




. Introducere
Bateria reincarcabila, acest banal obiect in care stocam energie, a intrat
demult in cotidian. Oricine stie ce este aceea o baterie, cum arata si cum se
foloseste... Oare? Aceasta intrebare, mi-a dat ideea acestui articol despre
acumulatori. Pentru ca sunt convins ca toti cei care stiu "totul"
despre acumulatori, tot vor mai afla cate ceva in plus... Si nu strica.
In acest articol deci, vom discuta despre toate cele patru grupe mari de
baterii. Numele acestora vine de la componentele de baza ale acestora:
- Nichel-Cadmium (NiCd)
- Nichel Metal-Hidrid (Ni-MH)
- Litiu-Ion (Li-Ion)
- Plumb (Pb)
In general, in modelism le gasim pe toate. Doar Litiu-Ion este ceva mai rar
intalnita. La sfarsitul acestui articol veti sti si de ce.
2. Definirea termenilor
Un acumulator este un echipament electro-chimic capabil in a furniza energie
electrica ce rezulta in urma unor reactii chimice interne, unui circuit electric
extern.
Acumulatorul sufera de singuratate. Rareori veti avea de a face cu UN
acumulator. In general veti avea pachete de acumulatori formate din mai multe
celule, conectate in serie sau/si in paralel, in functie de scopul propus.
Motivul singuratatii il reprezinta tensiunea relativ mica ce poate fi
inmagazinata in acest dispozitiv: ceva mai mult de un Volt.
Obs: voi folosi termenul
"baterii" in situatiile in care ma voi referi atat la bateriile
ne-reincarcabile cat si la acumulatori iar termenul "acumulatori"
atunci cand ma refer exclusiv la acumulatori.
Rezistenta Echivalenta Serie reprezinta rezistenta interna a
fiecarei celule. Aceasta rezistenta interna este cea care limiteaza valoarea
maxima a curentului debitat de celula (deci, rezistenta interna se doreste a fi
cat mai mica. I=U/R. Pentru un U dat, cu cat R este mai mic, I va fi mai mare).
Capacitatea Amperi/ora - un parametru foarte important al unei
baterii. Acest parametrul defineste cantitatea maxima de curent pe care o poate
livra o baterie timp de o ora pana cand tensiunea acesteia scade sub un punct de
limita caracteristic.
Rata C - se refera la un curent care este echivalent numeric cu
estimarea amperi/ora a bateriei respective. De obicei, aceasta "Rata
C" se foloseste atunci cand vorbim despre incarcarea sau descarcarea unei
baterii. Acesti curenti sunt exprimati in general in fractiuni ale acestui C.
(de ex, incarcarea standard la bateriile cu Pb este C/10, curentul rezidual de
incarcare la Ni-Cd este in jur de C/50.. si asa mai departe).
MPV (Mid Point Voltage) - reprezinta tensiunea nominala a unei
baterii si reprezinta tensiunea acesteia atunci cand este descarcata in
proportie de 50%. In jurul acestei tensiuni oscileaza tensiunea "de
palier" a bateriei.
EODV (End Of Discharge Voltage) - reprezinta tensiunea sub care se
considera incheiata durata de viata a bateriei sau a ciclului curent al
acumulatorului. Atunci cand tensiunea celulei scade sub aceasta valoare, celula
incepe sa piarda abrupt din putere comparativ cu perioada in care tensiunea sa
oscila in jurul valorii MPV.
Densitatea energetica gravimetrica - reprezinta o unitate de
masura ce semnifica raportul intre cata energie poate inmagazina o baterie si
greutatea acesteia.
Densitatea energetica volumetrica - reprezinta o unitate de masura
ce semnifica raportul intre cata energie poate inmagazina o baterie si volumul
acesteia.
Incarcator cu tensiunea constanta - reprezinta un circuit
electronic de incarcare a acumulatorilor in care acestia sunt conectati la o
tensiune constanta fara a forta vre-un curent de incarcare. Acumulatorul isi va
trage singur curent pana cand va atinge tensiunea care i-o furnizeaza circuitul
de incarcare.
Incarcator cu curent constant - in aceasta situatie, circuitul
injecteaza un curent constant in acumulator, indiferent de tensiunea acesteia.
Pentru acest tip de incarcator se impune o modalitate de terminare a incarcarii
(termostatata, temporata, DV etc).
3. Curba de incarcare/descarcare a acumulatorilor
In general, tensiunea unui acumulator variaza in timpul incarcarii/descarcarii
dupa o curba foarte asemanatoare cu imaginea de mai jos. In functie de curentul
absorbit, curba se translateaza in sus sau in jos si in acelasi timp se si
scurteaza odata cu cresterea curentului absorbit.

