of 21 /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)

Text of Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

TEHNIKO VELEUILITE U ZAGREBUSpecijalistiki diplomski struni studij elektrotehnike

KONTROLA KAPACITETA BATERIJA-Seminarski rad-

Kolegij: UPRAVLJANJE KVALITETOM

Danilo Kosori Domagoj Devi Ivan Grani Mario Valjak Vladimir Vuzem

Zagreb, veljaa 2011.

2

Sadraj:

1. UVOD........................................................................................................................4 2. BATERIJE KAO SPREMNICI ELEKTRINE ENERGIJE.......................................5 3. ISPITIVANJE KAPACITETA BATERIJA...............................................................10 4. EKOLOKO ZBRINJAVANJE NEISPRAVNIH BATERIJA..................................16 5. ZAKLJUAK..........................................................................................................17 Kolege,........................................................................................................................17 6. LITERATURA.........................................................................................................18

1. UVOD

Dananji svijet je nezamisliv bez baterija, jer je ona prisutna u mnogim elektronikim ureajima. Vrijeme rada ureaja je odreeno njezinim kapacitetom, a kapacitet ovisi o dosta stvari, najee je to radna okolina. U ovome vremenu kada su elektroniki ureaji sve zahtjevniji od baterija se oekuje da budu pouzdane, to kompaktnije i lake te dovoljnog kapaciteta. Iz gornje navedenih razloga u ovom seminaru bavit emo se kontrolom kapaciteta baterija na nain da emo uzorkovati 10 mjerenja na 20 baterija istog tipa. Iz tih podataka mogue je uvidjeti da li je baterija kapacitivno ispravna. Dobiveni podatke uvrstili smo u tablicu te smo iz nje izradili Xsr-R kontrolnu kartu., koja slui za kontrolu procesa mjerljivih varijabli. Cilj ovog seminara je kako jednostavnom metodom priblino odrediti realni kapacitet baterije jer je to svojstvo bitno zbog mnogih kritinih procesa i ureaja koje ona napaja ( bolnice,banke, aerodrome, telekomunikacijske operatere). Ukoliko kapacitet baterije nije zadovoljavajui tj. ako pravilno ne ispunjava svoje zadae, baterija postoje neupotrebljiva i potencijalno opasna za okolinu. Zbog toga ju je potrebno ekoloki zbrinuti, o emu e takoer biti predloeno rjeenje.

4

2. BATERIJE KAO SPREMNICI ELEKTRINE ENERGIJE2.1. 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 izmeu bakra i cinka i dobili smo bateriju. Cink oksidira, ali bakar ovdje ne reducira, nego to ini kisik iz elektrolita, jer bakar u ovom sluaju se ne moe reducirati (plemenitiji je od cinka). Voltin rad je potaknuto talijanskog fiziara i lijenika Luigia Galvania , koji je 1780. primijetio da secirane ablje noge kada ih udari iskra iz Lajdenska boca , vanjski izvor elektrine energije. 1786 on je primijetio da se trzanje dogodi tijekom oluja s grmljavinom. Nakon mnogo godina Galvani je nauio kako proizvesti trzanje bez koritenja bilo kakvih vanjskih izvora elektrine energije. 1791 je objavio izvjee o "ivotinjskoj elektrinoj energiji." On je stvorio strujni krug se sastojao od abljih nogu (FL) i dva razliita metala A i B, svaki metalni je dodirivao ablju nogu i sebe ime se stvarao krug -FL-BA-FL-B ... itd. U modernom smislu, ablje noge su sluile kao elektrolit i senzor , a metali je sluio kao elektrode. On je primijetio da iako su abe mrtve, noge e se micati kad ih se dotakne s metalima. Sljedea baterija bila je nainjena od ekoloki prihvatljivog mangana (Mn) i cinka. Napravio ju je Leclanche 1866.godine. Imala je napon od 1,5V i koristila je vrlo sloene kemijske procese te je esto znala 'curiti' zbog unutranje korozije materijala. Prva 'alkalna' baterija nastala je 1940.godine i u njoj se kao elektrolit upotrebljava kalijev hidroksid (KOH). Ova baterija ba nije ekoloki prihvatljiva zbog velikog udjela kadmija i ive. Meutim, njezina velika prednost je ak pet do osam puta dulje trajanje od baterija sa cinkom i bakrom! 2.2 VRSTE BATERIJA Baterije se klasificiraju u dvije iroke kategorije, svaki tip s prednostima i nedostacima. Primarne baterije nepovratno (unutar granica praktinosti) pretvaraju kemijsku energiju u elektrinu energiju. Kad je poetna opskrba reaktanata iscrpljena, energija se ne moe lako vratiti na bateriju elektrinim putem.

