľudový odber prúdu, ani zlý stav akumulátora, problém bude s veľkou pravdepodobnosťou v alternátore.

Diagnostika problému

Zmeranie napätia na svorkách akumulátora pri naštartovanom motore na voľnobežných otáčkach, ktoré by malo dosahovať hodnôt okolo 13,8-14,6 V. Pri zvýšených otáčkach cca 2500 – 3500 ot/min by nemala veľkosť napätia presahovať 14,8 V pri vypnutí všetkých el. spotrebičov (rádia, svetiel, vyhrievania atď.). Naopak pri zapnutej väčšine spotrebičov (svetla, kúrenie, vyhrievanie okien, rádio atď.) nesmie byť nižšia ako 13,2 V. Ak je namerané napätie mimo vyššie uvedené hodnoty, nepracuje nabíjanie akumulátora správne a treba nájsť príčinu. Medzi najčastejšie patria: voľný alebo mastný klinový remeň – napnúť / vymeniť, opotrebované uhlíky v alternátora – nutná výmena, chyba v obvode dobíjania – chybná usmerňovacia dióda, poistka, kabeláž, ukostrenie alebo chybný regulátor.

Niekedy sa môže akumulátor vybiť/znížiť kapacitu el. energie, aj keď je motor naštartovaný. Stáva sa to najmä v prípade, ak je dodatočne namontované el. zariadenie, ktoré odoberá veľké množstvo prúdu (audio zosilňovač). Nie je to žiadna porucha, ale normálny jav. Priemerné napätie batérie je totiž okolo 12,6 V a nabíjacie napätie okolo 13,8-14,6 V. Alternátor začína vyrábať energiu od cca 600 otáčok motora za minútu. Lenže pri týchto otáčkach nie je schopný dodať potrebný výkon (prúd) k napájaniu všetkých zapnutých spotrebičov (ak sú zapnuté svetlá, kúrenie, vyhrievanie sedačiek, audio a ešte domontovaný poriadny zosilňovač) a k tomu aj dobíjať batériu. Preto je časť potrebného prúdu pre fungovanie el. spotrebičov pri voľnobehu odoberaná z akumulátora. Tým pádom postupne dochádza k poklesu el. kapacity akumulátora a logicky aj k poklesu napätia. Niekedy je to badať aj na poklese svitu svetiel. Pri zvýšení otáčok motora sa napätie vracia na pôvodnú hodnotu okolo 13,8-14,6 V a akumulátor sa znova dobíja.