MPV (Mid Point Voltage) reprezinta tensiunea nominala a celulei in
timpul incarcarii/descarcarii acesteia. Excursia maxima a tensiunii fata de
aceasta valoare reprezinta un considerent foarte important in conceperea
circuitului alimentat de aceasta baterie. Cu cat curba este mai
"plata" cu atat se simplifica circuitul deoarece nu trebuie conceput
pentru a putea tolera variatii mari ale tensiunii de alimentare.
Atunci cand bateria este complet incarcata, tensiunea acesteia depaseste
tensiunea nominala (MPV) la fel cum atunci cand bateria incepe sa nu mai aiba
putere, tensiunea acesteia se afla sub MPV.

Figura de mai sus reprezinta o curba caracteristica celulelor Ni-Cd si Ni-MH.
Curba pentru celulele Li-ION arata putin altfel. Acest lucru se datoreaza
faptului ca celula Li-Ion are o tensiune de 3 ori si ceva mai mare ca celula
Ni-Cd, in jur de 4.6V. Dar, totodata, celula nu prezinta deloc fenomenul de
palier al tensiunii. Tensiunea la borne pentru o celula Li-Ion in sarcina este
in continua scadere. De aceea, nu veti vedea niciodata (la vanzare) celule
individuale Li-Ion. Pack-ul va trebui sa contina un circuit electronic care
printre alte functii o va avea si pe aceea de regulator de tensiune, astfel ca
tensiunea la bornele pack-ului sa prezinte un caracter stabil chiar daca
tensiunea la bornele celulei este puternic neliniara.
4. Densitatea de energie
Fara a intra prea mult in detalii, va voi arata un tabel din care veti trage
singuri concluziile de rigoare. Unitatile de masura sunt: gravimetric -
Wati-ora / kilogram si volumetric: Wati-ora / litru.
|
Tipul
de celula
|
Ni-MH
|
Ni-Cd
|
Li-Ion
|
|
Densitatea
gravimetrica ( w-h/kg)
|
55
|
50
|
90
|
|
Densitatea
volumetrica (w-h/l)
|
180
|
140
|
210
|
Se poate vedea foarte usor ca un acumulator Li-Ion area o greutate si un volum
mai mic decat toate celelalte tipuri de baterii, la aceeasi densitate de
energie. Ideal ar fi ca aceasta densitate de energie sa fie cat mai mare, dar
din pacate, si pretul creste... si nu creste liniar. De aceea, intotdeauna se
face un compromis atunci cand echipam un aparat cu un anumit tip de
acumulatori. (pentru un laptop care costa 2000$ nu ne doare prea tare sa punem
o baterie Li-Ion de 4A/h de 200$, dar pentru un model... nu mai este
rentabil). Oricum, pana la urma, veti intelege ca de fapt nu exista celula
ideala. Unele aplicatii vor prefera o baterie Pb, altele Li-Ion... si asa mai
departe.
5. Stabilitatea tensiunii celulei
Un parametru important al unei baterii il constituie stabilitatea tensiunii
celulei atunci cand aceasta este in sarcina. O baterie ideala ar avea variatii
nule de la tensiunea nominala pe toata durata de functionare.
Celulele Ni-Cd sau Ni-MH au o tensiune nominala de 1.25V in timp ce o celula
Li-Ion are tensiunea nominala de 3.6V. Ceea ce semnifica faptul ca un
proiectant trebuie sa conecteze mai multe celule Ni-Cd/Ni-MH in serie pentru a
obtine tensiunea unei singure celule Li-Ion. In aceste conditii, am putea
spune ca bateria Li-Ion ar fi solutia ideala pentru orice aplicatie: densitate
mare de energie la un volum si o greutate mai mica, tensiunea mai mare, nu
prezinta efect de memorie... Si totusi...
Dar sa urmarim putin figura de mai jos, pentru ca mai sunt si alte comentarii.
Ceea ce vedem in figura este curba tensiunii in timpul incarcarii/descarcarii
celulei. Dupa cum vedeti, desi Li-Ion are o tensiune nominala aproape de trei
ori mai mare decat Ni-Cd/Ni-Mh variatia acesteia este foarte puternica
in timp. In timp ce Ni-Cd/Ni-MH prezinta o variatie minima in marea majoritate
a duratei de functionare, apropiindu-se cel mai mult de modelul unei baterii
ideale (tensiune constanta in timp).
Un aparat alimentat cu baterii Ni-Cd/Ni-MH poate fi dotat cu un simplu
regulator liniar, deoarece tensiunea bateriei nu variaza prea mult de la
valoarea nominala. (regulator liniar - circuit electronic ce pastreaza o
tensiune constanta la iesire in conditiile in care tensiunea fluctueaza liniar
la intrare).
