Zpět

EUROBAT

Rukověť ke specifikaci uzavřených olověných akumulátorových článků pro staničních použití.
Ing. Petr Gric, -PEG- spol. s r.o., Praha.

Článek představuje pojednání Eurobat jako návod, či vodítko pro uživatele, projektanty a v neposlední řadě i dodavatele staničních baterií pro specifikování požadavků, technických a provozních podmínek na provoz staničních bezúdržbových olověných baterií a s nimi souvisejících zařízení – nabíječe, ochrany, rozvody.

1. ÚVOD

V posledních desíti, či patnácti letech jsme svědky až neuvěřitelně rychlého nástupu nových technologií v oblasti olověných baterií pro staniční použití. Vývoj se nezadržitelně ubírá nejenom směrem zlepšení technických parametrů baterií, ale
i směrem snížení nároků a nákladů na zřizování a provoz bateriových stanic, počínaje nároky a náklady na údržbu, provoz a vybavení a konče náklady na provoz obslužných zařízení (nabíječe, ochrany, měření, ss. obvody atp.). Z toho vyplývá vývoj nových řad uzavřených akumulátorových článků (ČSN 332610, čl. 2.4), nebo ventilem řízených akumulátorových článků (ČSN 332610, čl. 2.5)
V prvním případě (uzavřené akumulátorové články) je to zejména změna konstrukce pólových desek a vhodná volba slitin desek (použití calcia a antimonu), které při vhodném použití – při vhodné volbě slitin desek vzhledem k pracovním cyklům – umožňuje snížit údržbovost na minimum (např. interval dolévání vody je, při vhodném návrhu typu baterie vzhledem k provozu, prodloužen až na 6 let), to vše však při dodržení velmi přísných podmínek pro provoz staničních akumulátorů.
V druhém případě se vývoj ubírá směrem absolutně bezúdržbových staničních baterií (ventilem řízené akumulátorové články), jejichž použití je pro provozovatele
i pro projektanty velice lákavé – žádné starosti o údržbu, žádné náklady na vybavení bateriové stanice, jak vlastní místnosti – podlaha a stěny z kyselinovzdorných materiálů, větrání, hygienické zařízení, ochranné pomůcky,
sklad kyseliny a destilované vody atd,

 
tak na údržbu a kontrolu vlastních článků – kontrola hustoty a množství elektrolytu, dolévání destilované vody, likvidace úniků elektrolytu atp. Bezúdržbové baterie výše uvedené vylučují. Nemají speciální požadavky na umístění (bateriovou místnost), je možno je instalovat – za splnění podmínek ČSN 332610 – i do rozváděčových skříní (zař. UPS, ss. zálohové zdroje atp.). Pro provozovatele je použití těchto baterií velmi lákavé, naráží však na mnohá úskalí. Ventilem řízené baterie jsou vyrobeny převážně technologií VRLA (elektrolyt ve formě gelu, nebo je mezi deskami vázaný v porézní textilii – VLIS technologie OLDHAM) a takto vyrobené baterie mají jiné vlastnosti, jiná specifika provozu, nabíjení a ochran, než klasické uzavřené
a otevřené akumulátorové články (ČSN 332610, čl. 2.3, 2.4), na které je spousta provozovatelů zvyklá. Tím, že provozovatelé, či projektanti neznají do podrobna zvláštnosti a specifika provozu, údržby  a ochrany baterií ventilem řízených, nedovedou správně specifikovat úlohu a požadavek na výrobce či dodavatele baterií a obslužných zařízení, z čehož vyplývá v lepším případě nevyužití všech technických parametrů, jež jsou schopny baterie dosáhnout, v případě horším může způsobit poškození článků, nebo značné snížení jejich životnosti. Provozovatelé
a v neposlední řadě i výrobci si zpočátku neuvědomovali, že prostor pro vhodnou konstrukci, bezpečnou aplikaci a očekávaný výkon je výrazně menší a méně tolerantní, než u klasických „odvzdušňovaných-zaplavených“ článků. Výsledkem byly pro mnohé uživatele trpké zkušenosti a bolestivé počáteční problémy.
Z výše uvedených důvodů sestavila skupina EUROBAT, složená z předních odborníků firem

