Sähköä vai sulfaattia - akkujen lataaminen veneessä

Käyttöakkujen lataaminen venekäytössä ilman maaäsähköä on yllättävän haasteellista. Venemoottoreiden vakiolatureita ei ole suunniteltu lataamaan puolityhjiä akkuja. Vaikka moottoriajoa tulisi riittävästi, akku ei välttämättä täyty.  Jos lisäksi latausvirtapiirissä syntyy isoja jännitteenpudotuksia, tilanne voi olla sekä latauksen että myös akun elinkaaren kannalta katastrofaalinen. Sähköä ei riitä ja akku joudutaan vaihtamaan muutaman kauden jälkeen. Kuulostaako tutulta?

Lyijy-rikkihappoakku on maailman ensimmäinen kaupallinen akkuratkaisu. Peruskonstruktio on yli 100 vuotta vanha. Kehitys on edennyt paljon, mutta tietyt perusasiat akussa eivät ole muuttuneet: akku vaatii tietynlaista käyttöä. Vääränlainen säilyttäminen, purkaminen tai lataaminen saattaa lyhentää akun elinkaarta merkittävästi. Erityisesti ylipurkaminen, alilataus ja purettuna säilyttäminen ovat myrkkyä akulle. Valotan seuraavassa akun toimintaa sekä käyttötapojen ja erityisesti oikeanlaisen latauksen merkitystä akun kapasiteetille ja elinkaarelle sekä vertaan tyypillistä venelatausta oikeanlaiseen lataukseen. Esittelen lopuksi keinoja parantaa akkujen latautumista veneessä sekä uusia ratkaisuja ja kuvaan Sterling AB12130 laturista akulle -laturin asennuksen ja käyttökokemuksia.

Lyijyakku ja sen sähkökemiaa

12 voltin lyijyakku koostuu kuudesta sarjaan kytketystä nimellisjännitteeltään 2 voltin kennosta, jotka ovat sähköisessä yhteydessä toisiinsa. Kussakin kennossa on limittäin anodi- ja katodilevyjä ja levyjen välissä elektrolyyttiä. Anodilevyjen materiaali on lyijyoksidia, joka on usein kiinnitetty sopivaan tukirankaan. Katodilevyjen materiaali on lyijyä, ja elektrolyytti on rikkihapon ja veden seos.

Nykyään erilaisia lyijyakkutyyppejä on useita, mutta kaikkien perustoimintaperiaate on sama. Avoimissa lyijyakuissa (flooded cells, wet cells) elektrolyytti on nesteenä elektrodien välissä. Latauksen sivutuotteena joskus tapahtuvan elektrolyytissä olevan veden elektrolyysin tuotteet, happi ja vety, pääsevät vapaasti akusta ulos, ja akkuun lisätään akkuvettä säännöllisesti. Ns. huoltovapaissa akuissa kennot on suljettu ja akkuun on usein lisätty katalyyttiä, esimerkiksi antimonia, hopeaa tai kalsiumia, katalysoimaan syntyvää happea jossain määrin takaisin vedeksi. Niissä on myös varoventtiili, joka päästää kaasuja ulos paineen noustessa liikaa. Geeliakuissa elektrolyytti on sakeutettu geelimäiseksi piidioksidin avulla ja AGM (absorbent glass mat) -akuissa elektrolyytti on imeytetty väliaineena toimivaan lasivillaan. Geeli- ja AGM-akut ovat myös suljettuja akkuja. Kaikkien toimintaperiaate on sama. AGM-akuissa on muihin akkutyyppeihin verrattuna etuna suuren kaasupalautuksen lisäksi etuna se, että akun ikääntyessä elektrodilevyistä mahdollisesti irtoilevat palat eivät pääse laskeutumaan akun pohjalle oikosulkemaan elektrodeja.

