Wraz ze zwiększającą się liczbą odbiorników energii elektrycznej w samochodach rosną wymagania związane z jej dostarczaniem. Dodatkowym zagadnieniem, coraz bardziej wpływającym na obciążenie akumulatorów, jest cykliczność pracy, czyli częste rozładowywanie i doładowywanie dużym prądem będące wynikiem stosowania systemów start-stop wyłączających silnik po każdym zatrzymaniu pojazdu.

Wymagania te zmusiły konstruktorów do stworzenia akumulatorów typu AGM zawierających dodatkową matę z włókna szklanego, którą obłożone są płyty akumulatora. Mata ta nasączona jest elektrolitem. Dzięki takiej konstrukcji uzyskuje się lepsze oddziaływanie elektrolitu na masę czynną płyt. Dodatkowo elektrolit w macie szklanej ma formę żelową, co czyni akumulator odpornym na zmiany położenia. Płyty przełożone matą szklaną są usztywnione, co ma znaczenie podczas obciążania akumulatora dużymi prądami. Wtedy bowiem występują tak duże obciążenia elektrostatyczne oddziałujące na płyty, że w przypadku akumulatora standardowego mogłoby to doprowadzić do wygięcia płyt i ich zwarcia.

W celu polepszenia właściwości elektrycznych samego stopu metali, z jakich wykonane są płyty, stosuje się domieszki do materiału bazowego – ołowiu (Pb). Wyróżniamy akumulatory wapniowe (Ca) i srebrowe (Ag). Domieszki tych metali do ołowiu powodują wolniejsze narastanie kryształów siarczanu ołowiu podczas głębokiego rozładowywania akumulatora, zwiększając tym samym jego żywotność i odporność na głębokie rozładowanie. W niektórych akumulatorach stosuje się dodatek węgla (technologia Carbon Boost w akumulatorach Exide), dzięki któremu zwiększa się zdolność przyjmowania ładunku elektrycznego i zmniejsza czas ładowania. Według producenta czas ładowania takiego akumulatora został skrócony o 1/3, a dodatek węgla spowodował czterokrotne zwiększenie odporności na pracę cykliczną i zwiększenie mocy rozruchowej o 30%. Co daje węgiel? Ogólnie chodzi o zwiększenie tzw. konduktancji akumulatora, czyli zmniejszenie jego oporności wewnętrznej, która w przypadku akumulatorów tradycyjnych jest determinowana narostem kryształów siarczanu ołowiu. Węgiel przyczynia się do tworzenia „ścieżek przewodzących” i utrzymuje wystarczającą przewodność elektryczną w stanie rozładowanym, co sprawia, że kryształy siarczanu ołowiu są mniejsze i bardziej reaktywne. Nawet jeśli akumulator jest coraz bardziej rozładowany, możliwe jest szybsze jego ładowanie. Problemem było stworzenie takiego materiału, który nie wpływałby negatywnie na właściwości mechaniczne płyt.

Głębokie zalanie

Technologia AGM polegająca na zastosowaniu maty szklanej nasączonej kwasem nie jest jedyną stosowaną w akumulatorach przystosowanych do współpracy z systemami mikrohybrydowymi. Hamowanie regeneracyjne oraz system start-stop współpracują także z akumulatorami EFB (Enhanced Flooded Battery), których charakterystyczną cechą jest to, że są zalane większą niż standardowe baterie ilością elektrolitu. Powoduje to – podobnie jak w przypadku akumulatorów AGM – zwiększenie odporności na pracę cykliczną oraz polepszenie parametrów pracy. Akumulatory EFB są jednak tożsame z akumulatorami standardowymi jeśli chodzi o warunki ich montażu. Ze względu na elektrolit w formie płynnej nie mogą one być montowane w pozycji innej niż standardowa. Zwiększanie obciążenia akumulatora wymusza na nim stosowanie wzmocnień, które usztywnią płyty.

Mimo wielu zalet tej technologii, istnieje także poważna wada polegająca na tym, że elektrolit w czasie pracy strefowo zmienia swoją gęstość – gęstszy zaczyna zbierać się przy dnie akumulatora, natomiast bardziej rozwodniony (rzadszy) skupia się przy powierzchni. To powoduje nierównomierne obciążenie elektryczne, a nawet mechaniczne płyt. Przy rozładowywaniu kryształy siarczanu ołowiu osadzają się z różną intensywnością, powodując różne obciążenie płyty na jej powierzchni. Aby zapobiec zjawisku uwarstwiania się elektrolitu, firma Varta zaczęła stosować wkładki w kształcie lejków, do których w trakcie drgań związanych z ruchem pojazdu przelewa się rozrzedzony elektrolit znajdujący się w górnych warstwach. Dzięki zmiennemu przekrojowi lejków elektrolit rzadszy przepływa w strefę elektrolitu gęstszego, powodując mieszanie się.

Obsługa i konserwacja

W przypadku standardowego akumulatora elektrolitowego do stałych zabiegów konserwacyjnych należy utrzymanie prawidłowego poziomu elektrolitu w poszczególnych ogniwach (celach) akumulatora. Najczęściej podawanymi kryteriami poziomu elektrolitu w akumulatorze jest poziom o kilka milimetrów (do 1 cm) wyższy od górnej krawędzi znajdujących się w nim płyt. Często na półprzezroczystej obudowie są określone stany minimalne i maksymalne, między którymi powinien zawierać się poziom elektrolitu. Generalną zasadą jest jednak na tyle wysoki stan elektrolitu, aby wszystkie płyty akumulatora były w nim zanurzone.