Accumulatoren-Fabrik Oerlikon (CH), Compagnie Européenne d´Accumulateurs (F), FIAMM SpA. (I), OLDHAM – Hawker Batteries Limited  (F,GB), S.E. Acumulador Tudor S.A. (E), Varta Batterie AG (D) „Rukověť ke specifikaci  uzavře­ných olověných staničních článků a baterií pro staniční použití Eurobat (Eurobat Guide for the Specifikation of Valve Regulated Lead-Acid (VRLA) Stationary Cells and Batteries)“.
Publikace této Rukověti, ve spojení s jejím uznáním a přijetím v IEC 896-2, představuje hlavní krok vpřed pro poskytnutí objektivního vodítka, které  vý­robcům a uživatelům umožní, aby mohli uvažovat o reálném výkonu a životnosti, vhodné aplikaci a nezbytných opatřeních pro bezpečnou, spolehlivou funkci. Poskyt­ne také prostor, který umožní obchodním a marketingovým organizacím, aby se za­měřily na prodej vhodných aplikací,
a omezí často značně přehnané požadavky na výkon a použitelnost, tak často pozorované v minulosti.
Jak  tato Rukověť naznačuje,  dokument IEC 896-2, je založen na výsledku technických zkoušek a informacích o výkonu. Do­poručuje také dokument IEC, který se v současné době připravuje jako standard pro baterie VRLA v přenosných aplikacích. Oba tyto dokumenty  ještě mohou být revido­vány, než budou konečně schváleny.

Pozn.  
Je nutné a vhodné ještě poukázat na to, že  Rukověť se nezmiňuje  o tepelné nestabilitě (Thermic Runaway) To je vážný a reálný problém u mnoha apli­kací. Měli by o něm diskutovat a uvažovat  jak výrobci, tak uživatelé u každé nové aplikace.  Konečná verze IEC 896-2, doložka 8, bude obsahovat alespoň popisnou informaci o tepelné nestabilitě, stejně jako některé navrhované řešení snížení pravděpodobnosti jejího výskytu.
Dále uvádíme podstatný výtah z českého překladu „Rukověti Eurobat“, včetně vysvětlivek nejdůležitějších pojmů, které se vyskytují v pojednání EUROBAT. Výtah je doplněn poznámkami autora k některým tuzemským specifikám problému.

2. EUROBAT 

Rukověť ke specifikaci zatížení uzavřených olověných baterií pro staniční použití

NORMY A SPECIFIKACE

Základem tohoto návodu je sestavení požadavků na výkon ve formě tabulky pod­statných vlastností baterií, tak jak jsou obsaženy v návrhu dokumentu IEC 896-2. Členové Eurobatu plně podporují použití návrhu normy IEC 896-2 jako základu pro Evropskou normu (CENELEC).
Požadované vlastnosti jsou uvedeny v podobě tabulek na konci této rukověti:

Tabulka 2 – Údaje o výkonu
Tabulka 3 – Bezpečnost
Tabulka 4 – Životnost
Vzhledem k tomu, že v tabulkách jsou obsažena pouze hesla, je část této rukověti věnován vysvětlivkám některých pojmů.

CÍL

Účelem této rukověti je pomoci uživateli při formulaci jeho „specifikace nákupu“ se zvláštním zřetelem na výkon, bezpečnost a životnost baterie.
Abychom usnadnili vymezení a stanovení požadavků uživatele, bylo celé spektrum aplikací staničních baterií rozděleno  do 4 skupin. Až na jednu výjimku vy­cházejí tyto skupiny z očekávané doby životnosti.      

 

Jedná se o tyto oblasti:

  • životnost 10 let a více – zvláštní aplikace:

 telekomunikace, jaderné a konvenční elektrárny, petrochemie a další aplikace, kde se vyžaduje nejvyšší bezpečnost.

 
 
  • životnost 10 let – vysoký výkon:

Všeobecně odpovídajíbaterie této skupiny co do životnosti skupině „10 let a více – zvláštní aplikace“, jejich požadavky na výkon a bezpečnost však v některých pří­padech nejsou tak přísné. 

  • životnost 5 – 8 let – všeobecné aplikace:

Výkon této řady produktu leží ve stejném rozmezí jako u skupiny „10 let – vysoký vý­kon“, bezpečnostní požadavky a zkoušky životnosti ovšemnejsoustejně zá­vazné. 