Sekundarne baterije se mogu puniti ,tj, one mogu svoje kemijske reakcije okrenuti da dobavljaju elektrinu energiju u eliju , obnavljajui njihov originalan sastav. Najnovija primarna baterija (primarne baterije su one koje se ne mogu puniti) je litijska baterija. Ima dugi ivotni vijek, veliki kapacitet, lagana je i malena i moe se upotrebljavati u temperaturnom rasponu od -30 do +60 C. Takve baterije upotrebljavaju se u pejsmejkerima zbog svoje postojanosti i organskih elektrolita. 5

S vremenom je dolo i do uporabe raznih hibrida baterija i gorivih elija. (Razlika izmeu baterije i gorive elije je ta to baterija ima spremnik energije i kada se on potroi, bateriju treba napuniti ili baciti, dok kod gorive elije imamo konstantan tok energije.) Jedan od takvih hibrida bila je tzv. cink-zrak elija koja se upotrebljavala za slune aparate zbog svojih vrlo malih dimenzija. Baterije koje upotrebljavamo u mobitelima i slunim ureajima mogu se ponovno puniti, pa takve baterije nazivamo sekundarnima. Prva takva baterija bila je nikal-kadmijska (NiCd) koja je imala vrlo dobru uinkovitost, ali je i bila vrlo opasna za ljudski organizam zbog upotrebe kadmija koji uzrokuje oteenja bubrega, a u enskom organizmu moe dovesti do zamjene kalcija kadmijem to vodi do teih posljedica. Kod NiCd baterija takoer je zamijeen tzv. memory efekt - baterija 'pamti' ako je niste dobro napunili te se nikada vie ne puni iznad te razine. Sljedea se razvila nikal-metal-hidridna (NiMH) baterija koja se brzo puni, ali je isto tako i vrlo skupa te se najee koristi za hibridna vozila. Baterija koja se najee upotrebljuje u mobitelima je litij-ionska baterija. Litij ima najvei potencijal u elektrokemiji i najbolji je materijal za izradu baterija. Noviji tip baterija koje e se tek poeti vie koristiti u budunosti je litij-polimerska baterija sastavljena od nekoliko slojeva razliitih materijala i koja se pokazala najstabilnijom i najboljom dosad, ali je jo uvijek preskupa za svakodnevnu potronju.

2.3 NAIN RADA BATERIJE Svaka baterija sastoji se od osnovne tri komponente - anode, katode i elektrolita. Anoda oksidira, odnosno otputa elektrone dok se na katodi odvija redukcija, tj. proces prihvaanja elektrona. Elektrolit slui odvajanju anode i katode, odnosno kao spremnik kemijske energije. On mora biti dobar vodi protona, ali slab vodi elektrona, tj mora usporavati reakciju prebacivanja elektrona sa anode na katodu kroz elektrolit eda bi to vie elektrona prolo kroz vodie koje bi spojili na izvode elektroda (struja). Kada se elektrolit 'potroi', tj. kada svi elektroni prijeu s anode na katodu, bateriju moemo baciti.

Slika 2.3.1Leclanshe-ov lanak 6

Negativni pol (anoda) je cinana aica. Pozitivni pol (katoda) je ugljeni tapi u smjesi manganovog dioksida (MnO2) i ugljene praine (aa). Elektrolit je vodena otopina amonijevog klorida (NH4Cl(aq) ) i cinkovog klorida (ZnCl2) koja je dodavanjem kroba pretvorena u pastu. Zatvaranjem strujnog kruga izmeu negativnog i pozitivnog pola (iskoritavanja "baterije"), poinju reakcije: anodna reakcija na negativnom polu (aici):

Zn Zn2+ + 2e

katodna reakcija na pozitivnom polu (tapiu):

