Jak poprawnie ładować akumulatory na jachcie?

Ładowarki Victron

W poprzednim artykule Ile akumulatorów na jachcie?, pisałem jak duży powinien być bank akumulatorów na jachcie. Żeby akumulatory służyły nam długo a ich pojemność zmniejszała się powoli, muszą być także dobrze traktowane.

Poniższy artykuł jest o ładowaniu akumulatorów kwasowych. Jeśli jesteś zainteresowany artykułem o ładowaniu akumulatorów litowych zapraszam do lektury wpisu “Ładowanie akumulatorów LiFePO4“.

Ten artykuł jest dosyć długi, więc żeby ułatwić Ci nawigowanie po nim oto spis treści według nagłówków:
Co to jest prąd C w odniesieniu do akumulatora?
Proces ładowania akumulatora na jachcie
Co to znaczy, że akumulator jest naładowany do 100%?
Wykres ładowania akumulatora – analiza
Najważniejsze zasady wydłużające żywotność akumulatorów

1. Akumulatorów kwasowych nie należy rozładowywać zbyt głęboko
Monitor stanu naładowania akumulatora
2. Akumulatory kwasowe należy jak najczęściej ładować do pełna

3. Akumulatory należy (czasami) ładować odpowiednio wysokim prądem
4. Akumulatorów nie należy przeładowywać
Wiele różnych ładowarek – czy to problem?
Ładowanie akumulatorów na jachcie – podsumowanie

Co to jest prąd C w odniesieniu do akumulatora?

Prąd ładowanie/rozładowania “C” jest to prąd ładowania/rozładowania w odniesieniu do pojemności akumulatora. Np. prąd 0.2C jest to prąd 20A dla akumulatora o pojemności 100Ah. Prąd 0.4C to 40A dla akumulatora 100Ah itd.

Proces ładowania akumulatora na jachcie

Obecnie praktycznie wszystkie ładowarki ładują według tzw. trzystopniowego algorytmu.

Ładowanie składa się z trzech faz: “Bulk”, “Absorbtion”, “Float”.

Fazy ładowania akumulatora kwasowego
Fazy ładowania akumulatora kwasowego.

U różnych producentów te nazwy mogą się nieznacznie różnić, jednak idea jest ta sama.

  1. Faza “bulk” jest najbardziej agresywną i wydajną fazą ładowania. W tej fazie ładowarka pakuje do akumulatora całą swoją nominalną moc. Jest to faza, podczas której ładujemy akumulator stałym prądem (ang. constant current – CC), podczas gdy jego napięcie systematycznie rośnie.
  2. Kiedy napięcie osiągnie zadany pułap (zwykle 14.4-14.7V) wchodzimy w fazę absorbcji. W tej fazie napięcie jest utrzymywane na stałym poziomie (ang. constant voltage – CV), a prąd ładowania powoli spada.
  3. Kiedy algorytm stwierdza, że akumulator jest pełen przechodzi do następnej fazyfloat“. Ładowanie jest już zakończone i akumulator w tej fazie jest po prostu utrzymywany w stanie naładowania. Ładowarka w tej fazie utrzymuje go na poziomie 13.3-13.5V i po prostu na bieżąco pokrywa zapotrzebowanie urządzeń jachtowych.

O ile moment przejścia z fazy “bulk” do fazy absorbcji jest jednoznaczny, to moment przejścia do fazy float już taki nie jest. Zwykle w momencie wejścia w fazę absorbcji odpala się stoper i przejście do float odbywa się po upływie zadanego czasu. Jeśli nastąpi to za wcześnie proces ładowania zakończy się zanim akumulator będzie w pełni naładowany.

I teraz dochodzimy do zasadniczego pytania: Kiedy akumulator jest naładowany do 100%?

Co to znaczy, że akumulator jest naładowany do 100%?

Jest to bardzo ważne, żeby mieć świadomość, kiedy definiuje się pełne naładowanie akumulatora.

Kiedy wchodzimy w fazę absorbcji, napięcie utrzymywane jest na stałym poziomie, a prąd ładowania powoli maleje.

Jak podają instrukcje firm Lifeline, Firefly, ich akumulator jest w 100% naładowany, kiedy prąd w fazie absorbcji spadnie do 0.5% pojemności akumulatora. Odyssey i Northstar przesuwają tą granicę nawet do 0.3%.