  • životnost 3- 5 let – spotřební oblast:

Tato kategorie baterií je určena pro použití v přístrojích ve spotřební oblasti a je rozšířená v menších zdrojích nouzového napájení.
Poznámka: Tyto baterie jsou obzvlášť rozšířené také u nestacionárních aplikací, pro něž existuje vlastní norma IEC, která se připravuje.

 

VYSVĚTLIVKY, DEFINICE

Uzavřená olověná baterie

(dle ČSN 332610, čl. 2.5 – ventilem řízený článek – pozn. autora)
Tento pojem označuje článek, který je za normálních provozních podmínek uzavřený jednocestným ventilem, jenž umožňuje výstup plynu, jestliže tlak uvnitř překročí pře­dem stanovenou hodnotu. Ventil nemá dovolit přístup plynu (vzduchu) do článku. Maximální možný tlak uvnitř článku (za určité okolnosti nebo při omezené kombinaci okolností) udává výrobce nebo si lze tento údaj od něho vyžádat. Za normálních podmínek nelze doplňovat zásobu elektrolytu v článku. To platí jak pro články s textilií, tak ge­lové.

Kapacita
Není-li výrobcem stanoveno jinak nebo uživatel nemá jiný požadavek, je jmenovitá kapacita pro 10-hodinové vybíjení (C 10) definována při 20°C až do konečného vybí­jecího napětí 1,8 V/článek.
Poznámka: 

  • Pro vypracování specifikace dodávky lze ke stanovení kapacity požadovat i jiné doby vybíjení.
  • Uživatelé by měli mít na zřeteli, že číselná hodnota uvedené kapacity závisí na době vybíjení, teplotě a konečném vybíjecím napětí. Např. hodnota kapacity C10 400 Ah při 20°C s konečným vybíjecím napětím až 1,8 V/článek tak může vzrůst na hodnotu 450 Ah při 25°C a době vybíjení C20  a konečné vybíjecí napětí až 1,75 V/článek.
  • Zkoušky kapacity provádí výrobce v rámci kontroly kvality spíše s kratšími dobami vybíjení, např. C5 nebo méně.
  • Zkoušky kapacity, které provádí uživatel jako  zkoušku při odběru, by měl s výrob­cem zvlášť dohodnout a měly by být předmětem dodací smlouvy.

Udržovací nabíjení
Téměř všechny staniční baterie se dnes provozují a nabíjejí  v pohotovostním para­lelním provozu  s nabíječem a spotřebičem a dodávají tak systé­mu nepřetržitě požadovaný výkon. Zkouška v tomto pracovním režimu  určuje schopnost baterie k pohotovostnímu paralelnímu provozu vzhledem ke kolí­sání napětí a udržování kapacity.

Cykly
Tato charakteristika je mírou schopnosti baterie k opakovaným cyklům nabíjení a vybíjení. V případě baterií pro „zvláštní aplikace“ stanoví uživatel počet cyklů a os­tatní požadavky. Pro ostatní oblasti použití stanoví výrobce počet cyklů, jichž  může jeho výrobek dosáhnout.

Udržování náboje (samovybíjení)
Co nejmenší samovybíjení je důležité pro uživatele, kteří obvykle baterie delší dobu skladují. Míra samovybíjení určuje četnost dobíjení uskladněných baterií.
(Výrobce baterií většinou udává, jak dlouho je možno nové baterie skladovat bez nabití. Skladování baterií ve vybitém stavu snižuje životnost baterií. Pozn. autora.)

Vnitřní odpor
Vnitřní odpor baterie může být důležitý pro dimenzovaní a provoz elektrických zaří­zení. (Je nutným údajem např. pro výpočet zkratových poměrů ve stejnosměrných obvodech. Pozn. autora.)

Tlak ventilu
Má význam pro uživatele, kteří z bezpečnostních důvodů potřebují vědět, zda kom­ponenty, které provozují, jsou pod přetlakem (viz tab.3).

Zápalnost
Provozní podmínky vyžadují u některých uživatelů použití těžko zápalných plastů určité třídy zápalnosti.
(Např. pro prostory s vysokými požadavky na požární bezpečnost vyrábí firma OLDHAM France řadu baterií Espace HI s nádobami ze speciální samozhášecí hmoty. Pozn. autora.)

