Verschillende manieren om de ladingstoestand van een accu te bewaken

De soortelijke massa (SM) van de elektrolytoplossing
Een elektrolytoplossing bestaat in een loodzwavelzuur accu uit een mengsel van water en zwavelzuur. Bij een volledig geladen accu bestaat de actieve massa van de negatieve platen uit zuiver, sponsachtig lood; en van de positieve platen uit loodoxide. De concentratie van zwavelzuur in de elektrolytoplossing (en daardoor de SM) is dan hoog.
Tijdens het ontladen reageert het zwavelzuur met het actieve materiaal in de positieve en negatieve platen, waardoor loodsulfaat en water wordt gevormd. Hierdoor daalt het zwavelzuurgehalte en daarmee de SM van de elektrolytoplossing.
Tijdens het ontladen kan de laadtoestand van de accu vrij goed gevolgd worden door de SM van de elektrolytoplossing te bepalen met behulp van een zuurweger, zoals in de volgende tabel wordt weergegeven:

Diepte van de ontlading (%)	Soortelijke massa	Accuspanning
0	Tussen 1.265 en 1.285	12.65 +
25	1.225	12.45
50	1.190	12.24
75	1.155	12.06
100	1.120	11.89

Tijdens het laden vindt het omgekeerde proces plaats en wordt weer zwavelzuur gevormd. Omdat zwavelzuur zwaarder is dan water zal dit in accu’s met vloeibaar elektrolyt (dit geldt dus niet voor gel- en AGM-accu’s) naar beneden zakken, waardoor de zuurconcentratie onder in de accu stijgt. De zuurconcentratie in de vloeistof boven de platen verandert echter niet!

Nuttige informatie over elektrolyt:

Stratificatie

Pas wanneer tijdens het laden de gasspanning (2.39 V per cel, of 14.34 V voor een accu van 12 V bij 20°C) is bereikt zal de elektrolytoplossing langzaam weer goed gemengd worden door de opstijgende gasbellen. De tijd die hiervoor nodig is hangt af van de bouw van de accu en de gasontwikkeling. De gasontwikkeling is afhankelijk van de laadspanning, het antimoon gehalte en de leeftijd van de accu. Accu’s met een relatief hoog antimoongehalte (2,5 % of meer) hebben meestal voldoende gasontwikkeling tijdens de absorptielading om de elektrolytoplossing weer homogeen te maken.
Moderne accu’s met een laag antimoongehalte (1,6 % of minder) vertonen echter zo weinig gasontwikkeling dat een normale laadcyclus niet voldoende is. Het duurt dan weken onderhoudsladen (met zeer weinig gasonwikkeling) voordat de elektrolyt weer goed is gemengd. Hierdoor kan bij een open accu nadat deze volledig is geladen, toch een lage soortelijke massa gemeten worden!
N.B.: Trillingen en beweging van een schip of voertuig zullen bijdragen aan het goed mengen van de elektrolyt.

Temperatuurcorrectie voor soortelijke massa metingen met de zuurweger:
De SM varieert omgekeerd evenredig met de temperatuur. Bij elke temperatuurstijging van 14°C boven de 20°C, neemt de gemeten soortelijke massa met 0.01 af. Dus een meting van 1,27 bij 34°C is gelijkwaardig aan een meting van 1,28 bij 20°C.

Soortelijke massa variaties per regio:
De SM-waarden die in de bovenstaande tabel worden vermeld zijn kenmerkend voor een gematigd klimaat. In een warm klimaat wordt in het algemeen elektrolyt met een lagere concentratie zwavelzuur gebruikt om het negatieve effect van de hogere omgevingstemperatuur op de levensduur van een accu te verminderen:
SM van een volledig geladen accu, gematigd klimaat: 1.265 -1.285
SM van een volledig geladen accu, subtropisch klimaat: 1.250 -1.265
SM van een volledig geladen accu, tropisch klimaat: 1.235 -1.250

Accuspanning
Ook de accuspanning kan als globale indicatie van de laadtoestand van de accu worden gebruikt. Een bruikbare spanningsmeting is pas mogelijk nadat de accu enige uren met rust gelaten is (niet laden of ontladen).

