De autoaccu. Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer

Transcriptie

1 De autoaccu In dit hoofdstuk behandelen we de functie van de autoaccu, hoe de autoaccu werkt. Dus wat er allemaal gebeurt tijdens het laden en het ontladen van de batterij. Wanneer je dit onderdeel van de wagen moet vervangen. 1 Naamgeving omtrent dit onderdeel Wanneer mensen het hebben over dit onderdeel van de auto dan spreken ze van een batterij. Eigenlijk is dit verkeerd. Want het is een accu. Het verschil tussen accu en een batterij zit in het feit dat je een accu moet opladen. Je geeft dus eerst elektrische energie aan de accu om deze energie om te zetten in chemische energie. En deze chemische energie kan je dan gebruiken om dan later elektrische energie te geven. Een batterij moet je nooit gaan opladen. Dit is dus het verschil tussen een batterij en een accu. 2 De functie van de autoaccu De functie van de accu is te zorgen voor de stroomvoorziening bij het starten van de motor. Dus zorgen voor de bekrachtiging van de veldpolen ( zie hoofdstuk over de dynamo). Maar het gaat ook over het zorgen van de bekrachtiging van de veldpolen en zorgen voor de ankerstroom van de startmotor. De startmotor heeft de functie om de motor (benzine of diesel) op gang te helpen. 3 De constructie van de accu. De autobatterij zal een spanning leveren van twaalf volt. Men heeft de accu opgedeeld in zes cellen. En deze zes cellen zal men in serie plaatsen met elkaar. Elke cel levert een spanning van rond 2,2 V bij een nieuwe batterij. Dus als je de zes cellen optelt ( dit mag je doen, want de cellen staan in serie) dan krijg je een spanning van 13,2V. Die 2,2 V noemt men de rustspanning. Die rustspanning kun je berekenen door de soortelijke massa van het elektrolyt en te delen door En dit getal vermeerdert je met 0,84. Dus als je soortelijke massa gelijk is aan Dan deel je dit getal door 1000 en vermeerder je met 0.84 = (1280/1000)+0,84 =2,12. Maar in de omgang zegt men dat een cel een nominale spanning heeft 2V. En die 2 V doe je dan maal 6. En dan bekom je de 12V autoaccu. De stroom zal gelijk blijven of het nu 1 cel is of zes cellen. Het plaatsen in serie van de cellen gebeurt door de cellen te verbinden met de poolbruggen. De verbinding wordt gerealiseerd door een celverbinding. Elke cel bestaat dan uit verschillende platen die bestaan uit roosters van lood, dit lood is met antimonium verhard. Het rooster heeft de functie om de aangebrachte pasta vast te houden. Deze pasta bestaat uit een mengsel van loodoxide en verdund zwavelzuur. Dit verdund zwavelzuur bestaat uit 75 % zwavelzuur en 25% gedistilleerd water. Tussen deze platen gaat men een separator (deze separator bestaat uit houtolie) gaan plaatsen met de bedoeling dat de twee platen niet tegen elkaar kunnen stoten. Deze separator is een materiaal die een lage elektrische weerstand heeft zodat je weinig inboet aan spanning en stroom. Verder heeft de separator de eigenschap dat het een goede mechanische weerstand is en dat het zuurtebestendig is. Dat het bestand moet zijn tegen zuur spreekt vanzelf want het elektrolyt zal onder meer bestaan uit zwavelzuur wat een zeer sterk zuur is. Als je separator niet bestand zou zijn tegen zuur dan zou het gewoon oplossen en zou het zijn functie niet meer kunnen volbrengen.