Zkrat
Případný vnější zkrat, ke kterému může dojít, nesmí vyvolat explozi, která by zničila vnitřní komponenty.

Vývoj plynu
Způsoby větrání bateriových prostor, tak jak jsou známé z provozu konvenčních mokrých baterií pro uzavřené olověné baterie (ventilem řízené baterie dle ČSN 332610- pozn. autora). Podkladem pro výpočet větrání jsou výsledky měření, které jsou prováděny při zkušebních testech baterií (v ČR je pro výpočet větrání směrodatná ČSN 332610, čl. 5. Pozn. autora)

Těsnost
Netěsnosti nádob uzavřených olověných baterií ovlivňují životnost.

 

DOPORUČENÍ A INFORMACE PRO PROVOZ BATERIÍ

Provozní okolní teplota 

  • Předpokládáme korekční koeficient  teploty pro výpočet kapacity  0,006, pokud vý­robce nespecifikuje jinak. Viz též kap. 18.8 návrhu IEC 896-2.

 

(Pro teploty vyšší než 20 OC je možno ke jmenovité kapacitě baterie připočíst nárůst kapacity vlivem teploty danou vztahem
C10 x 0,006 x DJ, kde DJ= Jokolí – DJ20. Koeficient snížení kapacity baterií pro provozní teploty nižší, než 20 OC jsou zpravidla udávány výrobcem baterií.
Typové parametry baterií jsou uváděny pro průměrnou teplotu okolí 20OC. V případě lišících se průměrných teplot okolí se doporučuje prostředí, ve kterém jsou instalovány baterie, klimatizovat, aby nebyly zásadním způsoben ovlivněny jmenovité hodnoty baterie. V případě nemožnosti klimatizovat prostor baterií se doporučuje regulovat udržovací napětí baterie v závislosti na průměrné teplotě okolí. To však neeliminuje, pouze omezí vliv teploty na jmen. hodnoty baterie. Pozn. autora) 

  • Životnost. Použití uzavřených baterií při teplotách nad 20°C snižuje jejich život­nost. Následující graf č.1 uvádí závislost životnosti baterie na teplotě (pro teploty vyšší, než 20 OC.). V grafu č.1 jsou uvedeny závislosti pro baterie s udávanou životností 10, 8, 5 let.

Graf č.1 – Závislost životnosti baterií (se jmenovitou životností 10, 8, 5) let na teplotě vyšší než 20 0C
Přizpůsobení udržovacího nabíjecího napětí vyšší teplotě může tento efekt zmírnit a výše uvedená čísla zlepšit až o 20 %.

(V tabulce č.1 uvádíme pro ukázku doporučená udržovací napětí baterií  ESPACE HI, výr. OLDHAM Francie – Pozn. autora)


Tab. č 1 Udržovací napětí bat. Espace HI, v závislosti  na teplotě.

Životnost 

  • Definice. Konec životnosti je stanoven jako okamžik, kdy kapacita článku, kterou lze odebírat, dosáhla 80 % jmenovité kapacity.
  • Rezerva pro stárnutí. Jestliže se od baterie vyžaduje, aby po celou dobu život­nosti poskytovala plný specifikovaný vybíjecí cyklus, musí se při výpočtu baterie použít faktor 1,25 jako rezerva pro stárnutí.

Střídavá složka nabíjecího proudu
Střídavá složka nabíjecího ss. proudu, má vliv  na snížení životnosti a vlastnosti baterie.
Přesnost regulace napětí systému – včetně spotřebiče, avšak bez připojení baterie – v trvalém provozu při zatížení 5 – 100 % má být lepší než ± 1 %. Špičky napětí a jeho zvlnění lze akceptovat za předpokladu, že  – bez baterie, ale se zapojenou zátěží – zvlnění napětí systému „špička-špička“, včetně regu­lačních mezí, se pohybuje v rozmezí ± 2,5 % doporučeného udržovacího nabíjecího napětí.
Za žádných okolností nesmí proud, který v pohotovostním paralelním provozu pro­chází baterií, mít opačný směr než je směr nabíjení.