In principiu, si la o baterie Li-Ion putem pune tot un regulator liniar, dar
avand in vedere ca noi dorim ca aparatul sa functioneze cat mai mult cu acea
baterie, tensiunea interna de functionare va trebui sa se afle in partea de
jos a curbei. Drept urmare, pana la atingerea acelei tensiuni, regulatorul va
disipa termic toata tensiunea suplimentara. Concluzia: complet ineficient
energetic. De aceea, la aparatele care folosesc baterii Li-Ion ca sursa de
alimentare, SIGUR vom gasi in interior regulatoare in comutatie DC-DC pentru a
realiza o conversie eficienta a puterii bateriei. Aceasta puternica
neliniaritate este marele dezavantaj al bateriilor Li-Ion.
6. Curentul de varf
Valoarea maxima a curentului de varf ce poate fi debitat de o celula este
dependenta direct proportional de rezistenta echivalenta serie a celulei. Cu
cat rezistenta interna este mai mica, cu atat curentul va fi mai mare.
Atat celulele Ni-Cd cat si Ni-MH au valori apropiate si foarte mici ale
rezistentei interne (de exemplu, sub 0.1W pentru o celula R6 [AA]).
Li-Ion vor avea o rezistenta interna ceva mai mare decat Ni-Cd/Ni-MH dar in
principiu asta nu prezinta vre-o problema in majoritatea aplicatiilor (exceptie
modelism, unde se doreste curent cat mai mare).
Rezistenta interna este direct proportionala cu temperatura celulei. De aceea,
cresterea puternica a temperaturii celulei duce la cresterea rezistentei
acesteia si prin urmare scaderea curentului maxim ce poate fi debitat in
circuitul extern. Cresterea temperaturii celulei se poate datora atat plasarii
defectuoase a acesteia in echipamentul pe care-l alimenteaza (aproape de surse
de caldura, fara posibilitatea de a disipa caldura) cat si datorita unor
sudari defectuoase ale celulelor intre ele.
La rezistenta interna a celulei, in cazul pachetelor de baterii, se mai adauga
si rezistenta conectorilor (baretele de contact intre polii celulelor si
cordoanele pachetului). De aceea, pentru performante maxime, minimizati aceste
pierderi prin alegerea unor barete si a unor cordoane de grosimea
corespunzatoare. Odata cu cresterea grosimii (sectiunii de fapt), scade si
rezistenta. Curentul curge mai usor adica. De aceea, veti vedea diferente
vizibile intre asamblarile unui pachet competitional de baterii si asamblarile
unui pachet ocazional (stock pack). Oricum, in primul rand veti remarca
diferenta mare de pret.
7. Fenomenul natural de autodescarcare al celulelor
Sa nu ne mire faptul ca o baterie incarcata astazi va fi ceva mai moale "maine".
Este ceva firesc, un fenomen natural in viata bateriei pe care trebuie sa-l
intelegem pentru a-l putea folosi in avantajul nostru.
-
Ni-Cd - pierde in jur de 10%-15% din capacitate in primele 24 de ore
dupa incarcare si apoi 10%-15% pe luna, in lunile ce urmeaza.
-
Ni-Mh - prezinta un fenoment de autodescarcare aproape de doua ori
mai pronuntat ca la Ni-Cd.
-
Li-Ion - pierde in jur de 5% in primele 24 de ore si 1%-2% pe luna (fara
circuitul de protectie, doar celula "goala"), in lunile ce
urmeaza.
-
Pb - pierde in jur de 5% pe luna
Deci, Li-Ion conduce iarasi detasat in clasamentul eficientei: cea mai mica
rata a autodescarcarii.
Retineti si aspectul dependentei de temperatura: fenomenul de autodescarcare
se dubleaza cu fiecare 10 grade Celsius peste temperatura ambianta.
Un alt aspect important il reprezinta neliniaritatea acestei auto-descarcari.
Sa luam, de exemplu, o celula Ni-MH care are o rata de autodescarcare de 30%
pe luna. Dupa 15 zile de stocare bateria nu-si va fi pierdut 15% din tensiunea
nominala... nuuuu. Partea proasta este ca deja din primele zile bateria se
poate autodescarca cu 15-20%, urmand sa piarda restul de 10% in cele
peste 20 de zile ramase.
Concluzia: indiferent ce veti face cu acumulatorii, cel mai bun moment sa-i
incarcati este in AJUN!!! Exceptie sunt celulele pe baza de Li-Ion sau Pb care
au o rata a auto-descarcarii mult mai mica.
Se recomanda ca atunci cand stocam celulele o perioada indelungata de timp,
mai ales pentru celulele cu fenomen de auto-descarcare accentuat, sa le ma
antrenam din cand in cand cu un ciclu de descarcare - incarcare. Astfel
prevenim imbatranirea prematura a celulelor.
8. Tipul si timpul de incarcare al acumulatorilor
Pe tema acestui subiect se poarta mereu discutii. Eu ma voi rezuma insa in a
prezenta cateva linii directoare.