2 Men gaat ook de later positieve platen parallel gaan verbinden met elkaar en alsook de later negatieve platen. Verder zijn er ook nog twee poolen aanwezig op de accu. Dit zijn de plus-pool en de min-pool. De min-pool is bevestigd op de poolbrug van de latere negatieve platen van de uiterste cel. En de plus-pool is bevestigd op de poolbrug van de later positieve platen van de andere uiterste cel. En verder heb je nog het elektrolyt. Dit elektrolyt is zwavelzuur. Dit niet toevallig gekozen, want zwavelzuur is een goed elektrolyt. De kenmerken van een goed elektrolyt is dat het opsplitst in water alsook in ionen. Als je azijnzuur (CH 3 COOH) zou willen gebruiken als elektrolyt dan zou dat niet kunnen, want het azijnzuur lost goed op, maar het splitst niet in ionen. En daarom kun je dus geen azijnzuur gebruiken. Ook kan de elektrolyt vervriezen. Maar niet op elk moment is de vriestemperatuur hetzelfde. De vriestemperatuur hangt af van zijn soortelijke massa en van de ladingstoestand ( of de accu opgeladen is of ontladen). Het verband tussen de soortelijke massa en de vriestemperatuur is omgekeerd. Dus als de soortelijk massa daalt zal de vriestemperatuur gaan stijgen. Deze constructie van platen is omgeven door een laag kunststof namelijk PP polypropyleen. Men heeft polypropyleen niet willekeurig genomen, de fabrikanten van accu s hebben voor deze kunststof gekozen omdat ze goed bestand is tegen zuren, basen. Dus is PP goed bestand tegen het zwavelzuur dat zich bevindt binnenin de accu. 4 De werking. Om de werking van de accu duidelijk te kunnen uit te leggen ga ik de werking van de accu gaan opsplitsen in drie stappen: - de eerste keer opladen - ontladen - opladen 4.1de eerste keer opladen Wanneer je nu een accu hebt zoals hierboven is beschreven dan kun je hem nog niet gebruiken. Hij kan dus nog geen elektrische stroom gaan leveren. Eerst gaan we deze moeten opladen. Dit opladen kun je realiseren door een elektrische stroom aan te leggen aan de batterij. De min klem van de bron met min-klem van de accu en de plus-klem van de bron met de plus-klem van de accu. De stroom die je aanlegt ( de laadstroom) moet gelijk aan 5% van de nominale capaciteit bij 20uur durende ontlading De zwavelzuur afkomstig van de pasta en van de elektrolyt was al gesplitst in ionen: H 2 SO 4 2 H + + SO Dit gebeurde door het zwavelzuur te gaan vermengen met water (dit water is afkomstig van het verdund zwavelzuur). Daardoor zal het zwavelzuur gaan opsplitsen in ionen. Wanneer er nu een stroom vloeit zullen de platen die verbonden zijn met de negatieve klem, negatief geladen worden. En zullen de platen die verbonden zijn me de positieve klem, positief geladen worden. Daardoor zullen de positieve ionen (H + ) aangetrokken worden door de negatieve geladen platen. En op hun beurt zullen de negatieve ionen (SO 4 2- ) aangetrokken worden door de positieve geladen platen. Op de positieve geladen platen krijg je dan PbO ( afkomstig van de pasta) + O 2 (zuurstofionen). Met als resultaat dat je PbO 2 verkrijgt, deze platen noemt men de positieve platen. Op de negatieve geladen platen krijg je dan PbO + H 2. Met als resultaat dat de zuurstofionen van de loodoxide gaat reageren met H 2. En deze reactie heeft water als eindresultaat en heb je nog zuivere lood over. Tijdens dit proces moet je de vuldoppen van de accu altijd verwijderen. Dit is om de reden dat de verdampte elektrolyt zich kan verwijderen. Ook moet tijdens dit proces de temperatuur van de elektrolyt in het oog worden gehouden. Zo moet men ervoor zorgen dat de temperatuur niet hoger is dan 10 C voor je aan het proces begint. En

