Czy gęstość elektrolitu ma istotne znaczenie w ocenie poziomu naładowania akumulatora samochodowego?
Spróbuję odpowiedzieć na to wcale niełatwe pytanie, a dlaczego niełatwe ?
Pozornie gęstość elektrolitu ma pierwszorzędne znaczenie w ocenie poziomu naładowania akumulatora, lecz jak się okazuje nie do końca tak jest. Najlepszym dowodem na moją tezę jest fakt, że ostatnio zdecydowanie zmalała ilość akumulatorów które umożliwiają inspekcję elektrolitu oraz pomiar gęstości. Skoro zdecydowana większość producentów uniemożliwia pomiar gęstości elektrolitu, to może gęstość nie jest obecnie już tak istotna ?
Uważam, że tak właśnie jest i spróbuję to wyjaśnić. Badanie poziomu naładowania akumulatora poprzez pomiar gęstości, to taka zaszłość historyczna, wynikająca z optymalizacji kosztów eksploatacji posiadanego akumulatora kwasowo-ołowiowego.
Koszt wyprodukowania prostego a zarazem wystarczająco dokładnego areometru był względnie niski, więc były one łatwo dostępne oraz powszechnie stosowane. Koszt zakupu nawet najprostszego miernika napięcia czy multimetru był bardzo wysoki, zbliżony do całomiesięcznych dochodów robotnika pracującego w fabryce. Obecnie te relacje diametralnie się zmieniły a za jakiś czas areometry będą droższe od multimetrów, właściwie to już tak jest. Obecnie najtańszy areometr kosztuje 6 zł, ale też sporo areometrów kosztuje pomiędzy 50 a 100 zł. Najtańsze multimetry cyfrowe można kupić już poniżej 10 zł więc te relacje praktycznie już zatarły się. Dużą zaletą areometru jest możliwość dokonania kompleksowej oceny „kondycji” elektrolitu, a więc gęstości oraz klarowności a także rodzaju zabarwienia.
Zmiany w podejściu do sposobów pomiaru stopnia naładowania akumulatorów, wymusił postęp, którego nie da się zatrzymać
W aktualnie produkowanych akumulatorach nowych rodzajów np. EFB opad mas czynnych został zdecydowanie zredukowany, natomiast w akumulatorach AGM całkowicie uniemożliwiony. W akumulatorach żelowych oraz AGM elektrolit nie występuje w postaci płynnej lecz „uwięzionej”, uniemożliwiającej opad mas czynnych. W tych rodzajach akumulatorów nie istnieje możliwość sprawdzenia gęstości elektrolitu, ponieważ nie posiada on postaci płynnej. Akumulatory AGM czy też żelowe, pomimo że nie dają możliwości inspekcji elektrolitu, są bardzo dobrymi akumulatorami. W tych rodzajach akumulatorów areometr możemy wykorzystywać jedynie jako element dekoracyjny 😉 Jak wiadomo w tych rodzajach akumulatorów, nie można skontrolować gęstości, klarowności czy koloru elektrolitu a jednak świat nie zawalił się.
Właśnie to co napisałem wyżej jednoznacznie wskazuje, że wykonywanie inspekcji elektrolitu jest reliktem przeszłości, taką zaszłością historyczną z poprzedniej epoki. Ponieważ o poziomie naładowania akumulatora kwasowo ołowiowego decyduje stan płyt a nie gęstość elektrolitu.
Teraz dam bardzo konkretny i bezwzględnie obnażający przykład na to, że przeprowadzanie pomiarów gęstości elektrolitu nie ma większego sensu
Jak wiadomo akumulator kwasowo ołowiowy jest urządzeniem magazynującym energię w płytach ołowianych a nie w elektrolicie. Pojemność elektryczna akumulatora kwasowo ołowiowego jest uzależniona od powierzchni płyt a nie od objętości elektrolitu. Zwiększając powierzchnię płyt np. poprzez ich ilość zwiększymy pojemność elektryczną akumulatora, natomiast dolewając elektrolitu nie zmienimy tej pojemności.
Innym przykładem może być, opróżnienie skrajnie rozładowanego akumulatora z elektrolitu i zalanie go świeżym o gęstości 1,28 g/cm3. Po zalaniu świeżym a zatem gęstym elektrolitem, akumulator nie ulegnie naładowaniu, ponieważ jego płyty będą w stanie rozładowania. Skoro tak jest, to należy trzymać się tego schematu, zamiast nadal tkwić w przestarzałych przyzwyczajeniach. Już te dwa przykłady wskazują, że badanie stopnia naładowania akumulatora samochodowego przy pomocy aerometru, jest metodą dalece niedoskonałą, wręcz niewłaściwą. Areometr służy do pomiaru gęstości elektrolitu, umożliwiając jednocześnie możliwość sprawdzenia klarowności, koloru oraz poziomu elektrolitu, lecz nie stopnia naładowania !!!
