Så fungerar batteriet

Batteriets uppbyggnad

Ett batteri lagrar kemisk energi och när den kretsen som batteriet är del av sluts, omvandlas kemisk energi till elektrisk energi. För att ett batteri ska fungera måste den kemiska förutsättningen upprätthållas. Det görs genom laddning och underhåll. Ett batteri som inte laddas slutar så småningom att fungera eftersom de kemiska förutsättningarna utarmas.

Arbetsuppgiften för ett batteri skiljer sig i huvudsak på att vara ett 1) Start-batteri, ett 2) Förbrukningsbatteri eller ett 3) Reservkrafts-batteri. Ett batteri kan också vara uppladdningsbart (som kallas sekundärbatteri) eller ett engångsbatteri (som kallas primärbatteri). Batteritypen (start, förbrukning eller reservkraft) påverkar inte spänningen i sig, utan avgör hur batteriet är konstruerat för att leverera ström – till exempel höga startströmmar eller långvarig energileverans.

För att bättre förstå terminologin har vi radat upp vanliga begrepp, som hjälper dig att bättre förstå vad som är viktigt att fokusera på.

Spänning

Spänning anges i Volt (V) och är en grundläggande parameter i batteri-terminologi. Ett batteri är uppbyggt av ett antal celler, som egentligen är individuella "batteri-paket". Cellerna seriekopplas samman internt och kallas, när cellerna är inneslutna och kapslade i konstruktionen, ibland för "Block", eller "Batteri", så som de flesta av oss ser på t.ex. ett bil-batteri.

Spänningen i en individuell cell styrs av dess kemi och är, i en fulladdad standard-cell i ett bly-syrabatteri, ca 2,12 Volt. Cellerna seriekopplas inuti blocket och för att komma upp till 12V, som är vanligt förekommande för fordonsindustrin, seriekopplas 6 celler så de får en totalspänning på ca 12,72V i fulladdad vilospänning.

Ett batteri med tre celler har en vilospänning på ca 6,36 Volt och ett batteri med 4 celler har en vilospänning på ca 8,48V osv. När vi väljer ett batteri är spänningen något som vi vanligtvis inte ruckar på, för behovet styrs av den mottagande lasten.

Mät spänning på ett batteri i vila

Spänning kan mätas på ett batteri som är i vila (OCV) eller under pågående laddning eller i drift/under last (CCV). För det mesta är den korrekta mätmetoden att mäta spänning under vila, vilket generellt kan sägas vara ett batteri som varit taget ur drift i minst 6-12 timmar.

Ett fulladdat batteri har, på batterispråk, 100% State of Charge (SOC). I takt med att batteriet används sjunker SOC och olika batterityper (användningsområden) har olika gränsvärden för SOC. Detta är lika viktigt som det är risk att bli förvirrande i batterivärlden, för här gör många ett klassiskt fel: de använder fel batteri till fel applikation.

Kapacitet och C-rating

Kapacitet anges i amperetimmar (Ah) och beskriver hur mycket energi ett batteri kan lagra och leverera över tid. Enkelt uttryckt visar kapaciteten hur länge ett batteri kan driva en viss last innan det behöver laddas igen. Ett batteri med högre kapacitet kan leverera ström under en längre tid, men det innebär inte nödvändigtvis att det kan leverera högre effekt vid ett givet tillfälle.

Kapacitet anges alltid i relation till en urladdningstid (C-rating), ofta som C20, C10 eller C5. Detta innebär att batteriet är testat för att leverera sin kapacitet under exempelvis 20, 10 eller 5 timmar. Ett 100 Ah batteri vid C20 betyder att det kan leverera 5 ampere i 20 timmar under standardiserade testförhållanden. Vid snabbare urladdning minskar den tillgängliga kapaciteten, vilket är en viktig faktor att ta hänsyn till vid dimensionering.

När vi väljer batteri är kapaciteten en avgörande parameter och ska matchas mot hur mycket energi som behövs över tid. För kortvariga, höga strömuttag är kapacitet mindre relevant, medan den är central i applikationer där batteriet ska leverera energi under längre perioder, exempelvis i förbruknings- eller reservkraftssystem.

För att jämföra energibehövet kan vi i daglig användning jämföra ett bilbatteri, som av en typ som ger väldigt hög ström (A) under en mycket kort tid. Bilbatteriet driver igång en startmotor i ett fordon, vilket kräver mycket hög ström, men bara under några sekunders tid. När fordonet har startat kommer generatorn att direkt börja ladda bilbatteriet igen. Detta kan jämföras med ett batteri som vi t.ex. sätter i ett batteridrivet ljus. Det ger en låg ström och räcker i veckor, månader och ibland flera år, innan det behöver laddas igen.