0.5% dla akumulatora 100Ah to zaledwie 0.5A. To bardzo mało. Mało się o tym mówi, co prowadzi do tego, że akumulatory są często niedoładowane.

Najgorsze jest to ,że wynika to często nie z braku możliwości pełnego naładowania (czas), a z ułomności ładowarek lub niewiedzy tych co je programują (jeśli jest taka możliwość). Ja też przez długie lata nie doładowywałem do pełna moich akumulatorów przez co zużywały się szybciej!

Wykres ładowania akumulatora – analiza

Fazy ładowania akumulatora kwasowego
Ładowanie do 100% akumulatora AGM firmy Lifeline. Źródło Lifeline.

Przeanalizujmy powyższy wykres ładowania akumulatora AGM firmy Lifeline od 50 do 100% prądem 0.15C.

Faza “bulk” trwała jedną godzinę i 42 minuty (1.7h). Ładowanie w tej fazie jest bardzo wydajne i załóżmy dla uproszczenia, że sprawność ładowania wyniosła 100%. Przy takim założeniu prąd 0.15C w godzinę uzupełnia 15% pojemności akumulatora. Po 1.7 godziny uzupełniliśmy 25.5%. Czyli przy stanie naładowania 75.5% (zaczynaliśmy ładować przy 50%) regulator przeszedł do fazy absorbcji i zaczął ograniczać prąd ładowania. Od tego momentu prąd spada i ładowanie jest coraz mniej efektywne. Im bliżej do 100% tym mniej efektywne.

Zwróć uwagę, że doładowanie do 75% zajęło 1.7 godziny. Doładowanie kolejnych 25% i dobicie do 100% stanu naładowania zajęło 4.3 godziny. Przez ostatnie dwie godziny ładowarka ładowała grubo poniżej 20% swojej nominalnej mocy, a doładowanie od 50 do 100% zajęło w sumie ponad 6 godzin.

Wnioski

Powyższy przykład pokazuje, dlaczego żeglarze doładowując się na kotwicy wyłączają silnik po wyjściu z fazy “bulk”. Czas burczenia i ilość spalonego paliwa są wtedy najmniejsze.

Drugi wniosek to, że ładowarka 0.15C jest za mała, żeby szybko doładować się na kotwicy. Taka moc jest ok w marinie, kiedy mamy całą noc, ale nie kiedy chcemy dobić do 80% stanu naładowania w godzinę, półtorej.

Najważniejsze zasady wydłużające żywotność akumulatorów

Największym wrogiem akumulatorów kwasowych jest powolne ich zasiarczanie. Zasiarczenie akumulatorów jest jak nieuleczalna postępująca choroba. Nie możemy zupełnie jej wyeliminować, jednak możemy ją spowolnić. Zasady poprawnego użytkowania akumulatorów kwasowych:

  1. Nie rozładowywać akumulatorów zbyt głęboko
  2. Ładować je do PEŁNA tak często jak się tylko da
  3. Ładować odpowiednio WYSOKIM prądem
  4. Nie przeładowywać
  5. Czytać instrukcję producenta

1. Akumulatorów kwasowych nie należy rozładowywać zbyt głęboko

Może ten akapit niektórym wydać się od czapy, bo przecież ten artykuł miał być o ładowaniu akumulatorów na jachcie, a nie o ich rozładowywaniu. Jednak rozładowywanie jest razem z ładowaniem nieodzowną częścią powtarzalnego procesu związanego z użytkowaniem akumulatorów. To tak jak wdech i wydech w procesie oddychania.

Tu trochę się powtórzę, bo pisałem o tym w poprzednim artykule, ale może nie wszyscy czytali.

Cykliczne użycie akumulatorów
Cykliczne użycie akumulatorów. Ilość cykli a głębokość rozładowania akumulatora Lifeline. Źródło: Lifeline

Jeśli przyjrzymy się uważnie liczbom zobaczymy, że im bardziej rozładowujemy akumulatory tym mniej sumarycznie energii są w stanie zmagazynować w ciągu swojego żywota. W poniższej tabelce policzyłem to na przykładzie akumulatora o pojemności 100Ah. Na przykład dla rozładowania 30% będzie to 30Ah x 2000 cykli = 60000Ah. I tak dalej.

