21
TEHNIČKO VELEUČILIŠTE U ZAGREBU Specijalistički diplomski stručni studij elektrotehnike KONTROLA KAPACITETA BATERIJA -Seminarski rad- Kolegij: UPRAVLJANJE KVALITETOM Danilo Kosorić Domagoj Dević Ivan Granić Mario Valjak Vladimir Vuzem Zagreb, veljača 2011.

Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

TEHNIČKO VELEUČILIŠTE U ZAGREBUSpecijalistički diplomski stručni studij elektrotehnike

KONTROLA KAPACITETA BATERIJA

-Seminarski rad-

Kolegij: UPRAVLJANJE KVALITETOM

Danilo Kosorić

Domagoj Dević

Ivan Granić

Mario Valjak

Vladimir Vuzem

Zagreb, veljača 2011.

Page 2: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

Sadržaj:

1. UVOD...................................................................................................................... 12. BATERIJE KAO SPREMNICI ELEKTRIČNE ENERGIJE......................................23. ISPITIVANJE KAPACITETA BATERIJA................................................................84. EKOLOŠKO ZBRINJAVANJE NEISPRAVNIH BATERIJA.................................135. ZAKLJUČAK.........................................................................................................146. LITERATURA........................................................................................................15

Page 3: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

1. UVOD

Današnji svijet je nezamisliv bez baterija, jer je ona prisutna u mnogim elektroničkim

uređajima. Vrijeme rada uređaja je određeno njezinim kapacitetom, a kapacitet ovisi

o dosta stvari, najčešće je to radna okolina. U ovome vremenu kada su elektronički

uređaji sve zahtjevniji od baterija se očekuje da budu pouzdane, što kompaktnije i

lakše te dovoljnog kapaciteta.

Iz gornje navedenih razloga u ovom seminaru bavit ćemo se kontrolom kapaciteta

baterija na način da ćemo uzorkovati 10 mjerenja na 20 baterija istog tipa. Iz tih

podataka moguće je uvidjeti da li je baterija kapacitivno ispravna. Dobiveni podatke

uvrstili smo u tablicu te smo iz nje izradili Xsr-R kontrolnu kartu., koja služi za

kontrolu procesa mjerljivih varijabli.

Cilj ovog seminara je kako jednostavnom metodom približno odrediti realni kapacitet

baterije jer je to svojstvo bitno zbog mnogih kritičnih procesa i uređaja koje ona

napaja ( bolnice,banke, aerodrome, telekomunikacijske operatere).

Ukoliko kapacitet baterije nije zadovoljavajući tj. ako pravilno ne ispunjava svoje

zadaće, baterija postoje neupotrebljiva i potencijalno opasna za okolinu. Zbog toga ju

je potrebno ekološki zbrinuti, o čemu će također biti predloženo rješenje.

1

Page 4: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

2. BATERIJE KAO SPREMNICI ELEKTRIČNE ENERGIJE

2.1. Povijest 

Prva prava baterija nastala je 1799. godine i napravio ju je Volta po kojoj je dobila i ime - Voltin kup ili Voltina hrpa (Volta's pile). Princip je bio vrlo jednostavan - stavimo otopinu H2SO4 ili KOH između bakra i cinka i dobili smo bateriju. Cink oksidira, ali bakar ovdje ne reducira, nego to čini kisik iz elektrolita, jer bakar u ovom slučaju se ne može reducirati (plemenitiji je od cinka).

Voltin rad je potaknuto talijanskog fizičara i liječnika Luigia Galvania , koji je 1780. primijetio da secirane žablje noge kada ih udari iskra iz Lajdenska boca , vanjski izvor električne energije. 1786 on je primijetio da se trzanje dogodi tijekom oluja s grmljavinom. Nakon mnogo godina Galvani je naučio kako proizvesti trzanje bez korištenja bilo kakvih vanjskih izvora električne energije. 1791 je objavio izvješće o "životinjskoj električnoj energiji." On je stvorio strujni krug se sastojao od žabljih nogu (FL) i dva različita metala A i B, svaki metalni je dodirivao žablju nogu i sebe čime se stvarao krug -FL-BA-FL-B ... itd. U modernom smislu, žablje noge su služile kao elektrolit i senzor , a metali je služio kao elektrode. On je primijetio da iako su žabe mrtve, noge će se micati kad ih se dotakne s metalima.