In primul rand, timpul de incarcare depinde de cantitatea de energie ce este
"injectata" in acumulator. Sa discutam intai despre tipurile de
incarcari.
Exista in general doua tipuri mari de incarcari: incarcare la curent constant
si incarcare la tensiune constanta. Cele doua tipuri nu sunt compatibile intre
ele. Fiecare baterie are un anumit tip de incarcare specificat. Alegerea altei
metode de incarcare poate duce la distrugerea iremediabila a acumulatorului
sau chiar la explozia acestuia. Deci NU va jucati de-a incarcatul. Intai,
studiati problema.
9. Incarcarea la curent constant
Acest tip de incarcare este folosita in cazul acumulatorilor de tipul Ni-Cd si
Ni-MH. Se aplica un curent cu polaritate pozitiva pe bornele celulei iar
tensiunea acesteia incepe sa creasca odata cu acumularea capacitatii
energetice. La un moment dat, bateria nu mai poate primi curent (isi pierde
rabdarea, se incalzeste, se infierbanta si la un moment dat s-ar putea sa si
sisiie dar... ar fi bine sa nu fiti prin preajma atunci. Hm... revin) iar acel
moment se considera punctul terminal al incarcarii. Acel moment poate fi
determinat prin mai multe metode.
Un principiu de baza este urmatorul: daca un acumulator are capacitatea C, la
incarcare trebuie sa incarc in el tot C+10-15%. In functie de curentul
injectat, imi va rezulta un numar de ore dupa care voi putea spune ca am
incarcat celula la intreaga ei capacitate.
Cea mai sigura metoda de incarcare la curent constant este aceea in care
curentul este de 10 ori mai mic decat capacitatea acumulatorului. Asta si este
motivul pentru care pe majoritatea acumulatorilor veti gasi recomandarea de
a-i incarca la un curent egal cu C/10 timp de 14 ore. Aceasta incarcare se
numeste ?incarcare lenta?.
Mai exista si "incarcare normala" in care curentul injectat variaza
intre C/3 si C/2. Aceasta metoda incarca un acumulator in cateva ore doar.
Cele doua tipuri de incarcari de mai sus sunt reprezentate de majoritatea
incarcatoarelor pe care le gasim pe piata. Dar, mai exista si un al treilea
tip de incarcare deoarece modelistul este mereu grabit si pus pe invartit
motorul.
Nu-n ultimul rand, avem si "incarcarea rapida". Aceasta metoda
presupune o incarcare a acumulatorului cu un curent mare, multiplu de C - 2C,
3C, 5C si chiar mai mult (si ca veni vorba de "mai mult", am citit
undeva ca s-au facut niste teste pe un lot de acumulatori care au fost
incarcati cu curenti de ordinul 20C si dupa 50 de cicluri de incarcare -
descarcare nu prezentau caracteristici de functionare vizibil diferite de
acumulatorii incarcati cu 2-3...5C) Aceasta metoda presupune insa in mod
esential un incarcator foarte performant, capabil in a detecta cu mare
precizie momentul in care trebuie sa opreasca incarcarea. Aceasta, deoarece
supra-incarcarea este dusmanul numarul unu al acumulatorilor.
Nu intru in detalii, punctez doar:
-
detectia acestui punct de oprire al incarcarii se poate face cu un
dispozitiv temporizator pe care-l setez eu dupa cate minute sa opreasca
incarcarea. Hm, subiectiva si supusa erorii aceasta metoda.. Aplicabila
mai ales in cazul incarcarilor "lente" sau "normale".
Riscanta pentru "incarcarea rapida".
-
un circuit electronic ce poate detecta un comportament tipic si repetitiv
al acumulatorilor ce au atins capacitatea maxima de incarcare. Metoda se
numeste DV, si se bazeaza pe faptul ca dupa atingerea capacitatii maxime,
tensiunea la bornele celulei incepe sa scada usor. Circuitul de masura
trebuie sa fie foarte sensibil deoarece diferenta de tensiune detectata
este de ordinul 5-15mV. Metoda NU se recomanda pentru incarcari la mai
putin de 0.5C deoarece "cocoasa" ce trebuie detectata de
circuitul DV este prea mica, risca sa ramana ne-detectata iar celula risca
sa fie supra-incarcata.
-
o sonda termica ce decupleaza incarcatorul la depasirea temperaturii
ambiante cu circa 10 grade Celsius. Aceasta metoda este posibila deoarece
si acest moment este repetitiv si caracteristic acumulatorilor, in plus
coincide cu fenomentul de la pct. 2.
Un ultim comentariu la aceasta metoda il voi face asupra tipului de curent.
Curentul folosit pentru incarcare poate sa fie continuu, poate sa fie redresat
(mono/bi alternanta) sau poate sa fie pulsatoriu. Nu voi dezvolta acest
subiect acuma, inchei doar prin a preciza faptul ca curentul pulsatoriu este
pe departe curentul "preferat" al acumulatorilor.