Głebokość rozładowania30%40%50%60%90%
Zmagazynowana energia60000Ah60000Ah50000Ah48000Ah40000Ah
Głębokość rozładowania 100Ah akumulatora a suma zmagazynowanej energii w trakcie jego eksploatacji.

Na podstawie powyższego wykresu i tabelki widać, że im głębiej rozładowujemy cyklicznie akumulatory tym krócej będą nam służyć i mniej energii sumarycznie przechowają. Dlatego nie należy regularnie schodzić poniżej 50% pojemności akumulatora. Oczywiście jest to prawda dla tego konkretnego akumulatora AGM firmy Lifeline. Większość producentów podaje takie liczby i trzeba je po prostu sprawdzić.

Jak rozpoznać głębokość rozładowania?

Pozornie wydaje się to bardzo proste. I jest proste pod warunkiem, że wiemy co i jak mierzymy.

Najprostszą metodą jest obserwować napięcie. Poniżej tabelka, która od razu wyskakuje jak zaczynamy szperać w Google.

Głębokość rozładowania a napięcie.
Głębokość rozładowania a napięcie w akumulatorze 12V AGM. Szkoda, że dane są nieprawdziwe…

Niestety dane te mogą być zupełnie nieprawdziwe. Ta tabelka jest internetowym fenomenem i możemy ją znaleźć lekko zmodyfikowaną graficznie nawet na… stronach producentów akumulatorów!

Po pierwsze nie wiadomo, czy te napięcia były odczytywane bez żadnego obciążenia. Jeśli były pod obciążeniem, to jakim? Napięcie bez obciążenia (ang. resting voltage) to napięcie akumulatora, który od wielu (ponad 12) godzin jest odłączony od źródeł ładowania i od poboru prądu. To nie zdarza się praktycznie na jachcie, na którym mieszkamy. Albo ładujemy akumulatory albo je rozładowujemy. Dlatego napięcie spoczynkowe nie jest dla nas użyteczną informacją.

Dużo lepszą informacją będzie tabela z napięciami akumulatora pod obciążeniem. Oczywiście obciążenie musi być znane, żebyśmy mogli je odnieść do obciążenia, jakie zwykle mamy na naszym jachcie.

Eksperyment Roda Collinsa pokazał jak nieprawdziwa może być ta tabela

Rod Collins postanowił przetestować te napięcia na faktycznym akumulatorze, jaki miał w warsztacie. Był to używany akumulator AGM o pojemności nominalnej 105Ah. Faktyczna sprawdzona laboratoryjnie pojemność wynosiła 95.7Ah.

Rozładowywał ten akumulator stałym prądem 5.25A(1/20C) notując co jakiś czas napięcia. Oto jakie miał odczyty:

Stan nałodowania [%]908580757065605550
Napięcie [V]12.5512.5212.4712.4212.3712.3012.2412.1812.11
Odczytane napięcia akumulatora podczas rozładowywania prądem 1/20C. Źródło: marinehowto.com

Po skończonym eksperymencie przy stanie naładowania 50% rozłączył akumulator. Po szesnastu godzinach jego napięcie spoczynkowe wzrosło do 12.32V! Jak spojrzymy na kolorową tabelkę powyżej to odczytamy, że akumulator jest naładowany w ponad 70%. Powinniśmy podładować akumulator, ale jesteśmy wprowadzeni w błąd i rozładowywujemy się dalej. Jeśli będzie to normą akumulator zużyje się szybciej.
Dokładny opis całego pomiaru znajdziecie klikając w ten LINK.

Doświadczenie przeprowadzone przez Roda Collinsa jest konkretne. Dokładnie znamy metodologię i wiemy, że nie było tam zadnego zgadywania ani powielania mitów. Doświadczenie to pokazuje, jak bardzo dane z kolorowej tabelki mogą być dalekie od prawdy.

Jednak prąd rozładowania 1/20C jest całkiem spory. To przecież taki prąd przy którym w 20 godzin kompletnie rozładowujemy akumulator. W realnym świecie na jachcie akumulator jest rozładowywany raczej prądem rzędu 0.01C-0.02C (ok 25%-50% nominalnej pojemności akumulatora w dobę).