Sljedeća baterija bila je načinjena od ekološki prihvatljivog mangana (Mn) i cinka. Napravio ju je Leclanche 1866.godine. Imala je napon od 1,5V i koristila je vrlo složene kemijske procese te je često znala 'curiti' zbog unutrašnje korozije materijala.Prva 'alkalna' baterija nastala je 1940.godine i u njoj se kao elektrolit upotrebljava kalijev hidroksid (KOH). Ova baterija baš nije ekološki prihvatljiva zbog velikog udjela kadmija i žive. Međutim, njezina velika prednost je čak pet do osam puta dulje trajanje od baterija sa cinkom i bakrom!

2.2 VRSTE BATERIJA

Baterije se klasificiraju u dvije široke kategorije, svaki tip s prednostima i nedostacima.

Primarne baterije nepovratno (unutar granica praktičnosti) pretvaraju kemijsku energiju u električnu energiju. Kad je početna opskrba reaktanata iscrpljena, energija se ne može lako vratiti na bateriju električnim putem.

Sekundarne baterije se mogu puniti ,tj, one mogu svoje kemijske reakcije okrenuti da dobavljaju električnu energiju u ćeliju , obnavljajući njihov originalan sastav.

Najnovija primarna baterija (primarne baterije su one koje se ne mogu puniti) je litijska baterija. Ima dugi životni vijek, veliki kapacitet, lagana je i malena i može se upotrebljavati u temperaturnom rasponu od -30 do +60 °C. Takve baterije upotrebljavaju se u pejsmejkerima zbog svoje postojanosti i organskih elektrolita.

2

Page 5: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

S vremenom je došlo i do uporabe raznih hibrida baterija i gorivih ćelija. (Razlika između baterije i gorive ćelije je ta što baterija ima spremnik energije i kada se on potroši, bateriju treba napuniti ili baciti, dok kod gorive ćelije imamo konstantan tok energije.) Jedan od takvih hibrida bila je tzv. cink-zrak ćelija koja se upotrebljavala za slušne aparate zbog svojih vrlo malih dimenzija.

Baterije koje upotrebljavamo u mobitelima i slušnim uređajima mogu se ponovno puniti, pa takve baterije nazivamo sekundarnima.

Prva takva baterija bila je nikal-kadmijska (NiCd) koja je imala vrlo dobru učinkovitost, ali je i bila vrlo opasna za ljudski organizam zbog upotrebe kadmija koji uzrokuje oštećenja bubrega, a u ženskom organizmu može dovesti do zamjene kalcija kadmijem što vodi do težih posljedica. Kod NiCd baterija također je zamijećen tzv. memory efekt - baterija 'pamti' ako je niste dobro napunili te se nikada više ne puni iznad te razine.

Sljedeća se razvila nikal-metal-hidridna (NiMH) baterija koja se brzo puni, ali je isto tako i vrlo skupa te se najčešće koristi za hibridna vozila.Baterija koja se najčešće upotrebljuje u mobitelima je litij-ionska baterija. Litij ima najveći potencijal u elektrokemiji i najbolji je materijal za izradu baterija.

Noviji tip baterija koje će se tek početi više koristiti u budućnosti je litij-polimerska baterija sastavljena od nekoliko slojeva različitih materijala i koja se pokazala najstabilnijom i najboljom dosad, ali je još uvijek preskupa za svakodnevnu potrošnju.

2.3 NAČIN RADA BATERIJE

Svaka baterija sastoji se od osnovne tri komponente - anode, katode i elektrolita. Anoda oksidira, odnosno otpušta elektrone dok se na katodi odvija redukcija, tj. proces prihvaćanja elektrona. Elektrolit služi odvajanju anode i katode, odnosno kao spremnik kemijske energije. On mora biti dobar vodič protona, ali slab vodič elektrona, tj mora usporavati reakciju prebacivanja elektrona sa anode na katodu kroz elektrolit eda bi što više elektrona prošlo kroz vodiče koje bi spojili na izvode elektroda (struja). Kada se elektrolit 'potroši', tj. kada svi elektroni prijeđu s anode na katodu, bateriju možemo baciti.