10. Incarcarea la tensiune constanta
Aceasta metoda este folosita la incarcarea acumulatorilor de tipul Li-Ion si
Pb. Si aici, acelasi comentariu: nu folositi pentru un acumulator decat metoda
de incarcare specifica acestuia. In caz contrar, in cel mai fericit caz
riscati deteriorarea sau chiar explozia celulei acumulator.
In cazul acestei metode, incarcatorul este capabil sa ofere o tensiune
constanta la bornele celulei, iar celula isi ia curentul necesar pana cand
atinge aceeasi tensiune cu cea a generatorului, moment in care nu mai
"trage" curent.
Acest tip de incarcare este in general o metoda lenta de incarcare.
Cel mai sigur/simplu este sa urmariti instructiunile de incarcare pentru
fiecare tip de celula in parte.
11. Preturile si caracteristicile acumulatorilor
Un alt parametru important pentru fiecare dintre noi il reprezinta raportul
pret/energie. Nu voi putea da informatii clare asupra pretului exact al
fiecarui tip de acumulator dar va voi putea face oierarhie a acestora.
Ni-Cd. - Pana una-alta, acesti acumulatori ofera cel mai bun raport pret/energie.
Acest lucru se datoreaza in primul rand faptului ca tehnologia Ni-Cd este o
tehnologie rodata si matura unde nu mai apar prea multe schimbari. De
asemenea, acumulatorii Ni-Cd pot oferi capacitati in continua crestere.
Ni-MH - Desi apropiati ca performante, acumulatorii Ni-MH sunt ceva mai
scumpi. Cu toate acestea, mai prezinta si alte avantaje precum: o densitate de
energie mai mare comparativ cu Ni-Cd la acelasi volum, mai putin daunatori
mediului. (Cadmiul este o substanta chimica deosebit de toxica). In timp,
probabil tehnologia Ni-MH va ajunge din urma si chiar va depasi raportul pret/energie
al celulelor Ni-Cd.
Li-Ion - Cei mai scumpi acumulatori la aceasta categorie. Avantajul
principal il constituie o densitate de energie mult mai mare fata de celelalte
tipuri de celule, efect de memorie aproape inexistent si o autodescarcare cu
cea mai mica valoare, comparativ cu celelalte tipuri. Celulele nu sunt livrate
aproape niciodata separat, ele fiind disponibile doar sub forma de pack-uri.
Acest lucru deoarece manipularea defectuoasa a acestora poate duce la
accidente grave. De aceea, fiecare pack este prevazut cu un circuit care pe
langa stabilizarea tensiunii la iesire (necesara datorita curbei puternic
neliniare a descarcarii) mai are si circuite de protectie la supra-curent, la
supra-temperatura, protectie la conectarea cu polaritate gresita etc. Dar cu
toate aceste dezavantaje si dificultati de adaptare, acesti acumulatori sunt
cei care ofera cea mai mare densitate de energie pentru un volum dat. Deci,
foarte preferati de catre toti utilizatorii de echipamente portabile care isi
"permit" sa nu se zgarceasca la bani.
Li-Po - zisi si "litiu-polimer". Acesti acumulatori de ultima ora,
au un mare avantaj: nu necesita o forma speciala. Practic, nu exista un format
standard al acestora, ei existand sub forma unor pachetzele? pe gustul
clientului. (custom design adica). Pot fi foarte usor integrati in te miri ce
aparat. Dar au si dezavantaje. Sunt mai scumpi ca Li-Ion. Au capacitati
vizibil mai mici ca Li-Ion? tehnologia este inca tanara si in dezvoltare.
Pb - Acumulatorul pe baza de placi de plumb. Cel mai vechi, inventat in
1850 de Gaston Plant鮠De atunci a suferit nenumarate imbunatatiri dar
principiul de baza a ramas acelasi. La fel si tipurile de utilizari.
Acumulatorul pe baza de plumb a ramas un prieten de nadejde in aplicatiile
care care solicita curenti foarte mari si pe perioade mai mari de ordinul
secundelor. De asemenea, aceste solicitari (daca sunt efectuate in limitele
parametrilor prescrisi) nu pericliteaza viata acumulatorului, nedegradandu-i
performantele. (sa nu uitam ca un starter de camion poate trage pana la 600A?.
Nici un alt tip de baterie nu ar face fata unor asemenea solicitari).
Bateriile se impart si aici in doua, in functie de utilizarea lor.
Sunt acumulatorii de tip "jump start" ce sunt conceputi pentru a
putea debita curenti foarte mari pe perioade relativ scurte. Ii avem aproape
fiecare.. Unde? Sub capota masini !!! Acesti acumulatori au placile foarte
poroase, ceea ce faciliteaza un transfer energetic energic si rapid. Acesta
este motivul datorita caruia pot debita un curent atat de mare.