I jeszcze trochę danych

Na stronie workshoppist.com znalazłem dane dla napięć akumulatora pod obciążeniem 0.1C oraz 0.01C. Autor zebrał tam dane podawane przez różnych producentów plus własne doświadczenia. Uczciwie powiem, że nie znam autora. Nie jest też podane jak te wyniki zostały uzyskane, ale porównując z tymi uzyksanymi przez RC, to dane te mają ręce i nogi. Cały artykuł przeczytasz klikając w LINK.

Stan naładowania10080604020100
Napięcie[V] @ 0.1C12.712.512.3-12.411.9-12.111.6-11.811.2-11.310.2
Napięcie[V] @ 0.01C12.912.6-12.712.4-12.512.1-12.311.8-12.011.6-11.811.3-11.5
Napięcia akumulatora AGM rozładowywanego prądem 0.1C i 0.01C. Źródło: workshoppist.com

Podsumowanie: Jak rozpoznać głębokość rozładowania akumulatora

  1. Nie bierz danych na ślepo z kolorowych tabelek 😉
  2. Postaraj się zdobyć dane dla konkretnie swojego akumulatora. Najlepiej dane dla obiążenia w okolicy 0.01C-0.02C
  3. Jeśli powyższych danych nie masz, to nie rozładowuj akumulatora poniżej napięcia 12.1V odczytanym przy swoim średnim obciążeniu
  4. W internecie widziałem “dobre rady”, żeby nie schodzić poniżej 11V ;). To jest akumulator rozładowany praktycznie do ZERA. To są rady z serii “jak doczekać do końca dwutygodniowego czarteru” i są dobrym przepisem na zarżnięcie akumulatorów w jeden sezon. Wyjaśnia też dlaczego na jachtach czarterowych akumulatory są zwykle w opłakanym stanie. Jeśli szanujesz sprzęt, który używasz, to nie schodź regularnie poniżej 12.1V!
  5. Analogowy wskaźnik napięcia jest zbyt mało dokładny. Powinien być cyfrowy z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku

Zanim przesiedliśmy się na akumulatory litowe, przez sześć lat mieliśmy na Crystal bank akumulatorów AGM o pojemności 800Ah. Przez pierwsze cztery lata nie widywałem napięć niższych niż 12.2V. Dopiero potem, kiedy pojemność akumulatorów się zmniejszyła, zacząłem czasami zjeżdżać poniżej 12V. W ostatnich miesiącach użytkowania zdarzało się, że po nocy mieliśmy tylko 11.5V. To był znak, że nasze akumulatory się skończyły i czas na zmianę.

Monitor stanu naładowania akumulatora

Krokiem dalej będzie zamontowanie monitora stanu naładowania akumulatora. Na Crystalu używamy monitor BMV-702 firmy Victron Energy i jestem bardzo zadowolony.

Nie wyobrażam sobie życia na jachcie na dłuższą metę bez podobnego urządzonka. Dzięki niemu dość dokładnie wiem jak głęboko rozładowałem akumulatory i czy trzeba je ew. podładować. Monitory z tej serii są bardzo popularne na jachtach włóczących się po świecie.

Jednak i tu można wejść na niezłą minę. Dokładność takiego monitora zależy od kilku rzeczy i jest na tyle ciekawym tematem, że poświęcę temu oddzielny wpis.

2. Akumulatory kwasowe należy jak najczęściej ładować do pełna

Kiedy jesteśmy poza mariną i doładowujemy akumulatory będąc na kotwicy, często oscylujemy pomiędzy 50-80% ich pojemności. Oczywiście producenci zalecają, aby po najlepiej każdym rozładowaniu naładować akumulator do pełna. W realnym świecie, kiedy jesteśmy z dala od gniazdka, jest to jednak niemożliwe. Naładowanie akumulatora AGM z 50 do 100% zajmuje 5-7 godzin, z czego przez “ostatnie” 3-4 godziny prąd ładowania jest bardzo mały.

Taki dylemat: z jednej strony chcemy ładować jak najczęściej do pełna, a z drugiej jest to totalnie nieekonomiczne.