Przeprowadźmy eksperyment myślowy
Użyjmy ołowianych płyt, dodatniej oraz ujemnej grubości po 2 mm o powierzchniach 10 cm2, rozdzielonych separatorem o grubości 1 mm. Zainstalujmy te płyty w obudowie o pojemności 100 cm3, całej wypełnionej elektrolitem o gęstości 1,28 g/cm3. Objętość płyt ogniwa łącznie z separatorem to 50 cm3 i objętość elektrolitu to również 50 cm3. W tak zbudowanym ogniwie będziemy mogli obserwować zmiany gęstości elektrolitu zależnie od poziomu naładowania, niczym w klasycznym akumulatorze samochodowym. Teraz wyciągnijmy to ogniwo z małej obudowy i umieśćmy w dużej obudowie, zalewając 1000 litrów elektrolitu o gęstości 1,28 g/cm3. Parametry elektryczne tego ogniwa, takie jak pojemność elektryczna czy poziom naładowania nie zmienią się. Zmianie ulegnie wyłącznie stosunek objętości elektrolitu do powierzchni elektrycznej płyt ogniwa.
Niezależnie od tego czy nasze ogniowo akumulatorowe będzie w 100% naładowane czy całkowicie rozładowane, pomiar gęstości elektrolitu nie wykaże różnicy. Różnica w gęstości będzie, jednak będzie tak mała, że tak niedoskonały instrument pomiarowy jak areometr nie wykaże żadnej różnicy. Nawet refraktometr nie wykaże żadnej różnicy gęstości elektrolitu, pomimo że jednak musiała nastąpić jakaś znikoma różnica. Ten eksperyment uwidacznia, że można zbudować akumulator kwasowo ołowiowy który niezależnie od stanu naładowania, posiada niemal niezmienną gęstość elektrolitu.
To właśnie od stosunku objętości elektrolitu do powierzchni czynnej płyt ołowianych ogniwa kwasowego, będą zależne różnice wskazań areometru. Czym większa objętość elektrolitu w stosunku do powierzchni czynnej płyt, tym mniej będzie spadała gęstość elektrolitu dla rozładowanego ogniwa. Stosunkowo mała powierzchnia czynna płyt ołowianych nie będzie w stanie pochłonąć całej siarki z elektrolitu, a tylko jej niewielką część.
To był taki skrajny przykład, lecz można użyć bardziej realnego
Klasyczny akumulator samochodowy po wyjęciu z obudowy i wstawieniu do nowej, lecz o dużo większej objętości np. 30 litrów. W tak zmodyfikowanym akumulatorze, pomiędzy stanem pełnego naładowania a całkowitego rozładowania powstanie różnica gęstości elektrolitu pomiędzy 1,28 a 1,27 g/cm3! Widząc gęstość elektrolitu 1,27 g/cm3 można by uważać, że akumulator jest bardzo dobrze naładowany, a on będzie skrajnie rozładowany. Ten eksperyment wykazał, że gęstość elektrolitu jest zależna nie tylko od poziomu naładowania. Gęstość elektrolitu w znacznym stopniu zależy od stosunku powierzchni czynnych płyt do objętości elektrolitu.
Więc co najbardziej wpływa na poziom gęstości elektrolitu ?
Jak wykazałem na gęstość elektrolitu w największym wpływa stopniu stosunek powierzchni czynnych płyt do objętości elektrolitu, poziom naładowania, oraz temperatura. Gdyby akumulatory miały ściśle ustalony stosunek objętości elektrolitu do powierzchni płyt, to pomiar areometrem nowego akumulatora miałby sens. W przypadku starego akumulatora powierzchnia czynna płyt może ulec zdecydowanemu zmniejszeniu. W takiej sytuacji zostanie mocno zaburzy stosunek powierzchni czynnych płyt do objętości elektrolitu w stosunku do nowego akumulatora. Gdy taka sytuacja nastąpi, możemy zaobserwować stosunkowo dobrą gęstość elektrolitu, pomimo skrajnie rozładowanego akumulatora.
Wymiary zewnętrzne obudowy nie zawsze idą w parze z „kubaturą” wewnętrzną
Wiadomo też, że obudowy akumulatorów pomimo standardowych wymiarów zewnętrznych, mogą różnić się objętością poszczególnych cel, zależnie od modelu czy producenta. Jeden producent użyje więcej plastiku dla wzmocnienia obudowy, inny w celu zwiększenia miejsca na płyty i elektrolit da mniej plastiku. W ten sposób powstają znaczące różnice w objętości komór poszczególnych cel, wpływające na stosunek objętości elektrolitu do powierzchni czynnej płyt. Różnice w stosunku objętości elektrolitu do powierzchni czynnej płyt akumulatorów różnych producentów, powodują różnicę w gęstości elektrolitu rozładowanego akumulatora. Stosunek powierzchni czynnych płyt do objętości elektrolitu jest również uzależniony od stopnia „upakowania” poszczególnych cel płytami ołowianym i separatorami. Czym więcej ołowiu i separatorów w przestrzeni danej celi tym mniej będzie miejsca dla elektrolitu. Więc jak widać akumulator nie równy akumulatorowi, każdy model będzie miał trochę inną budowę a co za tym i parametry.