Un alt tip de acumulatori pe baza de plumb sunt cei de tip "deep cycle".
Dupa cum sugereaza si numele, acestia sunt conceputi pentru a sustine un
curent mai mic decat celalalt tip de baterii dar pe o durata de timp mult mai
lunga. Placile acestora sunt mult mai compacte, necesita un timp mai
indelungat pentru incarcare dar se si descarca mai lent.
Exemple de utilizare: un yaht are ambele tipuri de acumulatori. Acumulatori
tip "jump start" pentru demarorul motorului termic iar acumulatorii
tip "deep cycle" pentru instalatia electrica de iluminat si
celelalte accesorii. Bine-nteles, ambele tipuri de acumulatoare sunt incarcate
de alternator, atata timp cat motorul termic este in functiune... La fel,
intr-un UPS, ce fel de acumulatori vom gasi? Jump start sau deep cycle? Va las
sa va ganditi singuri.
12. Asamblarea celulelor
In functie de tehnologia folosita, celulele au diferite tensiuni la borne.
Ni-Cd si Ni-MH au in jur de 1.2V/ celula. Celula de Pb are 2.4V. Celula de
Li-Ion in schimb are o tensiune de 3.6V. Dupa cum vedeti, cate tipuri de
celule atatea tensiuni la borne. Majoritatea aparatelor functioneaza la
tensiuni mai mari dect tensiunea unei celule. La fel cum multe aparate
necesita un curent mai mare decat curentul maxim debitat de o celula. Si uite
asa a aparut conceptul de "pachet de baterii". In functie de
necesitati, bateriile pot fi conectate in serie sau in paralel. Sau, uneori
chiar si combinat.
Sa discutam putin pe aceasta tema.
13. Pachet serie
Cea mai des intalnita combinatie este aceea de "pachet serie". Mai
multe celule de acelasi tip si de aceeasi capacitate se conecteaza in serie,
intregul pachet avand tensiunea egala cu suma tensiunilor tuturor celulelor
iar curentul pachetului va fi egal (grosso-modo) cu curentul debitat de o
celula. Sa intram putin in detaliu.
Pentru celulele conectate in serie, se aplica un principiu de baza: veriga cea
mai slaba dicteaza performantele pachetului. De aceea, intotdeauna se
inseriaza baterii de acelasi tip si de aceeasi capacitate. (Asta, ca regula de
baza. Pentru cei implicati in modelismul competitional vor mai avea de a face
cu un concept: imperecherea celulelor. Vorbim si despre asta...)
Conectarea se poate face prin mai multe metode. Cea mai uzuala practica este
aceea prin care celulele se conecteaza intre ele prin intermediul unor barete
metalice. Lipirea se face folosind un aparat de sudura prin puncte. Se prefera
aceasta metoda deoarece orice supra-incalzire a celulei poate duce la
distrugerea stratului separator si reducerea capacitatii si pana la
distrugerea ventilului de siguranta al celulei. Din acest motiv, orice
producator de acumulatori va preciza in specificatiile tehnice ale produsului
sau ca "se interzice cu desavarsire conectarea
celulelor intre ele folosind lipiturile cu cositor".
Totusi, exista cateva tehnici cu ajutorul carora celulele pot fi cositorite
intre ele. Acest lucru a aparut si ca o necesitate avand in vedere ca cele 3-5
puncte de sudura au ajuns insuficiente pentru curentii mari care le
parcurgeau. In plus, baretele, pentru a fi sudate in puncte, erau facute
dintr-un material destul de subtire (0.3-0.5mm grosime) iar acesta, in
conditiile curentilor mari ce le strabateau se comportau ca niste rezistente,
incalzindu-se. Aceasta ducea la incalzirea rapida a pachetului de baterii ceea
ce duce in primul rand la scaderea performantelor acestuia.
O solutie a aparut sub forma baretelor de conectare. Acestea au o grosime mai
mare (1-1.5 mm) si sunt din materiale inoxidabile si bune conducatoare (cupru,
argintate sau aurite). Prevazute cu niste orificii la capete, cu putina
atentie si cu un ciocan de lipit puternic, acestea pot fi lipite direct pe
celule. In felul acesta, avem o structura rigida fizic, cu rezistente mici
intre bornele celulelor. Cat mai aproape de un pachet ideal. Nu este foarte
greu, dar este nevoie de atentie si de cateva accesorii.