Akun toiminta perustuu sähkökemialliselle kaksisuuntaiselle reaktiolle. Täydessä akussa suurin osa elektrolyytistä on rikkihappoa ja anodit ovat täysin lyijyä ja lyijyoksidia ja rikkihappo hajautuneena protoneiksi ja sulfaatti-ioneiksi. Kun akkua puretaan, katodilla lyijy hapettuu lyijysulfaatiksi ja anodilla lyijyoksidi pelkistyy lyijiysulfaatiksi sekä protonit ja happiatomit yhtyvät vedeksi.  Akkua ladattaessa tapahtuu päinvastoin: lyijysulfaatti pelkistyy lyijyksi ja lyijyoksidiksi ja protonit muodostavat sulfaatti-ionien kanssa rikkihappoa.

Akun ikääntymiseen vaikuttavia tekijöitä

Keskeiset lyijyakkuja ikäännyttävät prosessit ovat

·         anodinen korroosio: latausvirta aiheuttaa vääjäämättä anodilevyjen vähittäistä hapettumista

·         Anodipuolen aktiivisen lyijyoksidimassan vaillinainen rekombinaatio ja irtoileminen sekä laskeutuminen akun pohjalle

·         Sisäiset oikosulut

·         Levyjen oksidoituminen esim. liian vähäisen akkuveden takia.

·         Sulfatoituminen.

Mekanismit riippuvat usein toisistaan. Esimerkiksi lyijyoksidilevyjen ja niitä tukevien kehikoiden korroosio johtaa lisääntyneeseen sisäiseen vastukseen, mikä vähentää latausvirtaa ja aiheuttaa sulfatoitumista. Toisaalta lyijyoksidin irtoileminen ja variseminen akun pohjalle voi aiheuttaa sisäisiä oikosulkuja. Melkein kaikkien mekanismien etenemiseen voidaan vaikuttaa akun säilytysolosuhteilla, käyttö- ja lataustavoilla sekä huollolla.

Akun purkaminen ja joidenkin akkutyyppien lataaminen suurella virralla aiheuttaa anodilevyjen korroosiota. Akun purkaminen täysin tyhjäksi aiheuttaa peruuttamatonta sulfatoitumista ja lyijyoksidin lopullista häviämistä anodilta. Esim. tyypillinen starttiakku kestää täyden purun vain 10-12 kertaa, syväpurkausakku 150-200 kertaa. Starttiakku kestää purun 50 prosentin varaukseen 100-120 kertaa, kun syväpurkausakku kestää sen 400-500 kertaa. Ero johtuu lyijyoksidilevyjen paksuudesta; käynnistysakussa ne ovat paljon ohuemmat kuin syväpurkausakuissa.

Jos akku ladataan jatkuvasti alle 100-prosenttisesti, osa purkuvaiheen lyijysulfaatista ei pelkisty koskaan lyijyksi tai hapetu lyijyoksidiksi. Tämä alun perin pehmeä amorfinen lyijysulfaatti muuttuu kuukausissa tai jopa viikoissa kiteiseksi kovaksi lyijysulfaatiksi, joka ei enää osallistu lataus-purku -sykliin ja joka peittää elektrodien huokosia estäen akun normaalia toimintaa. Kun enää vain pieni osa lyijy- ja lyijyoksidilevyjen pinta-alasta osallistuu sähkön tuottoon ja varastointiin, virrantuottokapasiteetti heikkenee merkittävästi vaikka jännite pysyisikin pienellä kuormalla mitattaessa korkeana. Käytännössä sulfatoitunut iso akku alkaa käyttäytyä kuin pieni akku: jännitteet putoavat pienilläkin virroilla nopeasti, käytettävissä oleva Ah-määrä vähenee ja varauksen vastaanottokyky laskee.

Toisaalta jatkuva ylilataaminen, so. lataustehon tuominen täyteen akkuun, lämmittää akkua ja hajottaa elektrolyytin vettä hapeksi ja vedyksi. Elektrolyytin pinnan laskiessa esiin tulevat lyijylevyt hapettuvat käyttökelvottomiksi ilman hapen vaikutuksesta. Ylilataus murentaa fyysisesti anodilevyjä nopeuttamalla akun hapettumista. Jotkut ovat myös sitä mieltä, että lataus isolla virralla aiheuttaa akun levyjen murenemista (shedding). Voimakkaaseen vedyntuotantoon liittyy periaatteessa myös räjähdysvaara.