O ile w nowych naładowanych akumulatorach gęstość elektrolitu powinna być podobna niezależnie od producenta, to już w rozładowanych mogą występować znaczące różnice
Naładowany akumulator powinien charakteryzować się gęstością elektrolitu na poziomie 1,28 g/cm3 niezależnie od stosunku powierzchni czynnej płyt do objętości elektrolitu. Jednak całkowicie rozładowany akumulator charakteryzuje się różnym poziomem gęstości elektrolitu, a zależnym od stosunku powierzchni czynnej płyt do objętości elektrolitu. Jak wykazałem, badanie poziomu naładowania akumulatora na podstawie gęstości elektrolitu, jest metodą mało dokładną, a w niektórych przypadkach wręcz bezsensowną.
Woda będąca integralną częścią elektrolitu akumulatora kwasowo ołowiowego, w trakcje eksploatacji „odparowuje”
Eksploatacja akumulatora kwasowo ołowiowego w pojeździe mechanicznym, jest nierozerwalnie związana z częstym, choć niewielkim, cyklicznym rozładowywaniem oraz doładowywaniem poprzez alternator. Te cykliczne procesy ładowania w dłuższym okresie eksploatacji, powodują utratę części wody z elektrolitu, poprzez rozkład na wodór i tlen. Najlepiej ten proces zobrazuje doświadczenie które możemy sami przeprowadzić w domu przy użyciu stosunkowo dokładnej wagi. Przed przystąpieniem do normalnej eksploatacji nowo zakupionego akumulatora, należy dokładnie zważyć go a następnie wynik zapisać markerem na obudowie. Po okresie 3 lat eksploatacji należy ponownie zważyć i zapisać wynik markerem na obudowie akumulatora. Te zapisane wartości należy odjąć od siebie, różnica związana z utraty wagi jaką wyliczymy, zapewne bardzo nas zaskoczy. Skoro już wiemy, że spora część wody będącej integralną częścią elektrolitu, uległa rozkładowi ulatując do atmosfery, to czas na wnioski !!!
A wnioski są takie jakie są, a jak wiadomo z faktami się nie dyskutuje
Elektrolit w następstwie nieustających i cyklicznych procesów ładowania uległ zagęszczeniu, poprzez rozkład elektrolityczny wody oraz ulot gazów do atmosfery. Zagęszczenie elektrolitu nastąpiło w wyniku ulotu wodoru i tlenu do atmosfery poprzez otwory technologiczne, lecz nie z powodu rewelacyjnego ładowania !!!
Cudowne prostowniki czy cudowny marketing ?
A może jest to brak zrozumienia procesów zachodzących podczas ładowania ? Nawet „najcudowniejszy” prostownik, robiący gęstość elektrolitu na poziomie 1,32 g/cm3, nie przemienił energii elektrycznej na większą ilość siarki w elektrolicie.
Ten „najcudowniejszy” prostownik zrobił to poprzez rozkład wody na gazy elektrolityczne, czyli wodór i tlen, które otworami uleciały do atmosfery. To „cudowne” zagęszczenie nie będzie zjawiskiem korzystnym, a wręcz przeciwnie, z czystym sumieniem można powiedzieć, że jest to sytuacja patologiczna. Producenci akumulatorów znają problem i zadbali, aby akumulatory były wyposażone w otwory technologiczne lub zawory VRLA, umożliwiające gazom opuszczenie obudowy. Skoro wiadomo, że w trakcie eksploatacji akumulatorów dochodzi do zagęszczenia elektrolitu na skutek rozkładu elektrolitycznego wody, wnioski nasuwają się same.
O poziomie naładowania akumulatora kwasowo ołowiowego decyduje stan powierzchni płyt a nie gęstość elektrolitu zawartego w poszczególnych celach jego obudowy
Ta gęstość może być różna w stosunku do określonego stanu, czy poziomu naładowania akumulatora kwasowo ołowiowego.
Poziom naładowania akumulatora należy wyznaczać poprzez pomiar napięcia które jest niezależne od stosunku powierzchni czynnej płyt do objętości elektrolitu. Pomiar napięcia powinien być wykonywany pod niewielkim obciążeniem np. żaróweczki 1W do 5W.
Bardzo dobrą metodą kompleksowego pomiaru przydatności eksploatacyjnej akumulatora, jest pomiar opornicą mierzącą napięcie pod bardzo dużym obciążeniem. Taki pomiar jednoznacznie weryfikuje stan akumulatora, uwzględniając zarówno poziom naładowania jak i poziom wyeksploatowania. Opornica może wskazywać podobne parametry dla nowego ale częściowo rozładowanego akumulatora, oraz dla w pełni naładowanego, lecz wyeksploatowanego akumulatora. Doświadczony serwisant-diagnosta bez żadnego problemu rozróżni te dwa przypadki.