Akumulatory żelowe typu GEL należą do grupy szczelnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych VRLA i są powszechnie stosowane w systemach zasilania awaryjnego, instalacjach fotowoltaicznych off-grid oraz w automatyce przemysłowej. Pomimo określenia „bezobsługowe”, ich trwałość eksploatacyjna jest wprost zależna od jakości procesu ładowania. W praktyce przemysłowej to właśnie nieprawidłowe napięcia i algorytmy ładowania są najczęstszą przyczyną przedwczesnej degradacji akumulatorów żelowych, a nie sama liczba cykli pracy.
Technologia GEL polega na związaniu elektrolitu w postaci żelu krzemionkowego, co eliminuje możliwość wycieku oraz znacząco ogranicza gazowanie. Jednocześnie taka konstrukcja powoduje bardzo niską tolerancję na przeładowanie. W przeciwieństwie do akumulatorów z elektrolitem ciekłym, nadmiar energii dostarczony podczas ładowania nie może zostać bezpiecznie rozproszony, co prowadzi do trwałych zmian strukturalnych w elektrolicie.
Charakterystyka napięciowa akumulatorów żelowych
Standardowy akumulator żelowy o napięciu znamionowym 12 V składa się z sześciu ogniw o napięciu nominalnym 2 V każde. Producenci definiują bardzo wąskie zakresy napięć roboczych, których przekroczenie skutkuje skróceniem żywotności.
Przy temperaturze odniesienia 25°C napięcie ładowania w trybie cyklicznym powinno mieścić się w przedziale od 14,1 V do 14,4 V. W praktyce wartość około 14,2 V jest najczęściej stosowana jako punkt pracy zapewniający pełne naładowanie przy ograniczeniu intensywności reakcji elektrolitycznych. Przekroczenie napięcia 14,4 V powoduje przyspieszony rozkład wody zawartej w elektrolicie i prowadzi do nieodwracalnego przesuszenia żelu.
W trybie podtrzymującym, charakterystycznym dla systemów buforowych i UPS, napięcie powinno pozostawać w zakresie od 13,5 V do 13,8 V. Długotrwała praca przy napięciach rzędu 13,9–14,0 V skutkuje przyspieszoną korozją płyt ołowiowych oraz wzrostem rezystancji wewnętrznej akumulatora. Z tego względu akumulatory żelowe nie powinny być eksploatowane przy napięciach typowych dla akumulatorów AGM ani akumulatorów zalewanych.
Prąd ładowania i jego wpływ na żywotność
Oprócz napięcia kluczowym parametrem procesu ładowania jest wartość prądu. Dla akumulatorów żelowych zalecany prąd ładowania mieści się w zakresie od 0,1C do 0,2C, gdzie C oznacza pojemność znamionową akumulatora wyrażoną w amperogodzinach.
Dla akumulatora o pojemności 40 Ah bezpieczny prąd ładowania wynosi od 4 A do 8 A, natomiast dla akumulatora 100 Ah od 10 A do 20 A. Stosowanie prądów wyższych prowadzi do lokalnego przegrzewania struktury żelu, powstawania mikropęknięć oraz trwałego wzrostu rezystancji wewnętrznej. Efektem jest spadek pojemności użytkowej widoczny już po kilkudziesięciu cyklach pracy.
Algorytm ładowania akumulatorów GEL
Prawidłowy proces ładowania akumulatorów żelowych realizowany jest w oparciu o algorytm CC/CV, składający się z trzech logicznych etapów. W pierwszym etapie, określanym jako bulk, akumulator ładowany jest stałym prądem mieszczącym się w zalecanym zakresie 0,1C–0,2C. Etap ten trwa do momentu osiągnięcia napięcia granicznego w zakresie 14,1–14,4 V.
Po osiągnięciu napięcia granicznego rozpoczyna się etap absorption, w którym ładowarka utrzymuje stałe napięcie, a prąd stopniowo maleje wraz ze wzrostem stopnia naładowania akumulatora. Etap ten ma kluczowe znaczenie dla uzyskania pełnej pojemności bez ryzyka przeładowania.
Ostatnim etapem jest praca buforowa typu float, w której napięcie zostaje obniżone do poziomu 13,5–13,8 V. Pozwala to na długotrwałe utrzymanie akumulatora w stanie pełnego naładowania bez intensyfikacji reakcji elektrochemicznych.
Akumulatory żelowe nie dopuszczają stosowania ładowania wyrównawczego ani jakichkolwiek trybów regeneracyjnych polegających na podwyższaniu napięcia ponad wartości nominalne.
Polecany artykuł: Jak działa akumulator? Zasady, budowa i zastosowania
Znaczenie kompensacji temperaturowej
Parametry napięciowe akumulatorów żelowych są silnie zależne od temperatury pracy. Zalecana wartość kompensacji wynosi około –3 mV na stopień Celsjusza dla pojedynczego ogniwa. Dla akumulatora 12 V, składającego się z sześciu ogniw, odpowiada to korekcie rzędu –18 mV na każdy 1°C różnicy względem temperatury odniesienia 25°C.
Przy temperaturze 35°C napięcie ładowania powinno być obniżone o około 0,18 V, natomiast przy temperaturze 15°C podwyższone o analogiczną wartość. Brak kompensacji prowadzi latem do przeładowania, a zimą do chronicznego niedoładowania, co w obu przypadkach skutkuje skróceniem żywotności akumulatora.
Wymagania wobec ładowarek i prostowników
Do ładowania akumulatorów żelowych należy stosować wyłącznie ładowarki wyposażone w dedykowany tryb GEL lub VRLA, umożliwiające precyzyjną kontrolę napięcia oraz realizację algorytmu CC/CV. Urządzenia pozbawione regulacji napięcia, w szczególności stare prostowniki transformatorowe, generują niestabilne parametry i wysoki poziom tętnień, co stanowi istotne zagrożenie dla struktury żelu. Niedopuszczalne jest stosowanie trybów boost, recond lub desulfation, które zakładają okresowe podnoszenie napięcia powyżej wartości nominalnych.
Skutki niewłaściwego ładowania
Nieprawidłowy proces ładowania prowadzi do szeregu nieodwracalnych zjawisk degradacyjnych. Do najczęściej obserwowanych należą spadek pojemności użytkowej, wzrost rezystancji wewnętrznej, deformacja obudowy oraz znaczne skrócenie żywotności, w skrajnych przypadkach z poziomu kilkunastu do dwóch lub trzech lat eksploatacji. Uszkodzenia struktury żelu mają charakter trwały i nie mogą zostać usunięte w trakcie dalszej pracy akumulatora.
Przeczytaj również: Jak działa magazyn energii – zasada działania, zastosowania i korzyści
Podsumowanie
Akumulatory żelowe wymagają precyzyjnie kontrolowanego procesu ładowania opartego na ściśle określonych parametrach napięciowych i prądowych. Ich wysoka odporność na głębokie rozładowania nie kompensuje niskiej tolerancji na przeładowanie. W zastosowaniach profesjonalnych to właśnie jakość systemu ładowania, a nie sama marka akumulatora, w największym stopniu decyduje o trwałości i niezawodności całego układu zasilania.