Jeśli poziom elektrolitu będzie zbyt niski, to część nieosłoniętych nim płyt ulegnie szybkiemu zasiarczeniu. Jest to proces nieodwracalny, który doprowadza do zmniejszenia pojemności akumulatora. Jeśli poziom elektrolitu w poszczególnych ogniwach akumulatora jest zbyt niski, to należy go uzupełnić wodą destylowaną. Ubytki elektrolitu to rzecz zupełnie normalna. Nawet jeśli akumulator nie jest uszkodzony mechanicznie, woda może odparować z elektrolitu, co doprowadzi do zmniejszenia objętości roztworu i jego zagęszczenia. Także podczas ładowania akumulatora elektrolit ulega zagęszczeniu. Jego gęstość jest wykładnikiem stanu naładowania akumulatora. Przy prawidłowo napełnionych ogniwach elektrolit powinien mieć gęstość 1,28 g/cm³. Aby sprawdzić stopień zasiarczenia akumulatora, czyli jego stan wewnętrzny (stan płyt), należy przeprowadzić próbę rozładowania go dużym prądem. Zasiarczony akumulator podczas takiej próby będzie się charakteryzował dużym spadkiem napięcia. Tego typu test pozwala na dość precyzyjne określenie stanu wewnętrznego urządzenia. Przeciwieństwem wyżej opisanego pomiaru jest badanie tradycyjnym woltomierzem, które poinformuje nas tylko o napięciu generowanym przez ogniwa, ale nie da miarodajnej informacji o rzeczywistym stanie akumulatora. W akumulatorach typu AGM niemożliwe jest sprawdzenie gęstości elektrolitu, ponieważ urządzenia te są hermetycznie zamknięte. Szczelna obudowa przeciwdziała odparowaniu wody z elektrolitu, więc jego gęstość przez cały czas eksploatacji powinna być na takim samym poziomie. Problemem jest głębokie rozładowanie, kiedy na skutek procesów chemicznych płyty otulone matą z elektrolitem zaczynają się pokrywać tlenkiem ołowiu i siarką. Te dwie substancje są izolatorami, czyli nie pozwalają na swobodny przepływ elektronów między materiałem płyty a elektrolitem. Takiego akumulatora nie można już naprawić i trzeba dokonać jego wymiany. Rozładowanie akumulatora typu AGM, które nie doprowadziło do zasiarczenia i utlenienia płyt, można z powodzeniem cofnąć przez naładowanie akumulatora prostownikiem. W trakcie tej czynności należy wziąć pod uwagę fakt, że charakterystyka ładowania akumulatora AGM jest inna od charakterystyki ładowania akumulatora z płynnym elektrolitem. Akumulator AGM ma znacznie większą powierzchnię czynną płyt, dzięki czemu jest odporniejszy na głębokie rozładowanie. To oznacza większą wytrzymałość na pracę cykliczną oraz inną charakterystykę procesu ładowania polegającą na zmienionej charakterystyce prądowej prostownika.

Pomiar

Spośród wielu rodzajów pomiaru polegających na mierzeniu napięcia na klemach akumulatora lub pomiaru pod obciążeniem można jeszcze wyróżnić pomiar konduktancji.

Zapewnia on takie warunki pomiaru, które nie zmieniają parametrów eksploatacyjnych akumulatora. Stosowane wcześniej powszechnie metody obciążeniowe, których idea polegała na zmierzeniu napięcia akumulatora w trakcie krótkotrwałego obciążenia go dużym prądem rozładowania, stawały się wobec zmniejszania rezystancji wewnętrznej akumulatora coraz bardziej niebezpieczne i groziły jego trwałym uszkodzeniem.

Pomiar taki należało wykonywać szybko, był on stosunkowo niedokładny, a w przypadku konieczności jego powtórzenia należało odczekać dłuższy czas, niezbędny do odtworzenia równowagi elektrochemicznej w akumulatorze. Wszystkie wymienione cechy sprawiły, że poszukiwano metody zapewniającej inny, bezpieczniejszy sposób badania.

Pomiar przewodności (konduktancji) źródła prądu, jakim jest akumulator, pozwolił praktycznie wyeliminować wszelkie dotychczasowe ograniczenia. Znając „konduktywność”, czyli miarę podatności materiału na przepływ prądu elektrycznego, „długość” materiału przewodzącego oraz jego „pole przekroju” poprzecznego, możemy określić konduktancję:
S
G= σ * –––
l
gdzie: l – długość przewodnika, S – pole przekroju poprzecznego elementu, σ – konduktywność właściwa materiału.

Zalety metody wykorzystującej konduktancję jako parametr diagnostyczny:

• pomiar bez pobierania prądu z akumulatora,
• akumulator nie jest rozładowywany,
• przyłączenie i odłączenie testera nie powoduje iskrzenia,
• wynik jest powtarzalny,
• przed pomiarem nie potrzeba ładować akumulatora,
• akumulator można badać zaraz po naładowaniu,
• pomiar możliwy jest w zwiększonym zakresie napięcia akumulatora.

Jeśli decydujemy się na zakup testera, warto pamiętać, że podstawowym kryterium oceny urządzenia powinno być wykonanie badania w sposób bezpieczny przede wszystkim dla samego akumulatora. Szczególnie ważny jest brak wpływu procedury pomiarowej na jego własności eksploatacyjne, takie jak pojemność czy prąd rozruchowy.