Matala lämpötila hidastaa akun ikääntymisprosesseja mutta pienentää myös akun kapasiteettia. Korkeassa lämpötilassa akkujen elektrolyytti kiehuu helpommin ja sen määrä vähenee ellei sitä lisätä (avoimiin akkuihin). Elektrolyytin rikkihappo pyrkii lisäksi painumaan paikallaan olevassa akussa pohjalle (stratification). Liian väkevä seos akun alaosassa syövyttää elektrodeja ja liian laimea seos yläosassa aiheuttaa sulfatoitumista.

Mekanismit etenevät usein melko tasatahtiin. Keskeisimpänä syynä akun tulemiseen ennenaikaisesti käyttökelvottomaksi (ts. niin että muut ikääntymisprosessit eivät vielä ole pisteessä jossa akku olisi käyttökelvoton) pidetään sulfatoitumista.

Lyijyakun lataamiseen vaikuttavia tekijöitä

Akkua siis ladataan yhdistämällä siihen ulkoinen sähkötehon lähde. Käytännössä sähkötehoa säädellään säätämällä teholähteen jännitettä. Ohmin lain mukaisesti tietty jännite (tai akun ja teholähteen jännitteiden ero) tuottaa piiriin jännitteestä teholähteen ja akun sisäisistä resistansseista riippuvan latausvirran. Jännitetasoa vaihtelemalla ja virtaa rajoittamalla saadaan erilaisia latausreseptejä. Näitä voidaan luonnehtia mm. seuraavista näkökulmista:

·         latauksen nopeus

·         Saavutettava lataustila

·         Latauksen sivuvaikutukset

·         Lataustavan vaikutus akun elinkaareen

·         Lataustavan vaatimat laitteet.

Mahdollisimman suuren ampeerituntimäärän lataaminen akkuun mahdollisimman nopeasti on tarpeen erityisesti purjevenekäytössä, jossa moottorinkäyttösyklit ovat usein lyhyitä. Kapasiteetin täyden hyödyntämisen kannalta myös akkujen saaminen mahdollisimman täyteen pidemmissä lataussykleissä olisi suotavaa. Tämä on tarpeen myös akun elinkaaren maksimoimiseksi.

Keskeinen latauksen sivuvaikutus lyijyakulla on kaasunmuodostus. Avoimessa lyijyakussa akkuveden elektrolyysi vedyksi ja hapeksi muuttuu merkittäväksi, kun akun jännite ylittää 14.4. volttia 25^OC lämpötilassa. Alemmissa lämpötiloissa rajajännite nousee 0.2-0.3 volttia per 10^O C ja korkeammissa laskee vastaavasti.  Muiden akkutyyppien kaasunmuodostuksen kynnysjännitteitä on taulukossa X. Toinen merkittävä sivuvaikutus on akun lämpeneminen, joka korostuu erityisesti suurilla virroilla (lämmöksi muuttuva teho on akun sisäinen resistanssi kerrottuna latausvirran neliöllä). Suuri akku lämpenee enemmän kuin pieni, koska lämmöntuotanto on verrannollinen akun tilavuuteen ja lämmön ulosvirtaus akun pinta-alaan, ja akun koon kasvaessa sen tilavuus kasvaa nopeammin kuin pinta-ala. Pitkään jatkuva lataus pienelläkin virralla aiheuttaa puolestaan ylilatausta, joka murentaa akun anodilevyjä.

