Akumulátory poháňajú naše každodenné zariadenia, od smartfónov až po elektrické vozidlá. Vďaka nim môžeme využívať mobilné možnosti mnohých zariadení a napájať rôzne systémy. Ale ako si vybrať ten správny typ batérie pre vaše potreby? Tento článok porovnáva nikel-kadmiové (NiCd), nikel-metal hydridové (NiMH) a lítiové batérie, aby vám pomohol urobiť informované rozhodnutie.
História a vývoj batérií
Jeden z prvých typov dobíjateľných batérií, ktorý umožnil rozmach prenosnej elektroniky, bola nikel-kadmiová batéria (NiCd). Postupne ich nahrádzajú nikel-metal hydridové (NiMH) a lítiové batérie.
Nikel-kadmiové (NiCd) batérie
Ich veľkou nevýhodou je tzv. „pamäťový efekt". Ak totiž NiCd batérie dobijete predtým, ako boli plne vybité, „zabudnú", že mali ešte rezervu a ďalší raz sú schopné dodať už len toľko energie, o koľko ste ich dobili. Pokiaľ ich však pred každým dobíjaním úplne vybijete, vydržia stovky nabíjacích cyklov.
Nikel-metal hydridové (NiMH) batérie
Vysokokapacitné dobíjacie akumulátory najvyššej kvality. Postupne nahrádzajú NiCd batérie, pretože na rozdiel od nich netrpia pamäťovým efektom a keďže kadmium v nich nahradila zmes iných kovov a vodík, sú menšou záťažou pre životné prostredie. Okrem toho ich je možne znovu nabiť až 1000 krát. Mierne vyššia investícia pri kúpe sa preto onedlho vráti. S týmto typom batérií šetríte prírodu aj vlastnú peňaženku.
Lítiové batérie
Sú rovnakom výkone a s rovnakou životnosti ako NiMH batérie ale takmet až o polovicu menšie, ľahšie, ohľaduplnejšie k životnému prostrediu a neobsahujú toxický kadmium. Ich nevýhodou je vyššia cena, no napriek tomu momentálne dominujú na trhu dobíjateľných akumulátorov.
Prečítajte si tiež: Odpisová skupina pre ohrievače vína
AGM a LiFePO4 batérie: Moderné alternatívy
Okrem tradičných nikel-kadmiových, nikel-metal hydridových a lítiových batérií, existujú aj modernejšie typy akumulátorov, ako sú AGM (Absorbent Glass Mat) a LiFePO4 (lítium-železo-fosfátové) batérie. Tieto batérie ponúkajú špecifické výhody a sú vhodné pre rôzne aplikácie.
AGM batérie
Akumulátory AGM sa tešia veľkej popularite. Hoci sa dá povedať, že sú vzdialeným príbuzným tradičných oloveno-kyselinových akumulátorov, v porovnaní s nimi zaručujú výrazne lepšie výsledky, vyšší počet cyklov a bezpečnosť. Tajomstvo spočíva v dôkladne premyslenej konštrukcii a použití sklených vlákien, vďaka čomu je elektrolyt hermeticky uzavretý a zabezpečený. Vďaka starostlivo prepracovanej konštrukcii akumulátorov AGM sa vzduch ani nečistoty nedostanú do vnútra batérie.
Ako vybrať batériu AGM?
Najdôležitejším parametrom, na ktorý treba dbať, je napätie. Musí byť rovnaké ako v predtým používanej batérii. Ak si nie ste istí, či vybraný akumulátor AGM bude z hľadiska parametrov vyhovovať vášmu zariadeniu, môžete využiť kalkulačku dostupnú na stránke klavesnica.sk.
Všestranné využitie AGM batérií
Jednou z mnohých výhod akumulátorov AGM je ich všestranné využitie. Dokonale sa osvedčia v cyklickej aj vyrovnávacej prevádzke. V prvom prípade akumulátor plní funkciu núdzového napájania pre pripojené zariadenie, napríklad registračnú pokladňu alebo záložný zdroj UPS. Akumulátory AGM sa dajú využiť aj v cyklickej prevádzke ako hlavný zdroj energie.