3 tijdens het proces mag de temperatuur niet hoger zijn dan 40 C. Is dat wel het geval dan moet je de oplading onderbreken tot het moment dat de temperatuur weer gedaald is onder 40 C. Na het proces moet je ook rekening houden met de soortelijke massa van het elektrolyt. Want door de hoge temperatuur van het elektrolyt is er tijdens het proces elektrolyt is verdampt waardoor de soortelijke massa is gestegen. Is dat het geval dan moet je gedistilleerd water bijdoen tot de soortelijke massa gelijk is aan 1280kg/m 3. En je moet ook na 2 uur wachten na het opladen controleren of er nog tussen de 5 à 10 mm elektrolyt staat boven de platen. Als je accu voldoet aan de bovenstaande maatregelen dan kan je de batterij gaan gebruiken Plaatsen van de accu in de wagen. Er zijn heel wat zaken waarmee de autoconstructeur rekening moet houden bij het plaatsen van de accu in wagen. Het eerste waarmee je moet rekening houden is dat de accu geplaatst moet worden in een schokvrije plaats. Want als je de accu zou plaatsen in een ruimte die onderworpen is aan schokken. Dan zouden deze schokken ervoor zorgen dat de platen van de accu kunnen beschadigt worden. Of er kunnen ook lekkages van de accu gaan optreden. Een tweede belangrijk iets is dat de temperatuur waar de accu is bevestigd niet te hoog of te laag is. Want een te hoge temperatuur, niet hoger dan 55 C, ( dit komt door de accu te dicht te plaatsen bij de motor) zal ervoor zorgen dat de levensduur van de accu afneemt. Maar de temperatuur mag ook niet te laag zijn. Want anders zou het elektrolyt kunnen vervriezen en zal de accu niet werken. Een ander iets waarmee je rekening moet houden is dat de accu vrijgesteld wordt van vervuiling en van stof. Want de vervuiling zou ervoor kunnen zorgen dat er een kortsluiting ontstaat tussen de platen. Met als gevolg dat de accu voortdurend ontladen wordt. Het laatste belangrijk iets is dat je ervoor zorgt dat de afstand tussen de startmotor en de alternator niet te groot is. Want hoe meer je kabels moeten leggen tussen deze drie onderdelen hoe groter de spanningsval is over de kabels.

4 4.2 Ontladen Wanneer je elektriciteit vraagt om de alternator en de startmotor te gaan bekrachtigen, dan zal de batterij gaan ontladen. Bij dit proces zullen de vrijgekomen zuurstof ionen van de positieve platen gaan reageren met de H + -ionen van het elektrolyt met als gevolg dat je water verkrijgt. Anderzijds zullen de lood-ionen gaan reageren met de SO 4 2 ionen van het elektrolyt tot loodsulfaat (PbSO 4 ). Doordat er water ontstaat zal de concentratie van het elektrolyt gaan dalen. Wat je kan verklaren: als je nu bv.: een concentratie hebt van 18 M, d.w.z. dat er 18 mol H 2 SO 4 hebt in een hoeveelheid van 1 liter. Als je daar nog 1 liter water bij doet, dan heb je 18 mol op 2 liters. Met als resultaat dat de concentratie, maar 9M is. En ook omdat het potentiaalverschil tussen de positieve platen en de negatieve platen verkleint omdat ze steeds meer en meer dezelfde samenstelling krijgen met name loodsulfaat. Hieronder is het principe van ontladen weergegeven door een tekening. Alle positieve en negatieve platen zijn vervangen door 1 positieve en 1 negatieve plaat. 4.3 opladen Zoals hierboven beschreven zal de concentratie van het elektrolyt gaan dalen en zal het potentiaalverschil tussen de positieve en de negatieve platen gaan dalen. En deze twee zaken hebben het gevolg dat de accu minder elektriciteit zal kunnen leveren. Daarom gaan we de accu opladen, dit opladen gebeurt tijdens het rijden. De alternator zal zorgen voor de nodige elektrische energie. De zuurstofionen van het verkregen water gaan weer aangetrokken worden door de positieve platen. Deze platen staan ook d.m.v. de positieve klem met de positieve kant van de spanning verbonden. Wanneer de zuurstofionen de positieve platen bereiken, dan zullen ze reageren met de loodionen van de loofsulfaat. Deze reactie heeft tot gevolg dat er opnieuw looddioxide (PbO 2 ) ontstaat. En de waterstofionen gaan reageren met de sulfaationen tot zwavelzuur. Daardoor gaat de concentratie van het elektrolyt opnieuw gaan stijgen en zal het potentiaalverschil terug stijgen. Er zijn ook nog enkele zaken waar je rekening moet houden als accu s oplaadt:

