EUROBAT EUROBAT GUIDE FÖR ELFORDONSBATTE- TEKNIK

Transkript

1 EUROBAT EUROBAT GUIDE FÖR ELFORDONSBATTE- RIER MED VRLA- TEKNIK

2 EUROBAT, Föreningen för europeiska tillverkare av ackumulatorbatterier, har 36 fasta och associerade medlemsföretag och representerar mer än 85 % av batteribranschen i Europa. Den fungerar som gemensam röst och referenskälla för de europeiska producenterna av start- och industribatterier gentemot konsumenter, EU-institutioner och nationella regeringar. De data som finns i den här rapporten får inte mångfaldigas utan tillstånd från EUROBAT. (EUROBAT 2003)

3 Förord Förord Den här EUROBAT-guiden har tagits fram för att främja kunskaperna, förståelsen och användningen av fordonsbatterier med VRLA-teknik (valve regulated lead acid). EUROBAT skapade den här publikationen som ett referensmaterial för användning inom utbildningssektorn. Den kan också användas som en guide för användare av fordonsbatterier vid framtagning av konstruktions- och inköpsspecifikationer. I materialet hittar du information om teknik, provning, standarder och driftförhållanden. Fler länkar finns på webbsidan Dr. Albrecht Leuschner President EUROBAT 1

4 E U R O B A T G U I D E F Ö R F O R D O N S B A T T E R I E R M E D V R L A - T E K N I K Allmänt Allmänt Ventilreglerade bly/syra-batterier (VRLA = valve regulated lead acid) för fordon använder celler eller monoblock som inte kräver någon vattenkontroll under hela livslängden. Jämfört med vanliga batterier med fri elektrolyt producerar de här batterierna mycket små mängder vätgas och syrgas, vilka evakueras via en backventil som inte släpper in någon luft. Systemet eliminerar helt risken för att batterisyra ska förorena laddningsplatsen och gör att det inte krävs någon särskild ventilation för att undvika förhöjd vätgaskoncentration på laddningsplatsen. Om du använder effektiv laddningsteknik är kostnaden för elektriciteten oftast lägre för VRLA-batterier än för traditionella, fritt ventilerade batterier. Tillverkningen av fordonsbatterier med VRLA-teknik kräver fler och dyrare komponenter, material och produktionssteg. För att få lång livslängd och optimal laddning krävs elektroniskt styrd laddström och en algoritmstyrning som är mer komplex än för traditionella batterier med fri elektolyt. Flera olika VRLA-system förekommer med olika tekniker för optimal laddning. Därför är det inte säkert att du kan använda samma laddare till batterier från olika tillverkare, även om batteriernas spänning och kapacitet är den samma. VRLA-batterier och deras laddare har högre tillverkningskostnad än vad som gäller för batterier med fri elektrolyt. För vissa tillämpningar, framför allt vid kraftig urladdningseffekt eller då temperaturen är låg vid laddning, kan livslängden förkortas för VRLA-batterier. För att få lång livslängd bör du diskutera användningsområdet med batteritillverkaren och följa rekommendationerna. Teknik Teknik De positiva och negativa plattornas förmåga att ta emot laddning i bly/syra-cellen avtar i takt med att batteriet närmar sig full laddningsnivå. När spänningen ökar så ökar också sönderdelningen av vatten, den alternativa kemiska reaktionen, så att syrgas bildas vid de positiva plattorna och vätgas vid de negativa. Normalt avtar laddverkningsgraden, med ökande gasbildning som följd, tidigare och i högre utsträckning vid den positiva plattan än vid den negativa. Svavelsyra ingår som reaktionsämne i elektrolyten i blybatteriet. Allt eftersom urladdningen fortgår minskar elektrolytens densitet. Den svavelsyra som bildas vid uppladdning har relativt hög densitet och sjunker till botten i cellen på grund av gravitationskraften. Om elektrolyten inte rörs om kommer svavelsyrakoncentrationen i botten av cellen att bli för hög för att medge effektiv laddning och för att cellen ska må bra, samtidigt som det blir för lite svavelsyra överst i cellen för att ge tillräcklig urladdningseffekt här. Elektrolytskiktning är den term som 2