LiFePO4 batérie
Lítium-železo-fosfátové akumulátory (známe tiež ako LiFePO4) sú veľmi silní a cenení hráči vo svete batérií. Ich životnosť, ktorá môže dosiahnuť až niekoľko tisíc úplných nabíjacích cyklov, niekoľkonásobne prevyšuje možnosti napríklad AGM. Batérie LFP sa vyznačujú vysokou hustotou energie, nízkymi hodnotami samovybíjania a nemajú pamäťový efekt. Navyše sú menej náchylné na vznietenie alebo výbuch v prípade poškodenia, čo zaručuje najvyššie štandardy bezpečnosti. Čo je dôležité, LiFePO4 sú v porovnaní s väčšinou akumulátorov iného typu ekologickejšie, pretože obsahujú menej toxických látok a ľahšie sa recyklujú. Majú veľkú kapacitu, ktorá ide ruka v ruke s relatívne nízkou hmotnosťou. Sú vhodné na napájanie off-grid systémov.
Prečítajte si tiež: Poradenstvo pri výbere čističky vzduchu
AGM alebo LiFePO4?
Rozhodnutie je na vás. Keď poznáte rozdiel medzi AGM a LiFePO4, bez problémov vyberiete akumulátor prispôsobený vašim potrebám. Batérie AGM sú podstatne lacnejšie a vyznačujú sa veľmi dobrou účinnosťou a môžu bezpečne pracovať v akejkoľvek polohe - dokonca aj vodorovne. Batérie LiFePO4 sú drahšie, trvácnejšie, majú dlhší životný cyklus a sú odolnejšie voči hlbokému vybitiu, čo z nich robí ideálnu voľbu pre aplikácie, kde sa vyžaduje vysoká spoľahlivosť, trvanlivosť a dlhá životnosť. Dobre vybraný akumulátor vám zaručí dlhú a bezpečnú prevádzku vašich zariadení. Ako AGM, tak aj LiFePO4 nájdete v obchode klavesnica.sk.
Napätie batériových systémov
Batériové systémy pre rôzne použitia vyžadujú špecifické napätie. Ktoré veličiny určujú výšku napätia v danej aplikácii a aké možnosti ponúkajú jednotlivé akumulátorové technológie? Napäťové sústavy pre jednosmerné rozvody sú normované na 12 V, 24 V, 48 V, 120 V. V súvislosti s rozvojom batériových systémov pre uloženie väčšieho množstva energie dochádza v súčasnosti k vývoju i týchto napäťových hladín.
Čo je batéria?
Odpoveď je veľmi jednoduchá: "Batéria je súbor vzájomne prepojených článkov." Napríklad ľudovým názvom "tužková batéria" sa správne nazýva článok R6 alebo LR6. Písmená v označení článku udávajú typ článku a číslo jeho rozmer. Článok je jeden elektrochemický systém skladajúci sa z anódy, elektrolytu a katódy. Z konštrukčných dôvodov je často medzi anódou a katódou vložený separátor z izolačného materiálu, ktorý ale umožňuje prepúšťať ióny nesúce elektrický náboj. Napätie článku je závislé od rozdielu elektrochemického potenciálu anódy a katódy.
Prečo je napätie batérie "kvantované"?
Vzhľadom k faktu, že napätie článkov je dané ich chemickú podstatou, nie je možné z článkov jedného typu zložiť batériu o ľubovoľnom napätí. Pretože v batérii je potrebné používať iba články jedného typu, je tak napätie celej batérie "kvantované". Napríklad jeden zinkovo - chloridový článok má napätie 1,5 V, takzvaná "plochá batéria" potom pozostáva z troch článkov a jej napätie je 4,5 V. V prípade akumulátorov sa zachovalo z minulosti rozdelenia napäťových hladín DC sústav po 2 V (6, 12 V, 24 V, 36 V, 48 V, 96 V, 120 V …). Toto delenie vychádzalo z menovitého napätia oloveného akumulátora. Pri použití dnešných moderných lítiových článkov je potom snaha tieto hladiny z dôvodov kompatibility dodržiavať, a to aj za cenu, že v skutočnosti bude menovité napätie takej batérie mierne odlišné. Niektoré napäťové hladiny sú aj u moderných systémov zhodné.