Ampère-uur (Ah) teller
Dit is de meest praktische en nauwkeurige manier om de laadtoestand van een accu bij te houden. Het product dat speciaal voor dit doel is ontworpen is de batterij- of accumonitor. In de volgende paragrafen wordt het gebruik van de accumonitor uitgebreid besproken.

De accumonitor als ampère-uur teller

De belangrijkste functie van de accumonitor is het volgen en weergeven van de laadtoestand van een accu, vooral om onverwachte totale ontlading te voorkomen. Een accumonitor houdt de laad- en ontlaadstromen van de accu bij. Integreren van deze stroom levert het aantal ampère-uren (Ah) op waarmee de accu geladen of ontladen is.
Bij een constante stroom komt integreren neer op het vermenigvuldigen van stroom en tijd. Bijvoorbeeld: een ontlaadstroom van 10 A gedurende 2 uur betekent dat de accu met 10 x 2 = 20 Ah is ontladen.

Energierendement van een accu

Bij het laden en ontladen van een accu ontstaat verlies. De totale hoeveelheid elektrische energie die de accu tijdens het ontladen afgeeft is ongeveer 25 % lager dan de energie die tijdens het laden wordt opgenomen, wat een rendement betekent van 75 %. Een hoge laad- en ontlaadstroom verlaagt het rendement. Het grootste verlies ontstaat doordat de spanning tijdens het ontladen lager is dan tijdens het laden. Verder ontstaat verlies doordat tegen het einde van de laadcyclus door een gedeelte van de laadstroom water in zuurstof en waterstof wordt omgezet. Accu’s die weinig gassen (accu’s met een laag antimoongehalte) en een lage inwendige weerstand hebben zijn het meest efficiënt.
Wanneer een accu in gedeeltelijk geladen toestand wordt gebruikt, is het energierendement zeer hoog: ongeveer 89 %.

Stroomrendement van een accu

Wanneer een accu wordt geladen moet er meer Ah in de accu worden “gepompt” dan tijdens de eerstvolgende ontlading kan worden teruggehaald. Dit wordt het stroomrendement genoemd, of ook wel het Ah- of Coulombrendement (1 Ah = 3600 C).
Het stroomrendement van een accu is bijna 100 % zolang er geen gasontwikkeling plaatsvindt. Gasontwikkeling betekent dat een deel van de laadstroom niet in chemische energie wordt omgezet, die in de platen wordt opgeslagen, maar wordt gebruikt om water in zuurstof- en waterstofgas om te zetten. Alleen de “ampère-uren” die in de platen zijn opgeslagen kunnen tijdens de eerstvolgende ontlading worden teruggewonnen.

De omvang van het verlies en dus ook het stroomrendement is afhankelijk van:
A. Het type accu: weinig gasontwikkeling = hoog stroomrendement.
B. De manier waarop de accu wordt geladen. Als een accu voornamelijk in gedeeltelijk geladen toestand wordt gebruikt en slechts af en toe volledig wordt geladen, zal het gemiddelde stroomrendement hoger zijn dan wanneer een accu na elke ontlading volledig wordt geladen.
C. Laadstroom en spanning. Wanneer met hoge stroom wordt geladen en daardoor ook met een hoge spanning en bij een hoge temperatuur, begint de gasontwikkeling eerder en is deze intensiever. Hierdoor neemt het stroomrendement af (en ook het energierendement).
In de praktijk varieert het stroomrendement van 80 % tot 95 %. Een accumonitor moet rekening houden met het stroomrendement, anders zal de aangegeven waarde te optimistisch zijn. Als het stroomrendement van tevoren handmatig wordt ingesteld is het raadzaam om eerst een lage waarde te kiezen, bijvoorbeeld 85 %, en dit naar praktijk en ervaring later bij te stellen.