Hluboké vybití
Doporučuje se, aby byla, podle zvážení uživatele, v připojeném zařízení  použita  ochrana proti podpětí. Je ovšem třeba mít na zřeteli, že mohou nastat okolnosti, zvláště důvody bezpečnosti systému, kdy požadavek maximální provozní pohoto­vosti použití ochrany proti podpětí vylučuje.
V tom případě může dojít k trvalému poškození baterie.

Jestliže výrobce požaduje prokázání schopnosti hlubokého vybití, mělo by se vychá­zet z požadavků např. DIN 43539, část 5 nebo BS 6290, část 4 nebo rovnocenných národních norem.
(I v případě nemožnosti odpojení ss. odběru z důvodu bezpečnosti funkce napájeného systému, nebo důvodů jiných, je vhodné dosažení hladiny mezního hlubokého vybití akumulátoru signalizovat vhodným způsobem – akusticky, opticky, do řídícího systému atp., aby provozovatel byl seznámen se stavem, ve kterém může dojít k poškození baterií, nebo k omezení jejich životnosti. Zároveň je nutné upozornit na skutečnost, že i přebití baterie VRLA může znamenat poškození článků. Zvýšením napětí nad udržovací napětí může znamenat nadměrný vývin plynů v článku a může dojít k havárii baterie – nafouknutí článku. Přepětí na článku může vzniknout především při poruše regulace nabíječe – u tranzistorových nabíječů např. při proražení výkonového stupně nabíječe – proto je vhodné výskyt přepětí hlídat ochranou, nezávisle na obvodech nabíječe a při dlouhodobějším výskytu přepětí – např. delším jak 10 s, odepnout nabíječ od napájecího zdroje a poruchu signalizovat obsluze bateriové stanice. Pozn. autora)

Instalace a uvedení do provozu
Články a baterie je třeba instalovat, uvést do provozu a provozovat v souladu s 

  • doporučeními a pokyny výrobce
  • národními předpisy pro uživatele pro bezpečnou montáž a provoz
  • evropskými, národními a místními normami pro ochranu životního prostředí.

V případě předpisů pro uživatele jsou přiměřené a vhodné tyto normy:
Francie: Guide GIMELEC Octobre 1990/N
FC 15-100/CCM/GPEM/ME 5641 1987.
Německo: VDE 0510 – část 2; DIN 43539 – část 4.
Itálie: CEI 21 Dic. 1990, část 3.
Velká Británie: BS 6133.
(V České republice je to především ČSN 332610 – pozn. autora)
Je nutné se také zmínit, že se připravují předpisy pro uživatele CENELEC.

Skupiny baterií 

  • Baterie v paralelním zapojení

V souladu se všeobecným pravidlem se doporučuje, aby se v paralelním zapojení neprovozovaly více než 4 bateriové větve. 

  • Stejnorodost článků jedné baterie

Doporučuje se, aby všechny článkyv jedné větvi baterií byly stejného typu a stáří.
(Při nedodržení těchto podmínek je třeba kalkulovat se snížením typových údajů baterie, především kapacity C10 a životnosti a se změnou provozních charakteristik baterie. V žádném případě se nedoporučuje instalovat a používat „bočních vývodů“ části baterie – vedlejší odběr z části článků baterie.
Jiným případem je paralelní spolupráce dvou a více baterií do jednoho odběru, je paralelní spolupráce přes sčítací diodovou logiku. Takto je možno spojovat baterie různých kapacit i stáří. Výsledná kapacita systému baterií je dána součtem kapacit baterií zapojených do systému. Každá baterie však musí mít vlastní nabíječ.

V případě, že používáme dvou baterií, jednu v pohotovostním režimu, druhou jako 100% zálohu, ve sběrnicovém zapojení, je vhodné diodovou logiku použít např. namísto spojovače sběren baterií. Pohotovostní kapacita systému se zvětší – tak říkajíc „zadarmo“ na součet kapacit obou baterií. Pozn autora)
Jestliže je v rámci údržby nutné některý článek větve baterií vyměnit, platí doporu­čení výrobce. Je nepřípustné nahradit článek větve článkem odlišného typu, stejně tak je nepřípustné paralelně zapojit větve baterií rozdílných typů. (To platí i pro články téhož původu s rozdílnou kapacitou jednotlivých desek, ale stejnou kapacitou článku). 