Motivul pentru care in toate fisele tehnice ale acumulatorilor se specifica
?se interzice lipirea celulelor cu ajutorul ciocanului de lipit, exceptie
celulele/pachetele care au prevazute lamele speciale de conectare? il
reprezinta faptul ca supra-incalzirea celulei e cel mai scurt drum spre
distrugerea acesteia. De aceea, repet: chiar daca ati auzit ca sudura in
puncte nu rezista "miilor" de amperi pe care-i consuma
nemaipomenitul vostru motor, daca totusi decideti sa le sudati cu barete si cu
fludor, nu supra-incalziti celulele. Intr-o editie viitoare, am sa acopar si
acest subiect.
14. Pachetul paralel
In modelism, destul de rar intalnim acest tip de circuit. De aceea nici nu voi
insista prea mult.
Il gasim acolo unde avem nevoie de un plus de putere si nu gasim celula
potrivita sau solutia este ineficienta economic. Cateva exemple: motoarele
diesel foarte puternice au un demaror care este alimentat de 2 (sau mai multe)
baterii cu Pb conectate in paralel. Sau, la laptop-uri. Avand in vedere ca
celulele individuale Li-Ion au o tensiune destul de ridicata (3.6V),
pack-urile pentru laptop pot avea structuri paralele sau combinate
paralel/serie pentru a putea creste capacitatea totala a pachetului.
15. Imperecherea celulelor (cell matching)
Este foarte greu de realizat un lot de celule care sa aiba aceeasi capacitate,
in special in cazul celulelor pe baza de Nichel-Cadmiu. De aceea, in cadrul
procesului de fabricatie, fiecare celula este testata din punct de vedere al
capacitatii si acestea sunt impartite in trei grupe:
-
celule tip "A" - celule ce prezinta cea mai mare capacitate.
Sunt vandute pentru aplicatii speciale si la un pret corespunzator
-
celule tip "B" - celule folosite pentru uz industrial sau
comercial
-
celule tip "C" - celulele cu capacitatea cea mai scazuta, le
gasim de multe ori la vanzare in numar mare si la pret redus.
O capacitate nativa redusa (celulele tip "C") nu prea mai poate fi
imbunatatita semnificativ prin efectuarea de cicluri de incarcare/descarcare.
De aceea, inainte de a va zgarci la bani, hotarati-va ce capacitate o
considerati indispensabila.
Imperecherea celulelor se refera la organizarea acestora in pachete dupa
criteriul capacitatii. Celulele intr-un pachet trebuie sa se incadreze in
plaja de toleranta +/- 2.5% din punct de vedere al capacitatii acestora.
Pentru aplicatii speciale in care pachetele lucreaza la temperaturi foarte
joase sau pentru pachetele cu numar mare de celule si curenti mari de sarcina,
plaja de toleranta scade si mai mult.
De de atata tam-tam in jurul acestei discutii? Pentru ca, dupa cum v-am mai
spus, veriga cea mai slaba dicteaza parametrii unui pachet. O celula slaba va
avea o capacitate mai mica decat celelalte celule si se va descarca mai repede
decat celelalte celule. Acest dezechilibru poate duce la inversarea
polaritatii daca pachetul este descarcat prea mult. De asemenea, la incarcare,
celula mai slaba se va incarca prima dupa care va incepe sa genereze caldura,
in timp ce celelalte celule ar mai putea accepta curent de incarcare (incalzindu-se,
fie declanseaza oprirea incarcarii via sonda termica, fie incalzeste intreg
pachetul ceea ce duce la diminuarea capacitatii celorlalte celule). In ambele
situatii, celula mai slaba va diminua performantele electrice ale pachetului.
Totodata, un pachet dezechilibrat va duce si la o reducere drastica a timpului
de viata al pachetului, asta in plus fata de performantele scazute ale
acestuia.
16. Pilule (DO's and DON'T's?.)
Toate considerentele de mai jos sunt mentionate pentru a putea obtine cat mai
multe de la o un acumulator: o durata de viata cat mai mare si curenti de
descarcare cat mai apropiati de cei specificati in prospectul acumulatorului.
Incalcarea acestor recomandari duce la reducerea tuturor acestor parametrii.
Cei mai mari dusmani ai acumulatorilor sunt: supra-incarcarea si
supra-incalzirea.
Nu se recomanda sa pastrati/stocati acumulatorii (tip Ni-Cd, Ni-Mh) incarcati
100% si in circuit deschis (adica in aer liber, fara sa fie conectati in
vre-un echipament).
Nu fortati o incarcare rapida si brusca pe un acumulator descarcat profund (deep
discharge). Initiati mai intai incarcarea cu un curent mai mic, urmand ca
ulterior sa cresteti curentul pana la valoarea dorita.
N-ar fi o idee rea sa va indexati celulele in ideea de a mentine un jurnal al
utilizarii si caracteristicilor acestora. In felul asta veti reusi sa
utilizati uniform TOATE celule din dotare.