Jak poradzić sobie z powyższym dylematem? Opcje są dwie:

  1. Mniej więcej raz w tygodniu zawijamy do mariny lub płyniemy więcej godzin na silniku.
  2. Montujemy panele słoneczne, które będą nam dawać więcej prądu niż nasz pobór w ciągu dnia. Przykładowo, jeśli w ciągu dnia konsumujemy średnio 10 amperów, zamontuj panele, które dadzą 15A-20A. To za mało, żeby w dzień nadgonić to, co zużyliśmy w nocy. Ale jeśli rano odpalimy silnik i doładujemy nasze akumulatory do 80%, to panele przez cały dzień doczołgają się do 100% naładowania.

Trzecią opcją, będzie przesiadka na LFP. Jeśli ktoś mieszka na jachcie i rzadko zawija do marin, oferują one zupełnie inny poziom. Zachęcam do przeczytania mojej serii o akumulatorach LiFePO4, a zwłaszcza Dlaczego akumulatory litowe na jachcie (cz. 2/7)?

3. Akumulatory należy (czasami) ładować odpowiednio wysokim prądem

Bardzo powszechna jest obiegowa opinia, że akumulatorów nie powinno ładować się wysokimi prądami. Jest to nieprawda.

Lifeline wyraźnie pisze w swoim manualu, że prąd ładowania powinien być tak wysoki jak się tylko da, a minimalny nie powinien być mniejszy niż 0.2C. Poniżej fragment z instrucji Lifeline:

The charging current during the Bulk stage should be set as high as practical; higher current levels mean faster recharge time and less time for the plates to become sulfated. Due to the low impedance design, Lifeline batteries can tolerate in-rush current levels as high as 5C (500A for 100Ah battery).

Instrukcja Lifeline

For repetitive deep cycling applications (deeper than 50% DOD), chargers should have an output current of at least 0.2C (20 Amps for a 100 Ah battery). If the output current is less than this value, the cycle life of the battery life may be negatively affected…

Instrukcja Lifeline

Producent akumulatorów Firefly zaleca prąd ładowania przynajmniej 0.4C raz na tydzień.

Powyżej dałem przykłady akurat tych dwóch akumulatorów, żeby pokazać, że w zależności od producenta może być zalecane ładowanie wyższymi prądami. Akurat tak jest w przypadku Lifeline i Firefly.

Oczywiście są inni producenci, którzy dla swoich akumulatorów określają maksymalny (dość niski) prąd ładowania. Takim przykładem jest np. firma Trojan.

Czy ładowanie prądami 0.2C-0.4C i więcej to wada czy zaleta?

Wszystko zależy od naszych możliwości technicznych!

Możliwość ładowania dużymi prądami to ogromna zaleta. Dzięki możliwości doładowywania dużymi prądami, czas ładowania będzie krótszy.

Możliwość to jedno, ale wymóg to już zupełnie inna para kaloszy. Jest bardzo prawdopodobne, że nie będziemy w stanie ładować takim prądem, bo zwyczajnie w świecie mamy za słaby sprzęt. Wtedy to ogromna wada.

Już dla niewielkiego banku akumulatorów 200Ah, prąd 0.4C wynosi 80A. Ale dla 400Ah będzie to już 160A i tak dalej. Standardowy alternator nie pociągnie na dłuższą metę nawet 80A, a bank 200Ah jest przecież dość mały.

Zdecydowana większość jachtów nie ma na pokładzie sprzętu ,żeby ładować swój bank prądem 0.4C. Musimy być tego świadomi już na etapie zastanawiania się nad kupnem akumulatorów.

Tu mała dygresja na temat akumulatorów Firefly: Są to nowe i bardzo drogie akumulatory, które są odporne na długotrwałe okresy głębokiego rozładowywania i stany niedoładowania. Mogą sobie siedzieć niedoładowane i nie powoduje to zasiarczenia normalnego w takich wypadkach przy akumulatorach AGM. Niby bajka, ale żeby tak się zachowywały trzeba je ładować (zgodnie z instrukcją) przynajmniej raz w tygodniu prądem 0.4C. Nie robienie tego powoduje ich degradację. W USA całkiem sporo osób wykończyło swoje banki Firefly z powodu zbyt małego prądu ładowania…

Jak widzimy zbyt duży bank akumulatorów może być wadą, ponieważ w przypadku niektórych akumulatorów nie będziemy w stanie ładować ich wystarczającym prądem.

