Accupacks bestaan uit meerdere accus die in serie geplaatst worden om de spanning te verhogen.
Polariteitsomkering van een cel die ontladen wordt
Hoe is het mogelijk dat een cel omgekeerd gepolariseerd kan geraken?In ons voorbeeld nemen we een accupack met 3 nickel cellen van 1.2V (1.5V als de cellen geladen zijn), een lader met een spanning van 4.5V en een belastingsweerstand. Dit kan een gewone weerstand zijn of een lamp. In de praktijk wordt een accu niet met een spanning geladen, maar met een stroom; dit is een theoretisch voorbeeld.
Bij de ontlading wordt deverbinding met de lader onderbroken en wordt de accupack met de belasting verbonden. De stroom loopt nu in de andere richting in de accupack. De spanning van iedere cel daalt snel naar 1.2V, de mediane spanning van een Nickel accu.
Veronderstel nu dat één van de cellen een lagere capaciteit heeft, bijvoorbeeld omdat de accu niet bij de pack hoort. Als de accu leeg geraakt, dan zalt zijn spanning sneller dan die van de andere cellen. We hebben de volgende spanningsverdeling: U1 = 1.2V (half geladen accu), U2 = 1.0V (accu is leeg), U3 = 1.2V (half geladen accu). De totale spanning bedraagt nu 3.4V, er loopt dus nog steeds seen stroom in de accupack, terwijl een accu leeg is.
De spanning van de lege accu die nog steeds stroom moet leveren zakt snel naar 0V. In een installatie met één enkele accu zou de stroom gewoon nul worden. Maar dit is hier niet het geval, want de twee overgebleven cellen blijven spanning en stroom leveren. De totale spanning bedraagt 2.4V (1.2V + 1.2V + 0V), de stroom is dus half de waarde van de stroom bij een volledig geladen accupack.
De lege cel wordt nu negatief geladen, totdat de ancere cellen ook leeg geraken. Dit kan de betreffende cel beschadigen, in de praktijk lijkt het alsof de lege cel in kortsluiting is.
Bij onechte accupacks, dit zijn AA of triple-A cellen die in serie geplaatst worden om een voldoende hoge spanning te bekomen moet men ervoor zorgen dat men identieke cellen gebruikt die evenveel geladen zijn om problemen te vermijden.
Een accu die in kortsluiting lijkt kan men proberen opnieuw te laden (nu met de juiste polariteit), maar zijn capaciteit zal daardoor niet hoger worden. Om de volledig lege accu te laden moet men een eenvoudige trage lader gebruiken die niet kan detecteren dat de accu in kortsluiting is. De trage lader zal de lading starten en na een paar uur kan de accu samen met de ancere cellen opgeladen worden met de ancere cellen (liefst met een slimme lader die de lading van iedere cel individueel kan meten).
Om de ompoling van een lege accucel tegen te gaan werd er een stopschakeling ontworpen die de verbinding tussen een batterijpack (12V) en een belasting automatisch onderbreekt als de spanning onder de 10V komt. De stopschakeling trekt minder stroom dan de zelfontlading van de accu.
De laad en ontlaadprocedure is hier theoretisch voorgesteld, in de praktijk zijn er wat verschillen:
- Nickel accus (ongeacht de technologie) worden niet met een vaste spanning geladen, maar met een vaste stroom. Het laden wordt onderbroken na een vastgelegde tijd of als de spanning van de accupack wat daalt: als de accus volledig geladen zijn, dan wordt de toegevoegde energie niet omgezet in scheikundige energie, maar inwarmte, waardoor de temperatuur stijgd. Door de hogere temperatuur daalt de inwendige weerstand van de batterijpack waardoor de klemspanning lager wordt. Dit is niet van toepassing op nickel-ijzer accus die sterk beginnne te gassen als ze geladen zijn, en waarbij men eerder een verhoging van de inwendige weerstand heeft.
- Indien de belasting "intelligent" is in de plaats van een gewone gloeilamp, dan zal de belasting de stroom onderbreken bij het bereiken van de minimale spanning van de batterijpack, die in ons voorbeeld 3V is. Met een spanning van 3V kan de spanning van de lege cel nooit onder de 0.6V komen (1.2 + 1.2 + 0.6 = 3V), waardoor de cel niet beschadigd kan geraken. Met een 4-pack kan de spanning niet onder de 0.4V komen (1.2 + 1.2 + 1.2 + 0.4 = 4V) en met een 5-pack is dat 0.2V. Het is enkel met een pack met meer dan 5 cellen dat de spanning over een cel negatief kan worden, zelfs met een bewakingsschakeling.
- Nickel accus kunnen tegen een stootjes en mogen overladen en sterk ontladen worden. Dit is echter niet waar voor andere technologiën. Een element van een loodaccu (rustspanning van 2.1V) wordt onherroepelijk beschadigd als de spanning onder de 1.75V komt. Hetzelfde geldt voor lithium accus (rustspanning van 3.7V) waarvan de spanning niet onder de 3V mag komen.
- Accus met vloeibaar electroliet (eventueel onder de vorm van een gel) mogen beperkt overladen worden, er wordt gewoon waterstof en zuurstof aangemaakt. Zolang de laadstroom beperkt is worden de gassen opnieuw in water omgezet dankzij de aanwezigheid van een catalysator. Accus die in noodverlichting gebruikt worden, worden permanent bijgeladen met een lage stroom en gaan niet defekt, zelfs niet na jaren gebruik. Indien de ontlaadstroom te hoog is, verliest de accu zijn water en de capaciteit van de cel vermindert sterk. De cel kan defekt gaan door de te hoge electrolietconcentratie; dit is met name het geval bij lood-zwavelzuur accus.
- Lithium accus hebben geen waterige electroliet, het is het lithiummetaal die van de ene pool naar de andere pool migreert bij het laden en het ontladen. Als alle lithium naar een pool verplaatst is, is er geen ladingdrager meer beschikbaar om de stroom door te laden. De accu gaat "open" zoals een open schakelaar. Als de lader stroom blijft leveren, dan kan de celspanning verder stijgen, met beschadiging van de cel. Daarom moeten de lithiumaccus uitgerust worden met een equilibreerschakeling die de maximale spanning over een volgeladen cel beperkt (4.25V). De equilibreerschakeling (er is er één nodig per cel) zal de stroom verbruiken die de cel niet meer kan opnemen.
Eigenschappen van accupacks