Energi

Energi anges i wattimmar (Wh) och beskriver den totala mängd arbete ett batteri kan utföra. Medan spänning visar vilken “nivå” energin levereras på och kapacitet visar hur länge, ger energi en samlad bild av batteriets verkliga innehåll. Energi kan beräknas genom att multiplicera spänning (V) med kapacitet (Ah).

Ett batteri på 12V och 100 Ah innehåller teoretiskt 1200 Wh energi. Detta gör det möjligt att jämföra olika batterier, även om de har olika spänning eller kapacitet. Två batterier med olika uppbyggnad kan alltså innehålla samma mängd energi, trots att deras specifikationer i volt och amperetimmar skiljer sig åt.

I praktiken är inte all energi tillgänglig. Hur mycket som kan användas beror på batterityp, urladdningshastighet och hur djupt batteriet urladdas. Därför används energi som ett jämförande mått, medan kapacitet och spänning oftare används vid dimensionering av system och val av rätt batteri för en specifik applikation.

Därför är det viktigt med laddning

När ett batteri kopplas in i en sluten krets sker en elektrokemisk reaktion i cellerna. Elektroner rör sig från den negativa plattan till den positiva plattan, vilket utgör den elektriska ström som lasten använder. Samtidigt sker en jonvandring i elektrolyten, som balanserar de kemiska reaktionerna inne i batteriet.

När ett blybatteri laddas ur, omvandlas plattornas bly och blydioxid till blysulfat. Samtidigt förbrukas svavelsyra, vilket leder till att vattenhalten i elektrolyten ökar och syran späds ut. Bildningen av blysulfat är en helt naturlig och nödvändig del av batteriets funktion. Vid uppladdning bryts blysulfatet åter ned till bly, blydioxid och svavelsyra, varpå elektrolytens koncentration återställs.

Om ett blybatteri får stå urladdat under en längre tid kan blysulfatkristallerna växa och bli grovkristallina, vilket kallas sulfatering. Vid kraftig sulfatering blir kristallerna svåra eller omöjliga att omvandla tillbaka vid normal laddning, vilket leder till permanent kapacitetsförlust och i praktiken ett förbrukat batteri. Sulfatering är dock inte rost, utan en kemisk åldringsprocess i batteriets aktiva material.

När är ett batteri urladdat?

Det skiljer sig mycket från en typ av batteri till ett annat, och är långt ifrån en självklarhet. Det hänger ihop med batteriets uppbyggnad och användningsområde och i slutänden det arbetsområde som batteriet är konstruerat för att nyttja.

Ett traditionellt startbatteri använder endast en ytterst liten del av den totala massan. Det hänger ihop med att energin som tas ut vid användningstillfället är väldigt hög, men den nyttjas bara för ett kort ögonblick, och när ett fordon har fått starthjälp från batteriet kommer generatorn att börja återladda batteriet. Men det är viktigt att känna till att ett startbatteri som inte får laddning, tar snabbt skada eftersom kemin i batteriet är ur balans.

Ett förbrukningsbatteri är i stället konstruerat för att nyttja en betydligt större del av sin massa utan att ta skada. Det kan, vid optimala förhållanden, laddas ur upp till 50-80% procent, förutsatt att det återladdas med korrekt och kontrollerad laddning.

Startbatterier och förbrukningsbatterier reagerar därför olika vid urladdning. Om ett 12V startbatteri är "halvladdat" har det en laddningsgrad på ungefär 12,4 Volt. Om batteriet har en laddningsgrad på under 12,4 Volt måste det ovillkorligen laddas. Ett förbrukningsbatteri klarar av att laddas ur till betydligt lägre spänning utan att ta skada, men det är fortfarande viktigt att ladda batteriet så att det inte står urladdat under en längre tid.

Konstruktion och cell-typ spelar roll

Det spelar stor roll för laddningen, vilken konstruktion och cell-typ som batteriet är tillverkat av. Det är därför viktigt att kontrollera vilken laddare man använder till en specifik typ av batteri. AGM- och GEL-batterier är generellt känsligare för överladdning än vad t.ex. ett Öppet eller SMF-batteri är.

Ett Lithium-batteri ska inte laddas med samma typ av laddprofil som ett bly-syrabatteri laddas med. Och ett Reservkraftsbatteri, som är konstruerat för att stå på kontinuerlig laddning under hela sin livstid, ska ha en väldigt specifik laddström, som också bör temperaturkompenseras.