energijaDr Andreja Todorovi}, van. prof.Fakultet tehničkih nauka, Kosovska MitrovicaDr Branimir Grgur, van. prof.Tehnološko-metalurški fakultet, BeogradUDC:621.355Tehno-ekonomski efektiostvareni paralelnimvezivanjem nikal-kadmijumakumulatora1. UvodU radu su opisani postupci, uređajii karakteristike procesa punjenja ipražnjenja elektrohemijskog Ni-Cd sastanovišta njihove praktične primene.To je pokazano na konkretnim primerimaakumulatorskih baterija nominalnogkapaciteta 100 Ah, nominalnognapona 220 V, sa rednom i paralelnomvezom.Najznačajnije primene akumulatorasu za stabilno i neprekidno napajanjeelektričnom energijom jednosmernestruje elektroenergetskih objekata:elektrana, transformatorskih stanica,centara za daljinsko upravljanje,razvodnih postrojenja, zatim zdravstvenihustanova, škola itd. Akumuliranajednosmerna struja se posredstvominvertorskih uređaja pretvarau naizmeničnu struju, obezbeđujućirezervnu električnu energiju za potrebepotrošača. Tako, nekoliko gradovau polarnim oblastima, kao što suAljaska i Sibir, koriste velike Ni-Cdakumulatorske sisteme za opskrbustanovništva, institucija i ustanova uslučaju nestanka energije iz električnemreže. Gradovi su sa oko deset hiljadastanovnika, kojima bi život u polarnimuslovima skoro bio nemoguć bezelektrične energije. Ovo pretvaranjejednosmerne u naizmeničnu strujuomogućuje i tehnološke procese,zaštitu uređaja od mogućih kvarovai havarija, i veći stepen sigurnostirada potrošača. Osim ovoga, primenaakumulatora je moguća za snabdevanjepotrošača u domaćinstvima, kada sepostižu uštede u distributivnoj mrežinaizmenične struje [2].Prednosti primene akumulatora suu tome što daju električnu energijuRezimeU radu je opisan značaj praktične primene reverzibilnog elektrohemijskog Ni-Cd sistema sa akumulatorskim baterijama u ulozi izvora električne energije.Pokazano je kako se izvodi postupak procesa paralelnog punjenja i pražnjenjadve akumulatorske baterije i to pri idealnim i realnim uslovima karakteristika.Krajnji rezultat daje pozitivne tehno-ekonomske efekte i za proizvođače i zakorisnike ovakvih baterija, što predstavlja suštinu i glavni cilj njihove praktičneprimene. Za konkretan primer je razmatrana akumulatorska baterija nominalnogkapaciteta 100 Ah i nominalnog napona 220 V.Ključne reči: nikal-kadmijum akumulatorska baterija, punjenje, pražnjenje,paralelno vezivanje.Technical and Economic effects realized by parallel connectionsof Nickel-Cadmium batteriesThe significance of the practical application of reversible electro-chemical Ni-Cdsystem with batteries as a electric power source was described in this paper. Theprocedures of parallel charging and discharging of two batteries in real and idealcharacteristics conditions were presented. The final result showed positive technicaland economical effects for producers and consumers of these batteries, thatis the main purpose of their usage in practice. For this particular example, theaccumulation battery of nominal capacity of 100 Ah and volt6age of 220 V wasconsidered.Key words: Nickel-cadmium battery, charging, discharging, parallel connection.propisanog kvaliteta i kvantiteta,saglasno usvojenim standardima.Pravilna punjenja vrše se pomoćuodgovarajućih automatski regulisanihispravljača-punjača, koji moraju daimaju odgovarajuće tehničke izlaznekarakteristike. Budući da su akumulatorskebaterije sastavljene od višeakumulatora u rednoj, paralelnojili kombinovanoj vezi, moguće sukorisne eksploatacione karakteristike,uz neka ograničenja njihove primene.Važno je preduprediti trajna oštećenjapojedinih ćelija ili akumulatora usloženim sistemima napajanja, jer seponekad teško vraćaju posle oštećenjau pređašnje stanje.[054]2. Osnovne karakteristikeprocesa punjenja i pra`njenjaelektrohemijskog Ni-Cd sistemaImajući u vidu da su višećelijski elektrohemijskisistemi najčešće nehermetički,neophodno je uvažiti karakteristikeprocesa punjenja i pražnjenja:krajnju vrednost napona punjenja,napon održavanja i krajnju vrednostnapona pražnjenja. Krajnja vrednostnapona punjenja nehermetičke nikalkadmijumćelije iznosi (1.5-1.68)V, napon održavanja (1.4-1.42) V, akrajnja vrednost napona pražnjenja, prinormalnim uslovima upotrebe, iznosioko 1.0 V. Punjenje navedenih elek-