Napätie elektrochemického článku
Každý sekundárny (nabíjateľný) elektrochemický článok má definovanú základnú trojicu hodnôt napätia vychádzajúcich zo samotnej chemickej podstaty článku. Sú to: menovité napätie, minimálne vybíjacie napätie a maximálne nabíjacie napätie. Ďalej potom výrobcovia definujú takzvané odporúčané napätia. Napätie uvádzané výrobcom článku na jeho obale, je typické pre daný článok. Je napätia, na ktoré možno článok bezpečne vybíjať, tak aby nedošlo k jeho trvalému poškodeniu. Výrobca preto často odporúča ešte druhú (mierne väčšia) hodnotu napätia, než je minimálna vybíjacie napätie, pri tejto hodnote potom zaručuje cyklickú životnosť článku. Podobne ako pri napätí vybíjacieho, výrobca väčšinou odporúča s ohľadom na životnosť článok nabíjať na napätie mierne menšie. Často tento fakt tiež nezmieňuje v dátovom liste explicitne. Napätie článku sa teda pohybuje v rozmedzí medzi dolnou a hornou hodnotou doporučenej výrobcom. Napríklad pre olovenú 12V batériu vybíjanú malým prúdom to znamená 10,5 V až 14,1 V. V prípade náhrady LiFePO4 batérií (menovité napätie 12,8 V) sa pohybujeme v hodnotách 10 V až 16 V.
Prečítajte si tiež: 3000 mAh: Ako maximalizovať výdrž batérie
Zmena napätia počas nabíjania a vybíjania
Z tabuľky tiež je zrejmé, o koľko percent sa zmení napätie počas nabíjania či vybíjania článku. Tento rozsah je potrebné brať do úvahy pri návrhu batériových systémov. U systémov založených na olove bola táto zmena okolo 30%, v prípade moderných lítiových systémov sa blíži až k 50%. Na druhú stranu lítiové systémy majú plochšiu vybíjaciu charakteristiku, a tak ak batéria nepracuje v rozmedzí hodnôt medzných, ale odporúčaných, prípadne ak ešte viac obmedzíme z dôvodov dlhšej životnosti minimálne prevádzkové napätie, je zmena napätia porovnateľná, respektíve lepšie ako u batérií olovených.
Napäťové hladiny a ich použitie
Napäťové hladiny úzko súvisia s použitím batérie v danej aplikácii. Často sú tieto hladiny dlhodobo fixované a ich zmena nie je ľahká. Stacionárne batériové systémy pre domáce využitie majú najčastejšie úložnú kapacitu okolo 5 kWh, s výkonom 3 kW až 8 kW. Ak vezmeme strednú hodnotu 5 kW, znamená to pri systémovom napätí 12 V prúd cez 400 A, pri napätí 48 V je to cca 100 A. Pre vysokonapäťové batérie (HV) vychádza ale prúd pri systémovom napätí 300 V na 16 A.
- 12V systémy: 12V rozvody sú v súčasnej dobe najbežnejšie ako napätie pre palubnú sieť u osobných automobilov, ďalej pre systémy LED osvetlenia. V prípade automobilu je zdrojom napätia systém alternátor - olovená batéria. O nabíjanie a stráženie napäťové hladiny sa stará riadiaci systém. U starších vozidiel elektro - mechanický (nabíjacie relé) a pri novších potom elektronický systém. Nevýhodou elektromechanického systému je väčšia rozmedzie prevádzkového napätia a tým aj možnosť prebíjania batérie, voči ktorému sú citlivé predovšetkým takzvané bezúdržbové batérie.
- 24V systémy: 24V systémy nájdeme predovšetkým ako palubnú sieť nákladných automobilov a pracovných strojov. Ďalej sa s týmto napätím možno stretnúť v rozsiahlejších autonómnych systémoch s výkonmi okolo 1 až 2 kW, ktoré sú často využívané na napájanie väčších odľahlých rekreačných objektov, kde zaisťujú základné pokrytie potrieb elektrickej energie na svietenie a prevádzku niektorých spotrebičov.
- 48V systémy: 48V palubná sieť u moderných hybridných automobilov umožňuje využitie elektrickej energie aj pre pohon energeticky náročnejších aplikácií ako sú klimatizácia, jazdný asistenti, aktívny podvozok a v neposlednom rade je možné pri tomto napätí už uvažovať aj pre využitie elektrickej energie na pohon vozidla. Hlavnou výhodou stáleho palubného napätia 48 V je potom zachovanie týchto funkcií aj pri vypnutom spaľovacom motore. Použitie hladiny 48 V u domácich batériových systémov je možné vnímať ako snahu o úsporu nákladov (je použitá väčšinou kompaktná batéria 48 V ako základ stavebnicového riešenia) nie technologické optimum.
- 120V systémy: Menej rozšírené systémové napätie pre výkony do približne 10 kW. 120 V je staršia, ale veľmi rozšírená napäťová sústava pre jednosmerné rozvody.
