Akkumulátor (energia)

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Nikkel-hidrid akkumulátorok töltőben

Az akkumulátor energiatároló berendezés, amely töltéskor a bevezetett villamos energiát vegyi energiává alakítja át, vegyi energia formájában huzamosabb ideig tárolni tudja, majd kisütéskor villamos energiává alakítja vissza. Az akkumulátor közvetlenül csak egyenfeszültség tárolására, szolgáltatására 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 kapocsfeszültsége a – típusától függő – érték alá esik, az akkumulátor kisült, a kisütést be kell fejezni, mert a további terhelés az akkumulátor károsodását okozhatja. A töltést szintén be kell fejezni, amikor a kapocsfeszültség a töltésre megadott értéket eléri. A túltöltés ugyanúgy tönkreteheti az akkumulátort, mint a megengedettnél nagyobb kisütés.

12 V-os gépkocsi-akkumulátor

Üzemállapotai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 egy RT terhelőellenállás terheli, és ekkor egy I áram folyik. Az akkumulátor töltés-kisütés közben veszit jóságából, ami a belső ellenállás értékének növekedésében nyilvánul meg. Az akkumulátor szakszerűtlen használata ezt a folyamatot gyorsítja.

Üresjárat[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Üresjáratban az RT terhelőellenállás 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 terhelőellenállást, következtetni lehetett az Rb belső ellenállás nagyságára.

Rövidrezárás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Rövidrezárás esetén az RT terhelőellenállás 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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Normál üzemi állapotban az RT terhelőellenállás 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, minek következtében az Uk = UT - (Rb × I) lesz.

Ez különösen nagy 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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 terhelőellenállások tartoznak, és terhelés alatt lehet mérni a cella kapocsfeszültségét.

Fajtái[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Savas akkumulátorok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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, 9 V) 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 tároló képességét csak akkor nyeri vissza, ha (akár többször is) teljesen kisütik feltöltés előtt.

Összevetések[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Összehasonlító táblázat[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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%-4% 500-800 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[3] 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 130 240
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 találhatóak. 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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Alkáli elem - akkumulátorcella[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 - lúgos akkumulátor[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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

Előnyük az ólomakkumulátorokkal szemben: például nagyobb a fajlagos energiatároló képességük, hosszabb élettartamúak, üzembe helyezésük egyszerűbb, a túltöltés és az elégtelen töltés, ill. a mélykisütés kevésbé károsítja őket, mechanikai szilárdságuk nagyobb.

Hátrányuk: előállítási költségük 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 tulajdonságuk, hogy a töltési és a kisütési feszültség között nagyobb a különbség, mint az ólomakkumulátoroknál.

Hatásfok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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

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

Források, külső hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Dr. Hodvogner László: Gépjárművek villamos berendezései (Műszaki Könyvkiadó 1988. ISBN 963-10-7761-6)