Slika 2.3.1Leclanshe-ov članak

3

Page 6: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

Negativni pol (anoda) je cinčana čašica. Pozitivni pol (katoda) je ugljeni štapić u smjesi manganovog dioksida (MnO2) i ugljene prašine (čađa). Elektrolit je vodena otopina amonijevog klorida (NH4Cl(aq) ) i cinkovog klorida (ZnCl2) koja je dodavanjem škroba pretvorena u pastu.

Zatvaranjem strujnog kruga između negativnog i pozitivnog pola (iskorištavanja "baterije"), počinju reakcije:

anodna reakcija na negativnom polu (čašici):

Zn → Zn2+ + 2e-

katodna reakcija na pozitivnom polu (štapiću):

2MnO2 + 2e- + 2NH4+ → Mn2O3 + 2NH3 + H2O

Zbrajanjem tih dviju reakcija dobivamo:

Zn + 2MnO2 + 2NH4+ → Zn2+ + Mn2O3 + 2NH3 + H2O

Napon zbog oksidacije cinka iznosi -0,76V, a napon zbog redukcije bakra

iznosi 0,34V. Kada to oduzmemo dobijemo napon od 1,10V (oduzimamo napon oksidacije od napona redukcije).

Ako bi zamijenili cink i bakar dobili bi negativan napon od -1,10V.

Slika 2.3.2Princip rada baterije

Dakle, na negativnom se polu oslobađaju dva elektrona koja putuju kroz potrošač (gdje obavljaju određeni rad) te dolaze do pozitivnog pola, gdje sudjeluju u kemijskoj reakciji. Kad se sav cink na čašici "potroši" (odnosno kad većina cinka otpusti po dva elektrona), kemijska reakcija više nije moguća pa kažemo da je "baterija prazna". Leclanchéov članak nije ponovo punjiv, odnosno nakon "potrošnje" cinka postaje neupotrebljiv. Pokušaj punjenja baterija koje nisu za to predviđene, redovito će rezultirati eksplodiranjem, ili u najmanju ruku "napuhavanjem" baterije s curenjem agresivog elektrolita koji nagriza uređaje u koje je baterija uložena.

4

Page 7: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

Slika 2.3.2Nekoliko vrsti baterija. Lijevo gore: akubaterija za fotoaparat

Novi Leclanshe-ov članak (cink-ugljen) daje napon od 1,5 V. Neke vrste baterija (Litijeve, Nikal-kadmijum i dr.) mogu međutim imati i manji radni napon, tj. 1,2 V po članku. Za veće napone, kombinira se (povezuje se u seriju) više članaka. Baterije imaju mali kapacitet, pa se koriste za uređaje s malom potrošnjom struje. Za veću potrošnju koristimo akumulatore ili ispravljače, koji priključeni na gradsku električnu mrežu, postaju istosmjernim izvorom. Ispravljači se često ugrađuju u uređaj koga napajaju.

Ideju baterije, koja zapravo i nije izgledala kao baterija, možemo pronaći u reakciji koju je koristila tzv. Daniellova ćelija. Daniell je cink stavio u otopinu

cinkova sulfata, a bakar u otopinu bakrova sulfata. Na taj način dobio je realcije oksidacije i redukcije, kao što smo spomenuli gore.

Ovisnost o temperaturi

5

Page 8: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

2.4 UPOTREBA BATERIJA

Dok nam prijenosna i ručna računala već odavno rade na litij-ionskim i litij-polimerskim baterijama, ostali prenosivi uređaji kao što su discmani, mp3 playeri i digitalni fotoaparat još uvijek uglavnom ovise o kapacitetu starijih, ali još uvijek vrlo upotrebljivih akumulatorskih ćelija nikal-kadmijskog i nikal-metal-hidridnog tipa.

Alkalijske baterije - imaju veliki kapacitet (približno 2500 mAh za bateriju AA dimenzija), stabilan napon i imaju čvrsti elektrolit u prahu (elektrolit ne može iscuriti). Nisu ponovo punjive pa se koriste samo ponekad za neki mjerni ili pomoćni uređaj.