Effect van de ontlaadstroom op de capaciteit

De effectieve capaciteit van een accu is afhankelijk van de ontlaadstroom. Hoe sneller de ontlading, hoe minder capaciteit beschikbaar zal zijn. In 1897 ontdekte de wetenschapper Peukert, dat de relatie tussen de ontlaadstroom I en de ontlaadtijd T (van volledig geladen tot volledig ontladen) bij benadering als volgt kan worden omschreven:

C_p = Iⁿ x T

waar C_p een constante is (de Peukert-capaciteit) en de n de exponent van Peukert genoemd wordt. De exponent van Peukert is altijd groter dan 1. Hoe groter n is, hoe slechter de accu bij een hoge ontlaadstroom presteert.
De exponent van Peukert kan als volgt worden berekend op basis van metingen gedaan op een accu of op basis van ontlaadtabellen of –grafieken:

Als we de ontlaadtijd T₁ and T₂ vaststellen of meten voor twee zeer verschillende ontlaadstromen I₁ en I₂, dan:
C_p = I x T₁ = Ix T₂
en daarom:

n = log( T₂ / T₁) / log (I₁ / I₂)

De verhoging van de ontlaadstroom van C / 20 naar C / 1 (= het verhogen van de ontlaadstroom van een accu van 200 Ah van 200 / 20 = 10 A naar 200 / 1 = 200 A) kan de beschikbare capaciteit wel met 50% verminderen!

Een accumonitor moet daarom de capaciteit voor de ontlaadsnelheid compenseren. In de praktijk is dit zeer gecompliceerd, omdat de belasting van een serviceaccu in de loop van de tijd kan variëren.

Leidt een hoge ontlaadstroom tot capaciteitsverlies?

Een accu waarvan de nominale capaciteit bij een ontlading in 20 uur 200 Ah was en dus C₂₀ = 200 Ah. De bijbehorende ontlaadstroom is:

I₂₀ = C₂₀ / 20 = 10 A

Bij een ontlaadstroom van 200 A was de accu in 30 minuten leeg. Dus hoewel we begonnen met een accu van 200 Ah was deze na de ontlading van slechts 100 Ah al leeg. Dit betekent niet dat bij een ontlaadstroom van 200 A, het capaciteitsverschil van 100 Ah (C₂₀ - C₁ = 200 – 100 = 100 Ah) is “verdwenen”, maar alleen dat het chemische proces (diffusie, zie par. 2.2.3.) zich te langzaam voltrekt, waardoor de spanning onacceptabel laag wordt. Een accu die met een stroom van 200 A ontladen wordt en in 30 minuten “leeg” is zal daarom ook weer (bijna) vol zijn na laden met 100 Ah, terwijl dezelfde accu die wordt ontladen met I₂₀ = 10 A en die in 20 uur leeg is weer bijna vol zal zijn na laden met 200 Ah.
Een accu die met hoge stroom is ontladen kan zich zelfs herstellen en de resterende capaciteit kan worden benut nadat de accu een paar uur of een dag met rust is gelaten.

Andere nuttige eigenschappen van een accumonitor

Naar mijn mening zijn het tellen van bijzondere gebeurtenissen en gegevensvastlegging zeer nuttige functies van een accumonitor.

Tellen van bijzondere gebeurtenissen
Tellen van bijzondere gebeurtenissen betekent dat specifieke gebeurtenissen, vooral gebeurtenissen die mogelijk schadelijk kunnen zijn of die nodig zijn voor het onderhoud van de accu in het geheugen van de accumonitor worden opgeslagen.
Deze gebeurtenissen kunnen zijn:
- teveel spanning
- te weinig spanning
- aantal laad/ontlaadcycli
- 100 % ontlading
- 100 % lading

Gegevensvastlegging
Gegevensvastlegging betekent dat, naast specifieke gebeurtenissen, de status van de accu met regelmatige tussenpozen wordt vastgelegd, zodat de gebruiksgeschiedenis op een later tijdstip kan worden weergegeven.