Latausreseptin ylivoimaisesti tyypillisin vaikutus lyijyakun elinkaareen syntyy jatkuvasta alilatauksesta ja siitä syntyvästä sulfatoitumisesta. Lataustavalla on myös positiivisia vaikutuksia akun elinkaareen. Hallittu lyhyt muutaman tunnin ylilataus normaalia korkeammalla jännitteellä (equalization charge) silloin tällöin tehostaa lyijysulfaattijäämien pelkistymistä. Ylilataus elvyttää erityisesti akun huonoimpia kennoja, jotka ovat vaarassa jäädä jatkuvasti alilatautuneiksi ja sulfatoitua näin ensin. Ylilatauksen yhteydessä tapahtuvaa lyhytaikaista kaasuuntumista voidaan hyödyntää myös akun elektrolyytin sekoittamiseen nestemäisen elektrolyytin akuissa.

Myös lyhyiden korkeajännitepulssien rytmikkään syöttämisen akkuun korkealla taajuudella sanotaan elvyttävän sulfatoitunutta akkua. Tästä ei kuitenkaan ilmeisesti ole selkeää näyttöä.

Mitä monimutkaisemmilla jänniteprofiileilla akkua ladataan, sitä monimutkaisempaa (ja usein kalliimpaa) laitteistoa, tiedonkeruuta ja prosessointia tarvitaan. Myös mitä suurempia latausvirtoja halutaan käyttää, sitä järeämpiä (ja kalliimpia) virtalähteitä joudutaan käyttämään.

Eri latausreseptejä

Yksinkertaisin mahdollinen tapa ladata lyijyakkua on kytkeä siihen riittävän korkea vakiojännite. Mikä tahansa jännite, joka ylittää 12,9 volttia (2,15 volttia per kenno), lataa lyijyakkua. Pienillä jännitteillä latausvirrat jäävät pieniksi, jolloin akun lataus kestää kauan ja erilaisten häviöiden takia akku ei välttämättä tule koskaan täyteen. Suurilla jännitteillä latausvirrat kasvavat, mutta jännitteen noustessa latausteho menee latautumisen lisäksi kaasuuntumiseen, joka on ei-toivottu sivuvaikutus.

Usein halvoissa akkulatureissa käytetty yksinkertainen resepti on vähenevän virran algoritmi (taper current charging). Sähköverkosta tehonsa ottava latauslaite, joka toimii tällä tavalla, koostuu yksinkertaisesti tasasuuntaajasta ja muuntajasta, jossa on riittävä sisäinen resistanssi maksimivirran rajoittamiseksi. Kytkettäessä laite tyhjään akkuun sen antojännite putoaa ja se antaa akulle suurimman itsensä kannalta mahdollisen virran. Kun akun jännite nousee ja akku vaatii vähemmän virtaa, myös latauslaitteen jännite nousee. Nousu päättyy johonkin rajajännitteeseen, joka on yleensä enemmän kuin 14.4 volttia, sillä 14.4 voltin jännitteessä lyijyakku on vasta noin 80-prosenttisesti täynnä. Täyden akun indikaatiota ei useinkaan ole; ja lataus on muistettava lopettaa manuaalisesti kun akku ottaa vastaan enää riittävän pienen virran, kynnysarvona pidetään noin kahta prosenttia akun kapasiteetista.

Vakiovirralla ladattaessa akulle tuotetaan vakiona pysyvä virta, joka on tyypillisesti jokin murto-osa akun kapasiteetista. Tyhjän lyijyakun varauksen vastaanottokyky on hyvä, ja yllättävän suuria virtoja voidaan käyttää akun lataamiseen. Suuren virran ylläpitäminen vaatii lopulta kuitenkin latausjännitteen, jolla veden elektrolyysi käynnistyy. Suuret virrat myös lämmittävät akkua. Käytännössä akkua ei tämän takia voida ladata suurella vakiovirralla täyteen. Lataustapa edellyttää latauslaitteelta edellistä isompaa tehontuottoa erityisesti pikalatauksessa, ja kykyä säätää jännitettä virran vakioimiseksi eri jännitteillä.