Litijske baterije - baterije posebne namjene, dugog skladišnog vijeka (10 g. !), vrlo stabilnog napona i imaju čvrsti elektrolit. Koriste se u satovima, mjernim uređajima i sl. Modelari će ih susresti u kompjutorskim radiostanicama gdje služe za održavanje memorije i rad internog sata. Nisu punjive!

Li-ion (litij - ion) - akumulatorske baterije velikog kapaciteta i male mase. Skupe su i zahtijevaju posebne punjače pa se u modelarstvu susreću samo u ultralakim elektromodelima. U današnje vrijeme se najviše koriste za napajanje mobilnih uređaja.

Pb (olovni akumulator) - zbog velike mase neprikladni su za upotrebu u aviomodelima. Koriste se tamo gdje je potrebna velika struja u kratkom vremenu, npr. za pogon elektropokretača (automobili), crpke za gorivo ili tinjajuće svjećice.

6

Page 9: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

Ni-MH (nikal - metal hidrid) - akumulatorske baterije velikog kapaciteta (do oko 2500 mAh za bateriju AA dimenzija). Ne mogu se vrlo brzo puniti i imaju samo pražnjenje veće od Ni-Cd baterija. Potrebno ih je oprezno puniti i redovito dopunjavati jer im prepunjavanje ili potpuno pražnjenje umanjuje trajnost. Zbog manje mase i većeg kapaciteta od Ni-Cd baterija pogodne su za upotrebu u modelima s električnim pogonom. Česta upotreba je i za digitalne fotoaparate.

Ni-Cd (nikal - kadmij) - najzastupljenije akumulatorske baterije svugdje gdje vam ne treba olovni akumulator. Pristojnog kapaciteta (oko 850 mAh za bateriju AA dimenzija), brzo punjive, prihvatljive mase, malog samo pražnjenja i dugog vijeka (barem 5 g.), predstavljaju najbolji izbor za modelare i sve druge hobiste.

3. ISPITIVANJE KAPACITETA BATERIJA

3.1 Upoznavanje s procesom i pokusom

7

Page 10: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

Ispitivanje kapaciteta baterija potrebno je kako bi se utvrdilo njihovo realno

stanje tijekom eksploatacije te kako bi se na neki način odredila njihova pouzdanost.

Što je baterija pouzdanija to je manja vjerojatnost da će ona iznevjeriti tijekom nekog

kritičnog procesa napajanja uređaja. Time se pridonosi na kvaliteti procesa, ali i na

smanjenju troškova. Naime, kod većih potrošača gdje se koristi niz baterija (u seriji ili

paraleli ili kombinirano) važno je na vrijeme uočiti neispravnu bateriju i zamijeniti ju, u

protivnom ona uništava okolne baterije (različitom raspodjelom napona ili različitim

strujama punjenja i pražnjenja) te na taj način nakon nekog vremena izaziva dodatne

troškove.

Konkretan pokus ispitivanja kapaciteta baterija izveden je kod jednog

telekomunikacijskog operatera gdje se većina telekomunikacijske opreme napaja

preko UPS-ova (uređaji za besprekidno napajanje). Najbitniji zahtjev korisnika je da

telekomunikacijska oprema ima veliku raspoloživost (24/7). UPS koristi baterije kao

sekundarni izvor energije kada nestane napona u gradskoj mreži i tada pokriva rad

telekomunikacijske opreme (u većini slučajeva dok ne proradi vanjski diesel agregat i

dok nije postignuta sinkronizacija u frekvenciji). Ispitivanje kapaciteta baterija

provedeno je na jednom od jednofaznih UPS-ova nazivne snage 20kVA koji koristi

20 zatvorenih olovnih akumulatorskih baterija povezanih u seriju. Baterije su

standardnog nazivnog napona 12V i kapaciteta 40Ah te starosti 3 godine (deklariran

radni vijek do 5 godina). Prema tablici proizvođača baterije, isti deklarira kako

navedena baterija ima 100% kapaciteta ako u 1h pražnjenja strujom od 30A nazivni

napon baterije padne do 10,5V. Baterije su preko baterijskog prekidača izdvojene iz

kruga UPS-a te je na njihove krajnje stezaljke priključen adekvatan otpornik za

pražnjenje i pojedinačno na svaku bateriju mjerna sonda. Mjerenja su izvršena u 10

uzoraka (svakih 6min u sat vremena) te je dobivena tablica raspodjela napona.