- Vysokonapäťové (HV) systémy: Ako vysokonapäťové (HV) systémy, sú označované systémy pre napätie vyššie ako približne 150 V. U domácich batérií je snaha používať napäťové hladiny blízkej špičkovej hodnote požadovaného výstupného striedavého napätia. Teda 325 V pre jednofázový systém, prípadne cca 600 V pre systém trojfázový. Dôvodom tejto snahy je minimalizácia strát v systéme spôsobených úpravou hodnoty napätia.
Čo ovplyvňuje voľbu napäťové hladiny systému?
V prípade jednosmerného napätia je nutné spomenúť dve deliace roviny a to hodnotu cca 28 V a hodnotu 60 V. Prvá hodnota je hodnotou napätia, od ktorého je možné udržať zapálený oblúkový výboj. Stratový výkon rezistora je definovaný ako súčin napätia na rezistore a prúdu rezistorom prechádzajúcim. Ak vyjadríme straty v obvode ako výkon zmarený na odporu vodičov, potom možno konštatovať, že zmarený výkon rastie kvadraticky s rastúcim prúdom. Dimenzovanie vodičov sa často vykonáva na základe maximálnej povolenej prúdovej hustoty pre daný materiál vodiča. Je teda žiaduce znižovať hustotu prúdu (prúd) vo vodiči, a to použitím vyššieho napätia. Na druhú stranu príliš nízka prúdová hustota znamená nižšie využitie vodiča a tým pádom vyššie náklady na vedenie.
Výhody a nevýhody zvyšovania napätia
Samotný elektrochemický článok (lítiového typu) má hodnotu maximálneho napätia okolo štyroch voltov. Pre uloženie väčšieho množstva energie je potom potrebna veľká ampérhodinová kapacita článku. Z vyššie uvedených postrehov možno teda vyvodiť záver, že pre prevádzku batériového úložiska s veľkou kapacitou je vhodné zvýšiť napätie systému. Bohužiaľ zvyšovanie systémového napätia sériovým radením článkov so sebou nesie riziko nerovnomerného rozloženia napätia na článkoch a tým aj ich možné poškodenie. Takýto systém potom výrazne zvyšuje nároky na riadiace systémy (BMS, battery management system). Systém pre vysoké napätie musí byť pre splnenie požiadaviek bezpečnosti dimenzovaný na krátkodobé prepätia v poriadku tisícov voltov.
Bezpečnosť a napätie
Z hľadiska úrazu elektrickým prúdom o maximálnom bezpečnom napätí rozhoduje okolité prostredie. U jednosmerných (DC) systémov je za bezpečnú hodnotu považované napätie živých častí 60 V (krátkodobo - pri poruche - možno pripustiť výskyt napätia až 120 V) v prípade obzvlášť nebezpečných priestorov (vlhké, stiesnené priestory) je potom maximálne prípustné napätie pri poruche 25 V a nie je povolený dotyk so živou časťou. V prípade špecifických požiadaviek môže byť hladina bezpečného napätia ďalej znížená na 12 V. Systémy s napätím vyšším ako je cca 100 V tak možno považovať vo väčšine prípadov za systémy nebezpečné. V prípade systémov o systémovom napätí vyššom ako cca 28 V je potreba pripočítať ešte nebezpečenstvo spojené s horením oblúka pri prerušení obvodu. Horenie oblúka je sprevádzané veľkým vývinom tepla a následným poškodením (opálením) aj kovových častí systému. Oblúk je tiež hlavným limitujúcim faktorom pri kontaktnom spôsobe spínania jednosmerného prúdu. Pri napätiach pod cca 28 V možno vplyv oblúka zanedbať. V tom prípade sa spínacie prvky konštruujú ako systémy bez zhášacích komôr a je nutné iba dimenzovať plochou kontaktu. Pri napätiach vyšších je nutné realizovať opatrenia pre zhášanie oblúka. Tieto systémy sú často veľmi komplikované (magnetické zhášanie, tlakovzdušné zhášanie) preto je v súčasnej dobe snaha tieto systémy nahrádzať, tam kde je to technicky možné a vhodné, pomocou bezkontaktných polovodičových spínačov. U spínačov je potom tiež nutné pri dimenzovaní zohľadniť vznik prepätia vplyvom indukčnosti obvodu, keď toto prepätie môže napomáhať zapálenie oblúka alebo poškodiť polovodičový spínač. Spínacie prvky je nutné dimenzovať s bezpečnostným koeficientom > 2, teda pre napätie 1200 V až 1600 V a v neposlednom rade je problematické aj samotné sériové radenie jednotlivých článkov s ohľadom na výrobné tolerancie kapacity článku.