Vakiojännitteellä lataaminen rajoittamattomalla virralla tarkoittaa vakiojännitteen viemistä akulle ja akun tällä jännitteellä vastaanottaman latausvirran toimittamista ilman rajoitusta. Järjestely vaatii järeän teholähteen ja akun lämpeneminen on suurten virtojen takia voimakasta. Nopea lataaminen saattaa myös edistää akun elektrodien fyysistä murenemista.

Käytännössä latausreseptit ovat yhdistelmiä näistä yksinkertaisista resepteistä. Lyijyakku saadaan ladattua nopeimmin täyteen suurimmalla sellaisella virralla jonka akku kykenee ottamaan vastaan ilman elektrolyytin merkittävää elektrolyysiä hapeksi ja vedyksi tai akun liiallista kuumenemista. Suurin mahdollinen virta riippuu monimutkaisella tavalla akun varaustilasta, rakenteesta ja elinkaaren vaiheesta.

Hyvä approksimaatio tällaiselle reseptille on nykykäsityksen mukaan kolmivaiheinen lataus, joka koostuu vakiovirralla lataamisesta, vakiojännitteellä lataamisesta ja ylläpitolatauksesta. Reseptiä kutsutaan joskus i0-u0- tai i-uo-u –lataukseksi. Reseptiä hyödyntävät mm. ns. älylaturit. Vakiovirralla ladattatessa (i0, bulk charge) akulle toimitetaan suurin virta jonka latauslaite pystyy tuottamaan. Kun tämän virran ylläpitämisessä tarvittava jännite nousee akun lämpötilalla korjatulle kaasuuntumisjänniterajalle, aletaan jännitettä pitää vakiona (u0, absorption charge). Latausvirta alkaa tällöin pienentyä lähestyen täyden akun latausvirtaa. Kun tämä virtataso on saavutettu, pudotetaan latausjännite säilytyslatauksen tasolle, jossa lataus kompensoi akun itsepurkautumisen (u, float charge). Tämän lisäksi voidaan tuottaa akulle silloin tällöin korkeamman jännitteen jaksoja sulfatoitumisen ehkäisemiseksi (maintenance charge tms.).

Latausreseptissä yhdistyvät nopein mahdollinen lataus ilman sivuvaikutuksia, 100% lataustaso ja akun elinkaaren kannalta hyvä toiminta. Ainoa miinuspuoli reseptissä on käytännössä tarve mikroprosessoriohjatuille latauslaitteille. Nämä ovat kuitenkin nykyään yleisiä ja kohtuuhintaisia.

Tyypillinen latausjärjestely veneessä

Venemoottoreiden laturit ja latureiden jännitteensäätimet ovat tyypillisesti tavallisia autokäyttöön tarkoitettuja laitteita. Ne on suunniteltu tuottamaan akkuun se pari ampeerituntia jonka auton käynnistys (tai start-stop -toiminto) vie sekä tämän jälkeen tuottamaan sähköteho auton sähkölaitteisiin ja ylläpitämään jännitettä jolla akku ei purkaudu tai ala tuottaa kaasua. Jännitteensäädin saattaa mitata oman lämpötilansa, arvioida akun olevan samassa lämpötilassa ja soveltaa jännitteeseensä edellä mainittua lämpötilakorjausta. Veneessä akut ovat kuitenkin usein tiloissa, joiden lämpötila saattaa olla kymmeniä asteita konehuoneen lämpötilaa alempi, joten akuille tuleva jännite on siis niiden lämpötilaan nähden kaukana kaasuuntumisrajasta eli jännitteestä, jota absorptiolatauksessa kannattaisi käyttää. Jos lämpötilakorjausta ei ole, säätimen nominaalijännite on yleensä varmuuden vuoksi niin matala, että akut eivät ala kaasuuntua missään olosuhteissa, tyypillisesti 13.8-14.2 volttia.