5 Ten eerste is dat de oplaadruimten goed geventileerd worden. De reden hiervoor wordt verder bij overladen uitgelegd. Men heeft een formule opgesteld om aan de wettelijke voorwaarden te voldoen van ontlaadruimten. De Q stelt de luchtverplaatsing voor: Q = 55 x n x l x I/h De n in deze formule verwijst naar het aantal cellen waaruit je accu bestaat. Bij een 12V-accu is dat 6 cellen en is n dus gelijk 6. De I stelt de laadstroom voor Je kunt de accu gaan opladen op twee verschillende manieren. - d.m.v een spanningsbegrenzer - d.m.v een batterijladers. Een spanningsbegrenzer wordt gebruikt in een wagen. Dus wanneer de accu zich nog in de auto bevindt. Dit soort opladen van de accu gebeurt tijdens het rijden met de wagen. Deze spanningsbegrenzer is eigenlijk de spanningsregelaar die besproken werd in het onderdeel van de dynamo. Hier hebben we het vooral over de verandering laadstroom en laadspanning d.m.v van de spanningsregelaar. Wanneer de accu opgeladen wordt met een spanningsbegrenzer dan zal de laadstroom constant blijven tijdens het laden en wanneer de accu opgeladen is, zal de laadstroom drastisch gaan verminderen. Dit heeft het voordeel dat er geen overlading kan plaatsvinden. Want men heeft gezien dat er gassen gevormd wordt ( overlading) bij een laadspanning vanaf 2,4 V (rustspanning)

6 per cel. Wel zal door de kleine laadstroom die blijft lopen de positieve platen corriseren en zal het water van elektrolyt sterk gaan verminderen. Wanneer je een accu oplaadt met een batterijlader dan zal men gaan opladen volgens een ander principe. Meer bepaald volgens het principe van de W-karakteristiek. Het verloop van de laadstroom ziet bij de batterijladers heel anders uit. De laadstroom zal exponentieel gaan afnemen. En dit in functie met de verandering van de weerstand van de batterijlader. Dus als de laadspanning toeneemt en de inwendige weerstand van de batterijlader neemt drastisch toe. Dan zal de laadstroom moeten dalen. Dit kun je verklaren met de wet van Ohm. Deze wet zegt dat : U = I x R. En als de spanning lichtjes toeneemt, maar de inwendige weerstand neemt sterker toe. Dan zal de stroom moeten dalen en dit gebeurt ook tijdens het laden. Deze manier van opladen heeft 1 groot nadeel. En dit is dat laadspanning wel boven de 2.4 V gaat en dat er dus wel gassen wordt gevormd ( overlading). En zal de capaciteit van de accu zal drastisch verminderen. Dit is de laadkarakteristiek van een acculader. Dit is de laadkarakteristiek van een spanningsbegrenzer. Capaciteit: De capaciteit van de accu wordt weergegeven in ampère uur. Dit is eigenlijk de nominale capaciteit. Het is de capaciteit dat wordt weergeven op de batterij. Vandaar de nominale capaciteit, onder dit begrip verstaan we de hoeveelheid stroom die kan afgegeven worden bij een 1/20 van de stroom die aangeduid wordt bij de capaciteit. En dit onder volgende omstandigheden: de ontlading duurt 20 u en de omgevingstemperatuur is 27 C. Een vb: Op de autoaccu staat 100Ah. D.w.z. dat er tijdens een 20-urige ontlading voortdurend 5A kan afgenomen worden, vooraleer de batterij ontladen is. De levensduur van de autoaccu. U had al waarschijnlijk al begrepen dat een autoaccu niet eeuwig kan mee gaan. Volgens de DINnormen moet een autoaccu levensduur beschikken van 250 laadcyclussen. Deze laadcyclus ontstaat uit een ontlading van 1 uur. En tijdens deze 60 minuten is de capaciteit gedaald met 40 %. Na deze