5 E U R O B A T G U I D E F Ö R F O R D O N S B A T T E R I E R M E D V R L A - T E K N I K används för att beskriva en densitetsgradient i elektrolyten som inte försvinner under normal laddning. I blybatterier med fri elektrolyt krävs en viss överladdning för att ge full återladdning av de positiva och negativa plattorna och för att röra om elektrolyten med hjälp av vätgas- och syrgasbubblorna. Elektrolytnivån måste upprätthållas genom att man fyller på vatten med jämna mellanrum. Besväret att med jämna mellanrum behöva fylla på vatten i traditionella blybatterier slipper man om man använder ett automatiskt vattenpåfyllningssystem. Vattenförbrukningen och behovet av vattenpåfyllning av batterier med fri elektrolyt minskar, men elimineras inte helt, om man använder s.k. lågunderhållsbatterier som har en förbättrad elektrokemisk konstruktion. Elektrolytskiktningen undviks genom att man tillåter en viss överladdning som är optimerad för att skapa en omrörning med hjälp av gasbildningen eller genom att använda en elektrolytblandningspump. Om elektrolyten rörs om kan man upprätthålla batterikapaciteten med en mindre överladdning vid varje laddcykel. Det sker genom att man modifierar algoritmen för laddavslutningen. Elkostnaden och vattenförbrukningen minskar. Mindre underhållsbehov Ventilreglerade fordonsbatterier Automatisk vattenpåfyllning + Elektrolytomrörning + Kontrollerad överladdning + Elektrokemisk design Automatiska vattenpåfyllningssystem Traditionella elektrolytbadsbatterier Elektrolytbadsbatterier AGM-/Gelbatterier I VRLA-batterier undviker man densitetsspridningen i elektrolyten som leder till elektrolytskiktning genom att binda elektrolyten i en gel eller hindra passagen med skiljeväggar av absorberande mikrofibrer av glas (AGM). Därför behövs ingen omrörning av elektrolyten. VRLA-batterier av typerna Gel och AGM har olika karaktäristika, framför allt när det gäller laddningstekniken. VRLA-batterierna är inte helt mättade med elektrolyt vilket gör att den syrgas som bildas vid de positiva plattorna, när dessa börjar bli fulladdade, kan VRLA-batterier diffundera till och reagera med den negativa plattan så att uppladdningen av den mer effektiva elektroden fördröjs. Det innebär att man med rätt laddningsteknik kan balansera laddningen av positiva och negativa plattor med relativt begränsad överladdning. När det gäller syrecykeln så reagerar överladdningssyret med den negativa plattan och hindrar motsvarande väteproduktion. Den typiska gasutvecklingen och vattenförlusten från VRLA-batterier motsvarar mindre än 1 % av överladdningsekvivalenten. Frånvaron av elektrolytskiktning gör att VRLA-batterierna kräver mindre överladdning och tack vare syrecykeln elimineras i stor utsträckning vattenförlusterna och gasutvecklingen. Tillverkningsmaterial med låg föroreningsgrad och antimonfria legeringar bidrar till att VRLA-batterierna får hög livslängd utan behov av vattenpåfyllning. 3