4. Akumulatorów nie należy przeładowywać

Akumulatorów nie należy ładować napięciami większymi niż zaleca producent.

Kiedy mamy ładowarkę, którą możemy programować, może na pierwszy rzut oka wyglądać kusząco takie podbicie napięcia. Może będą się ładować szybciej? Mnie to przynajmniej bardzo kiedyś kusiło i potem akumulatory w Brazyli zmieniałem 😉 Nie wiem czy to była jedyna przyczyna awarii, ale na pewno zbyt wysokie napięcie im nie pomogło.

Tak więc, trzymamy się w zakresach napięć podawanych przez producenta. Zwykle podają oni widełki dla każdej z trzech faz ładowania.

Wiele różnych ładowarek – czy to problem?

Na różnych forach internetowych widywałem często to powracające pytanie:

Czy wiele ładowarek podłączonych do tego samego banku akmumulatorów może być szkodliwe?

Odpowiedź jest krótka: Nie ma to żadnego znaczenia ile mamy ładowarek. Grunt żeby wszystkie miały ustawiony odpowiedni profil ładowania.

Ładowarki nie wiedzą o ostnieniu innych ładowarek i obserwują tylko napięcie akumulatora. W żaden sposób nie są w stanie zakłócać się wzajemnie.

Załóżmy, że mamy ładowarkę A i B. A ma ustawione napięcie “bulk” na 14.6V, a B na 14.4V. Zaczynamy ładować akumulator i napięcie rośnie. Obie ładowarki pracują ze swoją maksymalną mocą. Kiedy napięcie dobija do 14.4V, ładowarka B zaczyna zmniejszać prąd. Ale A dalej pracuje na maksa i napięcie rośnie. W związku z tym B w ogóle przestaje ładować. A dobija napięcie do 14.6V i przechodzi do następnej fazy. Nie dzieje się nic złego poza tym, że ładowarka z ustawionym wyższym napięciem będzie pracowała ciężej, a proces ładowania będzie trwał dłużej. Dlatego lepiej, żeby ustawienia na wszystkich ładowarkach były takie same.

Ładowanie akumulatorów na jachcie – podsumowanie

Nie ma uniwersalnych prawideł. Nie wpisuj w Google “jak poprawnie ładować akumulator AGM?”, bo szansa, że dobre rady jakie znajdziesz dotyczą twojego akumulatora są niewielkie.

Trzeba po prostu czytać instrukcje producenta konkretnych modeli.

Co dalej?

W tym artykule radziłem JAK ładować akumulatory, żeby nam służyły jak najdłużej. W następnyj części zastanowię się jak szybko można ładwoać akumulatory na jachcie.

Linki do pozostałych części poradnika:

  1. System elektryczny na jachcie – wstęp
  2. Jak łatwo zrozumieć działanie systemu elektrycznego na jachcie
  3. Ile prądu zużywa nasz system elektryczny na jachcie?
  4. Odnawialne źródła energii na jachcie – wstęp
  5. Odnawialne źródła energii na jachcie – panele słoneczne
  6. Odnawialne źródła energii na jachcie – generatory wiatrowe
  7. Odnawialne źródła energii na jachcie – hydrogeneratory
  8. Ile akumulatorów na jachcie?
  9. Jak poprawnie ładować akumulatory na jachcie? (czytasz teraz)
  10. Jak szybko można ładwoać akumulatory na jachcie?

Seria artykułów o akumulatorach litowych na jachcie

  1. Akumulatory litowe na jachcie – wprowadzenie
  2. Dlaczego akurat akumulatory litowe na jachcie?
  3. Gotowe akumulatory litowe na jachcie – przegląd
  4. Możliwe topologie systemu LFP na jachcie
  5. Samodzielny projekt akumulatorów litowych na jachcie
  6. Ładowanie akumulatorów LiFePO4
  7. LiFePO4 na jachcie Crystal – co mamy?

Chcesz wiedzieć więcej lub potrzebujesz pomocy przy Twoim konkretnym projekcie? Zapraszamy na indywidualne konsultacje – więcej info tutaj lub napisz do nas: info(at)skiff.pl.

Spodobał Ci się ten tekst? Dmuchnij więc wiatr w żagle Krysi:

Postaw mi kawę na buycoffee.to

lub

Wielkie dzięki za każdą złotówkę 💓