Normaalia alemman latausjännitteen lisäksi veneen latausvirtapiireissä on merkittäviä resistansseja, jotka pudottavat akulla näkyvää latausjännitettä edelleen. Suurin resistanssi liittyy kaksiakkujärjestelmissä usein käytettäviin jakodiodeihin, jotka estävät käynnistys- ja käyttöakun purkautumisen toisiinsa. Isoilla latausvirroilla jännitepudotus diodissa saattaa olla jopa 0.6-0.8 volttia. Hapettuneet liittimet ja kustannussyistä usein käytetyt liian ohuet johdot saattavat pudottaa jännitettä isoilla virroilla jopa 1 voltin. Myös löysä laturin hihna saattaa pudottaa latausjännitettä muutamia voltin kymmenyksiä.

Usein jännitteensäätimessä on erillinen kontakti, jolla säätimelle voidaan tuoda suoraan akun navalta mitattu jännite. Tällä myötäkytkennällä kompensoidaan periaatteessa virtapiirin jännitealenema. Järjestely toimii, jos alenema on riittävän pieni. Jos jännitealenema hapettuneista liittimistä, liian ohuista johdoista ja jakodiodista johtuen on lähes 2 V, säädin saattaa saturoitua eli tilata itseltään jännitettä jota se ei pysty tuottamaan. Täten laturin jännitteenmittaus akun navalta ei välttämättä auta jos latausvirtapiirissä on liian iso jännitteen alenema.

 
Edellä mainituista syistä käyttöakkujen latausjännite ei moottorilatauksessa nouse välttämättä edes ylläpitoon riittävälle tasolle, saati tasolle jota tulisi latauksen absorptiovaiheessa käyttää. Lopputuloksena on, että käyttöakut eivät moottorilatauksella lataudu juurikaan lyhyiden lataussyklien aikana, eivätkä akut lataudu täyteen edes vaikka moottorilla ajettaisiin pitkään. Täyttä kapasiteettia ei saada käyttöön ja akut ovat vaarassa sulfatoitua. Jos mahdollisen aurinkopaneelinkaan säädin ei nosta jännitettä riittävästi ja maasähkölaturi ei ole älykästä sorttia, sulfatoitumiskatastrofi on valmis.

Kaapelit kuntoon

Ensimmäinen vaihe latauksen parantamisessa on vaihtaa veneen vakioasennusten muutaman neliömillimetrin johdot järeisiin kaapeleihin. Esimerkiksi jos akut sijaitsevat 2 metrin päässä laturista, latausvirta on 20 A ja kuparikaapeli on poikkipinta-alaltaan 2,5 neliömillimetriä, latausjännite putoaa 4 metrin (2 m+2 m) mittaisessa virtapiirissä noin 0.8 volttia. Jos laturin myötäkytkentää ei ole, laturin lämpötila on 45 ^OC ja akun 25 ^OC, laturi tuottaa 13.8 volttia, joka näkyy akulla 13 voltin jännitteenä, vaikka järjestelmässä ei edes olisi jakodiodia. Tämä jännite ei käytännössä lataa akkuja ollenkaan. Jos taas kaapeli on 16-neliömillimetristä, jännitepudotus kaapeleissa on enää hieman yli 0.1 volttia, ja jos 25-neliömillimetristä, pudotus on enää 0.05 volttia. Tällöin jännite akulla olisi 13.7-13.75 volttia.

Kaapeleina kannattaa käyttää ns. tinattua kaapelia, jossa kaapelin kuparisäikeet on uitettu sulassa tinassa ennen kaapelin kokoamista. Tina suojaa kuparia hapettumiselta. Kaapelikenkinä tulee käyttää laadukkaita kaapelin kokoon sopivia kenkiä, jotka kiinnitetään puristamalla. Juottamista ei suositella koska tällöin kaapeliin syntyy lyhyt kova pätkä ja kaapeli saattaa tärinän vuoksi katketa kovan ja pehmeän kohdan välistä. Isoja kaapeleita ei käytännössä pystytäkään juottamaan koska juottamisen vaatimaa lämpömäärää on vaikea tuottaa ja siirtää kaapeliin.  Kengän kiinnityksen päälle asennetaan kutistesukka.