6 E U R O B A T G U I D E F Ö R F O R D O N S B A T T E R I E R M E D V R L A - T E K N I K Provning Provning och standard och standard IEC (1997), Bly/syra-batterier för fordon är tillämplig för VRLA-batterier för fordonsbruk. Urladdningskapaciteten anges för fem timmars urladdning vid en uppmätt eller korrigerad cell- eller batteritemperatur på 30 C. Provningens urladdningsström på 20 A per 100 Ah nominell kapacitet upprätthålls tills den genomsnittliga cellspänningen faller till 1,70 V. Livslängden bestäms genom cykler med 70 % urladdning vid 20 A per 100 Ah i 3,5 h och laddning enligt tillverkarens rekommendationer. Under dessa cykler ska celltemperaturen befinna sig i intervallet 33 till 43 C. Livslängdsprovningen avslutas när den tillgängliga kapaciteten under en urladdning i mätcykeln faller under 80 % av nominellt värde. I det här provet måste batteriet klara minst det antal cykler som tillverkaren har angivit. För konventionella bly/syra-batterier för elektriska fordon används cykler med 75 % urladdning vid 25 A per 100 Ah tills den uppmätta kapaciteten faller under 80 % av den nominella. Drift Drift Underhåll VRLA-batterier är inte avsedda eller konstruerade för påfyllning av vatten i elektrolyten. Det finns ingen risk för spill vilket gör att man slipper problem med krypströmmar och korrosion på batteri, batterihållare, fordon och laddningsplats. Laddning Laddare för AGM- och Gel-batterier skiljer sig åt beroende på vilken teknik som används. Gasåterföreningen som i princip eliminerar vattenförlusterna i form av vätgas och syrgas, påverkar spänningssvaret vid laddningen. Det påverkar i sin tur laddningsalgoritmen, hur strömmen överförs till batteriet och de olika säkerhetskontroller som krävs. Elektroniskt styrda laddare används för fordonsbatterier med VRLA-teknik så att den specificerade laddningsprofilen och avslutningsalgoritmen följs oberoende av nätfluktuationerna. Laddningen måste ske i enlighet med batteritillverkarens rekommendationer eller specifikationer. Temperaturen påverkar laddningen. Ju högre temperatur, desto lägre spänningsrespons på strömmen. Laddningskompensation med hänsyn till batteritemperaturen kan undanröja problemet. För drift i låga temperaturer (kyllager), kontakta batteritillverkaren. Även om det kan bidra till högre driftstemperatur för batteriet kan påfyllningsladdning när tillfälle ges vara en lämplig metod för vissa tillämpningar. För att uppnå maximal livslängd kan det emellertid krävas speciella profiler för 4

7 E U R O B A T G U I D E F Ö R F O R D O N S B A T T E R I E R M E D V R L A - T E K N I K pausladdning resp. fulladdning. Kontakta batteritillverkaren om du behöver särskild rådgivning. Drifttemperatur % depth % urladdningsgrad of discharge % of av C5 C5 capacity kapacitet Angiven kapacitet gäller för en batteritemperatur på 30 C. Som figuren nedan visar påverkas den tillgängliga kapaciteten av temperaturen och blir kraftigt reducerad vid låga temperaturer. Livslängden minskar vid drift i höga Tillgänglig Capacity available kapacitet at different vid olika temperaturer och laddningseffektiviteten minskar vid låga temperaturer temperatures för for VRLA-batterier batteries temperaturer. Optimal Ideal operating drifttemperatur temperature Acceptabel Acceptable operating drifttemperatur temperature Rådgör Refer to med manufacturer tillverkaren before före using användning these temperatures i dessa temperaturer 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% -20 C -10 C 0 C 10 C 20 C C 45 C Temperature Batteritemperaturen påverkas av urladdningseffekten och batteristorleken och naturligtvis av omgivningstemperaturen. För tillämpningar där omgivningstemperaturen ligger utanför det tillåtna intervallet, kontakta batteritillverkaren. Livslängd och övervakning av urladdningsgraden Förhållandet mellan livslängden och graden av urladdning visas i figuren. Batterier med fri elektrolyt kan urladdas till 80 % av nominell kapacitet med bibehållen god livslängd. Livslängden för VRLAbatterierna gagnas om uttaget begränsas Effect Urladdningsgradens of depth of discharge effekt till 70 % av maximal urladdning. på on ett battery batteris cycle livslängd life Installation av en hydraulisk spärr eller en 80% laddningsnivåindikator kan krävas om man vill maximera livslängden. Råd om hur 70% 60% 50% du ställer in den här typen av enheter och allmänna anvisningar om förbättring av livslängden kan du som användare hitta i batteritillverkarens bruksanvisning. Se 40% 30% även ZVEI paper Considerations on the life of Traction Batteries 100% 120% 140% 160% 180% 200% service livslängd life 5

8 EUROBAT Association of European Storage Battery Manufacturers Avenue Marcel Thiry 204 BE-1200 Bryssel Belgien Tel: Fax: eurobat@eyam.be