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 oslobaaju dva elektrona koja putuju kroz potroa (gdje obavljaju odreeni rad) te dolaze do pozitivnog pola, gdje sudjeluju u kemijskoj reakciji. Kad se sav cink na aici "potroi" (odnosno kad veina cinka otpusti po dva elektrona), kemijska reakcija vie nije mogua pa kaemo da je "baterija prazna". Leclanchov lanak nije ponovo punjiv, odnosno nakon "potronje" cinka postaje neupotrebljiv. Pokuaj punjenja baterija koje nisu za to predviene, redovito e rezultirati eksplodiranjem, ili u najmanju ruku "napuhavanjem" baterije s curenjem agresivog elektrolita koji nagriza ureaje u koje je baterija uloena.

7

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

Novi Leclanshe-ov lanak (cink-ugljen) daje napon od 1,5 V. Neke vrste baterija (Litijeve, Nikal-kadmijum i dr.) mogu meutim imati i manji radni napon, tj. 1,2 V po lanku. Za vee napone, kombinira se (povezuje se u seriju) vie lanaka. Baterije imaju mali kapacitet, pa se koriste za ureaje s malom potronjom struje. Za veu potronju koristimo akumulatore ili ispravljae, koji prikljueni na gradsku elektrinu mreu, postaju istosmjernim izvorom. Ispravljai se esto ugrauju u ureaj koga napajaju.

Ideju baterije, koja zapravo i nije izgledala kao baterija, moemo pronai u reakciji koju je koristila tzv. Daniellova elija. Daniell je cink stavio u otopinu cinkova sulfata, a bakar u otopinu bakrova sulfata. Na taj nain dobio je realcije oksidacije i redukcije, kao to smo spomenuli gore.

Ovisnost o temperaturi 8

2.4 UPOTREBA BATERIJA Dok nam prijenosna i runa raunala ve odavno rade na litij-ionskim i litijpolimerskim baterijama, ostali prenosivi ureaji kao to su discmani, mp3 playeri i digitalni fotoaparat jo uvijek uglavnom ovise o kapacitetu starijih, ali jo uvijek vrlo upotrebljivih akumulatorskih elija nikal-kadmijskog i nikal-metal-hidridnog tipa. Alkalijske baterije - imaju veliki kapacitet (priblino 2500 mAh za bateriju AA dimenzija), stabilan napon i imaju vrsti elektrolit u prahu (elektrolit ne moe iscuriti). Nisu ponovo punjive pa se koriste samo ponekad za neki mjerni ili pomoni ureaj. Litijske baterije - baterije posebne namjene, dugog skladinog vijeka (10 g. !), vrlo stabilnog napona i imaju vrsti elektrolit. Koriste se u satovima, mjernim ureajima i sl. Modelari e ih susresti u kompjutorskim radiostanicama gdje slue za odravanje memorije i rad internog sata. Nisu punjive!

Li-ion (litij - ion) - akumulatorske baterije velikog kapaciteta i male mase. Skupe su i zahtijevaju posebne punjae pa se u modelarstvu susreu samo u ultralakim elektromodelima. U dananje vrijeme se najvie koriste za napajanje mobilnih ureaja. 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 elektropokretaa (automobili), crpke za gorivo ili tinjajue svjeice. 9

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 pranjenje vee od Ni-Cd baterija. Potrebno ih je oprezno puniti i redovito dopunjavati jer im prepunjavanje ili potpuno pranjenje umanjuje trajnost. Zbog manje mase i veeg kapaciteta od Ni-Cd baterija pogodne su za upotrebu u modelima s elektrinim pogonom. esta 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 pranjenja i dugog vijeka (barem 5 g.), predstavljaju najbolji izbor za modelare i sve druge hobiste.