7 ontlading heb je dan ook nog een oplading van 5 uur. En tijdens deze oplading stijgt de capaciteit met 10%. Internationaal wordt aangenomen dat een accu onbruikbaar is op het moment dat zijn nominale capaciteit lager is dan 40 %. Dus in ons voorbeeld 40Ah. Dan zal je de batterij moeten vervangen. Bedrijfsomstandigheden: Er zijn enkele zaken waarmee je rekening moet houden; wanneer je spreekt over de levensduur van een accu. Dit zijn de volgende: - sulfateren - zelfontlading - overlading sulfateren: Dit verschijnsel is het belangrijkste fenomeen die ervoor zorgt dat de capaciteit verminderd. Het treedt vooral op wanneer je de accu voortdurend te weinig gaat bijladen. Of wanneer de accu ontladen blijft gedurende een lange tijd. Zal de sulfaatkristallen gaan uitkristalliseren tot sulfaatkristallen. Wanneer dat gebeurt zullen de platen niet meer gewoon lood zijn, maar wel gehard lood. Dit heeft tot gevolg dat er tijdens het opladen van de accu geen zuiver lood en loodoxyde kan gevormd worden. En dus kan de accu niet meer opgeladen worden. Er is ook nog een andere feit dat er kan voor zorgen dat er sulfateren optreedt en dat is vochtigheid. Zelfontladen: Hierboven is gezegd dat de accu zal ontladen wanneer je elektrische energie vraagt, maar dit is eigenlijk niet waar. Want als je een accu lange tijd laat staan dan zal de accu zichzelf gaan ontladen. De temperatuur speelt hier een belangrijke rol in. Want wanneer de temperatuur stijgt met 10 C, dan zal de zelfontlading gaan verdubbelen. Dit komt door het feit dat een temperatuurstijging ervoor gaat zorgen dat de beweeglijkheid van de ionen gaat stijgen. Wanneer de ionen meer gaan bewegen, vergroot de kans dat de ionen met elkaar gaan reageren en zo de accu gaat ontladen. Overlading: Wanneer je de accu oplaadt wordt er waterstofgas (H 2 ) en zuurstofgas gevormd(o 2 ). In het begin zullen deze twee stoffen gaan reageren met de platen. Maar als de accu teveel oplaadt dan zal er zal er een explosief mengel van waterstofgas en zuurstofgas ontstaan. Want de H 2 en de O 2 kunnen niet meer reageren met de platen, want de platen zijn al bedekt met lood en loodoxide. Deze gasvorming ontstaat niet alleen aan de oppervlakte van de elektrolyt. Maar ook binnenin de accu. Dit heeft tot gevolg dat de actieve massa die zich tussen de platen bevindt ( zie constructie van accu s) uiteenvalt, dus zal de capaciteit van de accu drastisch gaan verminderen. Er is verteld dat bij het opladen van de accu er gasvorming optreedt en wanneer de accu opgeladen is voor praktisch 90%. Dus wanneer je dan nog verder oplaadt ( dit heeft geen voordelen, enkel maar nadelen).zal er nog steeds waterstof- en zuurstofgas ontstaan en deze gassen gaan zich verwijderen uit de accu en gaan zich vermengen met de omgevingslucht. Met gevolg dat een vonk die ontstaat in de ruimte waar de accu zich bevindt, kan zorgen voor een ontploffing. Dus hieruit blijkt de belangrijkheid van de ventilatie van de laadruimten. Dit werd al eens aangehaald bij het opladen van een accu. Soorten accu s: - conventionele accu:

8 Bij dit soort van accu s gaat men de loodplaten meer gaan voorzien van antinonium. Doordat er meer antinonium aanwezig is dan in de gewone accu s zal er meer zelfontlading optreden en zal er een grotere verdamping van het water optreden. Daarom zijn er vuldoppen voorzien bij dit soort van accu s. - onderhoudsarme accu: Bij dit soort van accu s zal men het aandeel van antinonium verminderd worden dan 2%. Dit heeft tot gevolg dat er minder waterverdamping optreedt. Daardoor ga je tijdens de levensduur van de accu, maar slechts een paar water moeten toevoegen. - onderhoudsvrije accu: Bij dit soort van accu s gaat men de antinonium gaan vervangen door calcium. Calcium heeft het voordeel dat de verdamping van het water sterk vermindert wordt en zo zal nooit water moeten toevoegen.