Nu scurt-circuitati niciodata bornele celulei. Si IN NICI UN CAZ atunci cand
celula este incarcata. Aceasta operatie duce la aparitia unor presiuni interne
deosebit de mari iar daca ventilul de siguranta nu functioneaza, veti fi
martorii unei explozii de toata frumusetea. Aceste celule CHIAR POT EXPLODA
daca nu se respecta un minim de reguli de functionare.
Toti parametrii bateriilor/acumulatorilor sunt valabili pentru o temperatura
ambianta de 23-25 grade Celsius. Aceasta este si temperatura optima de
utilizare. In cadrul incarcarii, incadrati-va in plaja 10 ? 40 grade Celsius.
Depasirea acestor limite de temperatura si in special evolutia acumulatorului
la temperaturi mult mai mari duc la performante drastic reduse fata de cele
specificate.
Nu incarcati niciodata un acumulator fierbinte/cald. Nu explodeaza, dar
riscati puternic sa-l deteriorati iremediabil.
Intr-un pack de acumulatori, veriga cea mai slaba dicteaza performantele
pack-ului. Din acest motiv, evitati sa descarcati sub 0.9V pe celula intreg
pack-ul. Altfel, o celula risca sa-si inverseze polaritatea iar aceasta va
afecta performantele intregului pack.
Nu supra-incarcati un acumulator. Supra-incarcarea duce la cresterea
temperaturii acumulatorului peste limitele admise si duce in final la
eliberarea de gaze prin ventilul de siguranta al celulei (Oxigen pentru
celulele Ni-Cd si Hidrogen pentru celulele Ni-MH). Dar, odata cu eliberarea de
gaz, se diminueaza si capacitatea celulei. Si aceasta capacitate pierduta, nu
mai poate fi recuperata. (decat, daca pompati printr-un dispozitiv extern,
atent mestesugit, gazul inapoi in celula. Dar mare atentie, sa nu care cumva
sa inversati celulele. Sa bagati Oxigen in celulele Ni-MH si Hidrogen in cele
Ni-Cd. Plaja de temperatura recomandata celulelor Ni-Cd si Ni-MH este 0-50
grade Celsius. In cazul in care celulele sunt supuse unui proces de incarcare
rapida, plaja se restrange la 10-40 grade Celsius.
Celulele NiCd sunt cele mai tolerante in ceea ce priveste continuarea
injectarii unui curent (relativ mic, in jur de C/10) DUPA incarcarea bateriei.
Practic, majoritatea celulelor pot suporta acest curent un timp indefinit.
Acesta este si unul din motivele succesului de piata.
Nu lasati bateriile sa lancezeasca undeva intr-un raft, perioade mari de timp.
Macar de doua ori pe an efectuati un ciclu descarcare - incarcare cu ele
folosind metoda "incarcare lenta". Daca le stocati descarcate, aveti
grija ca tensiunea pe celula sa nu scada sub 0.9V. Daca folositi metoda "incarcare
rapida", dublati numarul de exercitii pe an. In felul asta va veti bucura
mult mai mult de acumulatorii dvs.
Nu amestecati intr-un pack celule vechi cu celule noi. Veriga slaba va da
performantele pack-ului. De asemenea, folositi celule de aceeasi capacitate.
Daca una din celule este de capacitate mai mica, ea va duce la scaderea
performantelor pack-ului si va fi prima care va fi pasibila de inversarea
tensiunii atunci cand pack-ul este descarcat profund. Daca una din celule este
de capacitate mai mare decat celelalte... probabil in timp... "se va
cobori la acelasi nivel de incapacitate" cu celelalte celule. Filozofia
vietii se aplica si aici (concluzie intuitiva, ne-documentata)...
Nu toate celulele ce functioneaza pe acelasi principiu chimic sunt la fel. Nu
toate se preteaza acelorasi metode de incarcare. Cititi intai instructiunile
de utilizare, nu mai plecati urechea la folclor...
Nu incurcati setarile pe incarcatorul rapid atunci cand incarcati atata NiCd
cat si NiMH. Ele necesita regimuri si sensibilitati diferite de terminare a
incarcarii. Nerespectarea acestei reguli poate duce usor la distrugerea
celulei. (ex: sunt setat pe NiCd dar incarc NiMH. Celula se incarca, pana la
urma am noroc si incarcatorul reuseste sa detecteze incheierea incarcarii si
lasa celula pe trikle-charge (incarcare de sustinere) la C/10 in timp ce la
NiMH se recomanda C/30 - C/20 dar si astea pe durate predeterminate, nu
ca la NiCd. V-am convins? Daca da, atunci FITI ATENTI! )
In general, recomandarea este de a nu descarca o celula sub 0.9V (Panasonic
recomanda chiar 1V).
17. Bibliografie
National Semiconductor - CHARACTERISTICS OF RECHARGEABLE BATTERIES
National Semiconductor - Battery Charging
PANASONIC - Nickel Cadmium Batteries Technical Handbook '98/99