8

Page 11: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

Slika 3.1.1: Tip zatvorene olovne akumulatorske baterije 12V, 40Ah na kojima je izvršeno ispitivanje

3.2 Tablica mjerenja i Xsr – R kontrolna karta

Tablica 3.2.1: 10 uzoraka raspodjele napona na 20 baterija pri konstantnoj struji pražnjenja od 30A tijekom 1h

Iz tablice raspodjele napona na baterijama može se izraditi kontrolna karta koja se

koristi za praćenje i poboljšanje učinka procesa, u ovome slučaju kapaciteta baterija.

Iz razloga što su izvršena mjerenja za mjerljive varijable izrađena je Xsr – R kontrolna

karta pri čemu je Xsr aritmetička sredina izmjerenih raspodjela napona na uzorku od

20 baterija, a R je raspon između najveće i najmanje vrijednosti u uzorku. Vrijednosti

donje i gornje kontrolne granice dobivene su iz formula:

9

Page 12: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

Tablica 3.2.2: Vrijednosti za izradu Xsr – R kontrolne karte dobivene u MS Excelu

10

Page 13: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

11

Page 14: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

3.3 Komentari

Iz izrađene Xsr-R kontrolne karte vidi se da tijekom procesa pražnjenja baterija, baterije pod

rednim brojem 15. i 18. nisu prošle kapacitivnu probu. Prelaze postavljenu granicu napona od

10.6 V po članku. te samim time trebaju se zamijeniti. Jer svojstva baterije se mijenja kada

padne ispod određene granice koja definirana od proizvođača. Takve baterije postaju ne

pouzdane i trebaju se zamijeniti jer

ne mogu održati kvalitetu rada, a s time dovode u pitanje proces ili aktivnost koju napajaju.

Ne pravilno ili ne ravnomjerno napajanje mogu prouzročiti, štetu na uređajima na koje je

prikopčana ne ispravna baterija.

12

Page 15: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

4. EKOLOŠKO ZBRINJAVANJE NEISPRAVNIH BATERIJA

13

Page 16: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

5. ZAKLJUČAK

Pomoću Xsr-R kontrolne karte testirali smo 20 istih baterija i njihove kapacitete, dobivene

podatke uvrstili smo u tablicu i nacrtali smo graf. Iz dobivenog grafa zaključili smo da

baterije koje odstupaju od zadanih vrijednosti. Ne funkcioniraju dobro tj. kapacitet baterija je

probio donju granicu dopuštenog odstupanja, koja je bila 10.6 V po članku. Pad napona na

člancima uništava bateriju i postaje nestabilna. Nestabilna baterija može prouzročiti veliku

štetu ako je spojena u seriju. Dovodi do ne ravnomjernog trošenja baterije a samim time do

mogućnosti kvara. Potrebno je provesti korektivnu metodu odnosno zamijeniti takve baterije

prije nego što prouzroče ne pravilno funkcioniranje samoga procesa ili aktivnosti za koju je

zadužena.

Na kraju ovoga seminara ustanovili smo da su baterije nestabilne odnosno ne zadovoljavaju

zahtjeve proizvođača, i te odstupaju od postavljenih vrijednosti. Odstupanje postaje vidljivo

pomicanjem vrijednosti u Xsr-R kontrolnoj karti na jednu ili drugu stranu, pa sve do

probijanja kontrolnih granica. Probijanjem kontrolnih granica baterije postaje ne upotrebljive

te ju je potrebno zamijeniti novom, da bi se proces ili aktivnost nastavila dalje bez ometanja.

Kolege,Ako po vama točke:3.3 i zaključak ne valjaju ili imate nešto bolje ili kvalitetnije napisati, molio bi vas da onda to ispravite i pošaljete meni ( valjak, granić)

U ovoj verziji koju ja imam treba ubaciti poglavlje od vuzema i staviti literaturu ( to budem ja s valjkom rješio)Da to riješimo i da pošaljemo profesoru do sutra navečer.POZZ

14

Page 17: Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

6. LITERATURA

15