energijaSlika 1 Izlazna IUU karakteristika automatski regulisanih ispravljača–punjačatrohemijskih sistema, kada su u ulozielektrolitičke ćelije, vrši se pomoćuautomatski regulisanih ispravljačapunjača,čija je izlazna IUU-karakteristikaprikazana na slici 1 [1-2].To znači da automatski regulisaniispravljači-punjači, zavisno od stanjaispražnjenosti akumulatora, mogu darade stalnom strujom i stalnim naponomza dve vrednosti u toku čitavogprocesa punjenja akumulatora.2.1 Primer procesa punjenjaelektrohemijskog Ni-Cd sistemaNeka se razmatra akumulator nominalnogkapaciteta 100 Ah, nominalnognapona 220 V, sa rednom vezom ćelija.Ako akumulator sadrži 190 ćelija,imajući u vidu da je nominalni naponjedne ćelije 1,2 V, dobija se zbirni naponod 190⋅1.2 = 228 V, što je za 3.6%veći od nominalnog napona. Time suispunjeni uslovi za snabdevanje potrošačaelektričnom energijom propisanogkvaliteta i kvantiteta, jer naponi, upravilu, ne smeju da odstupaju više od5% u odnosu na nominalne vrednosti.U daljem postupku, priključivanjemakumulatora na automatski regulisaniispravljač-punjač prema principijelnojelektričnoj šemi prikazanoj na slici2, u skladu sa izlaznom IUU-karakteristikompunjača na slici 1, dobijaSlika 2 Principijelna električnašema veze automatskiregulisanog ispravljača–punjača punjača iakumulatorase punjenje akumulatora hemijskomenergijom potencijalnog vida dopropisanog nivoa prema preporukamaproizvođača. U toku procesa punjenjase, naravno, vrši neprekidno elektroliznopretvaranje električne u hemijskuenergiju ćelije, odnosno akumulatora.Pod pretpostavkom da je razmatraniakumulator bio potpuno ispražnjen,neka se proces punjenja vrši stalnomstrujom petočasovnog kapaciteta I i= I p= 0.2C = 20 A = const., za vreme od t 1= 7 h, do postizanja krajnje vrednostinapona punjenja od U p= 190⋅1.5 =285 V. Pod ovim se uslovima dobijanapunjenost akumulatora hemijskomenergijom oko 90% od nominalne. Ovastruja punjenja prema principijelnojelektričnoj šemi prikazanoj na slici 2,određuje se, prema Omovom zakonu,sledećom jednačinom:, (1)gde su: I i– struja koju daje punjač;U i– izlazni napon punjača; E – elektromotornasila akumulatora i R u–ukupna unutrašnja električna otpornostakumulatora.Da bi struja punjenja akumulatoraI ibila konstantna, uzimajući da jeukupna unutrašnja električna otpornostjedne ćelije oko 0.5 mΩ = const., aukupna unutrašnja otpornost akumulatoraR u= 190⋅0.5 = 95 mΩ = const.,razlika napona punjača i akumulatoramora biti konstantna ΔU = U i– E= const. Pod tim uslovom se u tokuprocesa punjenja napon akumulatorapostepeno povećava od minimalne dosvoje krajnje vrednosti, pri čemu će sei napon punjača U itakođe postepenopovećavati za istu vrednost. U trenutkut 1punjač prelazi sa karakteristikestalne struje na karakteristiku stalnognapona sa vrednošću krajnje vrednostinapona punjenja akumulatora od U i[056]= U p= 285 V = const. U tom slučajuse dobija veoma mala razlika izmeđunapona punjača i napona akumulatora,tako da u pravilu, struja punjenjaopada približno eksponencijalno.Kada struja punjenja opadne na 0.2⋅I p,punjač u nekom trenutku t 2prelazi sakarakteristike stalnog napona punjenjaU p= const. na karakteristiku stalnognapona održavanja (dopunjavanja), čijaje vrednost U dp= 190⋅1.4 = 266 V =const. Od ovog trenutka t 2akumulatorse dopunjava hemijskom energijom pristruji slabijoj od 0.2⋅I p, pri čemu sistembiva spreman za upotrebu, jer je u potpunonapunjenom stanju [1-3], [8].Kada je u pitanju proces punjenja akumulatorskihbaterija u paralelnoj vezi,onda se njihovo punjenje, za slučajdve akumulatorske baterije, vrši premaprincipijelnoj električnoj šemi prikazanojna slici 3.Slika 3 Principijelna električnašema punjenja dve akumulatorskebaterije uparalelnoj veziAko su obe akumulatorske baterijepotpuno istovetne, onda važi: U n1=U n2= 220 V, q n1= q n2= 100 Ah, R u1=R u2= 95 mΩ. U tom slučaju, punjenjemakumulatora prema principijelnojelektričnoj šemi prikazanoj nasl. 3 pomoću punjača čija je izlaznakarakteristika na slici 1, dobijaju sepotpuno napunjene obe akumulatorskebaterije sa potrebnim svojstvimai praktično bez odstupanja u pogledukvaliteta. Međutim, slučaj sa dve iliviše istovetnih akumulatorskih baterijaje u domenu teorije. S druge strane,realno uvek postoje i najmanje razlikeizmeđu osobina akumulatora, makar uunutrašnjim električnim otpornostimai naponima, najčešće zbog različitihstanja napunjenosti ili ispražnjenostićelija. Neka se radi realnog analiziranjaprocesa punjenja akumulatorskihbaterija uzme da su im ukupne unutrašnjeelektrične otpornosti različite i daiznose: R u1= 100 mΩ i R u2= 90 mΩ, ada su im elektromotorne sile: E 1= 190V i E 2= 209 V [4-8].