3. ISPITIVANJE KAPACITETA BATERIJA3.1 Upoznavanje s procesom i pokusom

10

Ispitivanje kapaciteta baterija potrebno je kako bi se utvrdilo njihovo realno stanje tijekom eksploatacije te kako bi se na neki nain odredila njihova pouzdanost. to je baterija pouzdanija to je manja vjerojatnost da e ona iznevjeriti tijekom nekog kritinog procesa napajanja ureaja. Time se pridonosi na kvaliteti procesa, ali i na smanjenju trokova. Naime, kod veih potroaa gdje se koristi niz baterija (u seriji ili paraleli ili kombinirano) vano je na vrijeme uoiti neispravnu bateriju i zamijeniti ju, u protivnom ona unitava okolne baterije (razliitom raspodjelom napona ili razliitim strujama punjenja i pranjenja) te na taj nain nakon nekog vremena izaziva dodatne trokove. Konkretan pokus ispitivanja kapaciteta baterija izveden je kod jednog telekomunikacijskog operatera gdje se veina telekomunikacijske opreme napaja preko UPS-ova (ureaji za besprekidno napajanje). Najbitniji zahtjev korisnika je da telekomunikacijska oprema ima veliku raspoloivost (24/7). UPS koristi baterije kao sekundarni izvor energije kada nestane napona u gradskoj mrei i tada pokriva rad telekomunikacijske opreme (u veini sluajeva 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 proizvoaa baterije, isti deklarira kako navedena baterija ima 100% kapaciteta ako u 1h pranjenja strujom od 30A nazivni napon baterije padne do 10,5V. Baterije su preko baterijskog prekidaa izdvojene iz kruga UPS-a te je na njihove krajnje stezaljke prikljuen adekvatan otpornik za pranjenje i pojedinano na svaku bateriju mjerna sonda. Mjerenja su izvrena u 10 uzoraka (svakih 6min u sat vremena) te je dobivena tablica raspodjela napona.

11

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

3.2 Tablica mjerenja i Xsr R kontrolna karta

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

Iz tablice raspodjele napona na baterijama moe se izraditi kontrolna karta koja se koristi za praenje i poboljanje uinka procesa, u ovome sluaju kapaciteta baterija. Iz razloga to su izvrena mjerenja za mjerljive varijable izraena je Xsr R kontrolna karta pri emu je Xsr aritmetika sredina izmjerenih raspodjela napona na uzorku od 20 baterija, a R je raspon izmeu najvee i najmanje vrijednosti u uzorku. Vrijednosti donje i gornje kontrolne granice dobivene su iz formula:

12

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

13

14

3.3 Komentari Iz izraene Xsr-R kontrolne karte vidi se da tijekom procesa pranjenja baterija, baterije pod rednim brojem 15. i 18. nisu prole kapacitivnu probu. Prelaze postavljenu granicu napona od 10.6 V po lanku. te samim time trebaju se zamijeniti. Jer svojstva baterije se mijenja kada padne ispod odreene granice koja definirana od proizvoaa. Takve baterije postaju ne pouzdane i trebaju se zamijeniti jer ne mogu odrati kvalitetu rada, a s time dovode u pitanje proces ili aktivnost koju napajaju. Ne pravilno ili ne ravnomjerno napajanje mogu prouzroiti, tetu na ureajima na koje je prikopana ne ispravna baterija.

15

4. EKOLOKO ZBRINJAVANJE NEISPRAVNIH BATERIJA

16

5. ZAKLJUAKPomou 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 zakljuili smo da baterije koje odstupaju od zadanih vrijednosti. Ne funkcioniraju dobro tj. kapacitet baterija je probio donju granicu doputenog odstupanja, koja je bila 10.6 V po lanku. Pad napona na lancima unitava bateriju i postaje nestabilna. Nestabilna baterija moe prouzroiti veliku tetu ako je spojena u seriju. Dovodi do ne ravnomjernog troenja baterije a samim time do mogunosti kvara. Potrebno je provesti korektivnu metodu odnosno zamijeniti takve baterije prije nego to prouzroe ne pravilno funkcioniranje samoga procesa ili aktivnosti za koju je zaduena. Na kraju ovoga seminara ustanovili smo da su baterije nestabilne odnosno ne zadovoljavaju zahtjeve proizvoaa, 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 toke: 3.3 i zakljuak ne valjaju ili imate neto bolje ili kvalitetnije napisati, molio bi vas da onda to ispravite i poaljete meni ( valjak, grani) U ovoj verziji koju ja imam treba ubaciti poglavlje od vuzema i staviti literaturu ( to budem ja s valjkom rjeio) Da to rijeimo i da poaljemo profesoru do sutra naveer. POZZ17

6. LITERATURA

18