VODÍTKO PRO UŽIVATELE UZAVŘENÝCH BATERIÍ VE STACIONÁRNÍ OBLASTI

3. ZÁVĚR
Vývoj ventilem řízených staničních baterií přinesl pro uživatele obrovské výhody, spočívající především v odstranění nákladné a mnohdy nepříjemné práce s pravidelnou údržbou staničních baterií a ve znatelném snížení nákladů ostatních (bateriová místnost, 
ochranné pomůcky aj.). V současné době se prakticky neliší cena ventilem řízených baterií od baterií uzavřených (se sníženou údržbovostí). Proto, aby tyto baterie potvrdili očekávané parametry, z nichž zejména životnost je při zachování ostatních štítkových údajů baterie pro mnohé uživatele dominantní vlastnost, je nutné si uvědomit odlišnosti od starších typů staničních baterií. Rukověť EUROBAT se snaží některá specifika provozu a odlišné vlastnosti těchto baterií nejenom uživatelům, ale i projektantům a investorům, přiblížit.

Předmluvu k pojednání Eurobat napsal Dr. David O. Feder, dobře známý člen světového  bateriového průmyslu. Od svého odchodu od AT&T v roce 1984 vytvořil a je prezidentem vlastní poradenské firmy v oboru baterií Electrochemical Energy Storage Systems Inc. V Bellových laboratořích a v AT&T měl 24 let  na starost skupinu odpo­vědnou za konstrukci, vývoj a aplikaci  všech olověných, niklokadmiových a lithiových baterií pro pou­žití v Bellově koncernu . Byl zakládajícím členem skupiny, která zformovala Intelec a nyní slouží jeho poradnímu a programovému výboru. Působí  jako americký  „pozorovatel“   v IEC/TC 2 I, je tajemníkem IEC/TC 82, WG 4, baterie pro aplikace PV, je členem IEEE Battery Standards Committee, IEEE SCG-29, předse­dou jeho podskupiny pro uzavřené baterie a je rovněž členem TI/YI, výboru Tellecommunications Standards Committee.

Se společností EUROBAT spolupracují, kromě koncernu
Hawker Batteries – Oldham France tyto evropské firmy: 

  • Accumulatoren-Fabrik Oerlikon
  • Acumuladores Autosil Sarl
  • Robert Bosch GmbH
  • Centurion Accumulatoren BV
  • Compagnie Européenne d´ Accumulateurs
  • DETA Akkumulatorenwerk GmbH
  • Ets Daniel Doyen SA
  • Uranio SpA
  • Electrona SA
  • Fiamm SpA
  • General Motors France
  • Accumulatorenwerke Hoppecke
  • Akkumulatorenfabrik Dr Leopold Jungfer
  • Leclanché SA
  • Magneti Mareli SpA
  • Compagnie Francaise d´Electro-Chimie
  • Akkumulatorenfabrik Moll GmbH
  • Neste Oy
  • Säntis Batterienfabrik
  • Accumulatorenfabrik Sonenschein GmbH
  • Sociedad Espanola del Acumulator Tudor SA
  • Varta Batterie AG

                                            Literatura:

[1] Association of European Accumulator Manufacturers: EUROBAT
[2] Český normalizační institut: ČSN 332610
[3] Cenek, Hodináø, Jindra, Kozumplík, Svoboda: Akumulátory a baterie

Autor článku,  Ing. Petr Gric je společníkem firmy -PEG- s.r.o., která poskytuje komplexní servis staničních baterií a dále pracuje v oboru el. pohony, výkonová elektronika a regulace. Od roku 1995 firma -PEG- s.r.o. spolupracuje s firmou OLDHAM France, koncernu HAWKER Batteries jako technický a komerční zástupce v České republice. Zkušenosti firmy OLDHAM z vývoje ucelených řad  staničních baterií jak uzavřených, tak ventilem řízených se snaží firma -PEG- s.r.o. uplatňovat v České republice jak po stránce přípravné – konzultační a projektová činnost, tak po stránce realizační – dodávky staničních baterií a uceleného sortimentu příslušenství vlastní výroby – ochrany baterií, nabíječe, stojany. V případě potřeby poskytují pracovníci firmy -PEG- bezplatné poradenství ve výše uvedených oborech

 

ke stažení – Eurobat  102.33kB

Zpět