Jakodiodi on paholaisen keksintö

Seuraava vaihe on hankkiutua eroon mahdollisesta kaksiakkuasennuksen jakodiodista. Yksinkertainen vaihtoehto on valintakytkin, josta käyttöön voidaan kytkeä veneen virtapiireihin käynnistysakku, käyttöakku, molemmat tai ei mitään. Moottorin käynnistystä varten kytketään käynnistysakku ja purjehdus- ja satamakäyttöä varten käyttöakut. Latauksen ajaksi kytketään molemmat akut virtapiireihin. Järjestely sisältää kuitenkin aina riskin siitä, että kytkin unohtuu väärään asentoon tai kytkin käännetään nolla-asentoon moottorin käydessä, jolloin laturin tasasuuntaussilta saattaa vaurioitua. Lisäksi asennossa ”molemmat” käynnistys- ja käyttöakut ovat rinnan kytkettyinä. Jos käyttöakut ovat tyhjemmät kuin käynnistysakut, käynnistysakku pyrkii tyhjenemään käyttöakkuihin. Jännite-ero tosin on niin pieni, että akkujen väliset virrat jäävät todennäköisesti merkityksettömiksi, paitsi siinä tilanteessa, että toinen akku on rikki, jolloin se saattaa pystyä tyhjentämään ehjän akun itseensä tai lämmöksi.

Väärän asennon unohdusriskin takia valintakytkintä suositeltavampi vaihtoehto on ns. kaksoisakku- tai erotusrele, joka erottaa akut kun niitä ei ladata ja yhdistää ne latauksen ajaksi. Releen ohjaus otetaan virtapiirin jännitteestä. Tällöin rele kytkee akut yhteen jännitteen noustessa latausta ilmaisevalle tasolle ja erottaa ne latauksen päättyessä ja jännitteen laskiessa. Älyllä varustetut erotusreleet osaavat lisäksi ohjata rajallisen latausvirran ensin ensisijaiselle akulle ja vasta latausvirran pienennyttyä molemmille akuille. Releen laukaisevan jännitteen raja-arvo tulee kuitenkin säätää oikein. Tehottomalla laturilla ja hyvin tyhjällä akustolla käyttöakun latausta ei muuten saada käyntiin ollenkaan.

Jos mekaaniset laitteet tai akkujen yhteen kytkeminen arveluttavat, on hyvä vaihtoehto elektroninen latauksenjakaja. Siinä diodit on korvattu mosfet-transistoreilla, joiden jännitehäviö on merkityksetön. Akut pysyvät erillään sekä latauksen että purun aikana.

Mahdollinen väärä latausjännitteen lämpötilakompensaatio on hankalampi korjata. Eräs ratkaisu on asentaa myötäkytkentämittaukseen tai jännitteensäätimelle sopiva vastus, käytännössä yleensä diodi, valehtelemaan jännitteensäätimelle todellista matalampi jännite akulla. Kytkentä sisältää kuitenkin akkujen kaasuuntumisriskin, jos akkujen lämpötila nouseekin laturin lämpötilan tasalle.

Johdotukset korjaamalla ja jakodiodista eroon hankkiutumalla jännitteenalenema latausvirtapiirissä saadaan sellaiselle tasolle, että laturin mahdollinen myötäkytkentä pystyy tuottamaan suunnitellun jännitetason akuille saakka.

Ulkoiset säätimet ja laturista akkuun -laturit

Kuten edellä todettiin, suunniteltu jännitetaso ei välttämättä palvele akkujen latausta halutulla tavalla. Mikäli latausta halutaan kehittää edelleen, joudutaan puuttumaan laturin jännitteensäätimen toimintalogiikkaan. Käytännössä vaihtoehtoja on kaksi: älykkäät ulkoiset säätimet tai erilliset elektroniset laturit, jotka hyödyntävät moottorin laturia vain sähkötehon lähteenä.

Ulkoiset säätimet ohjaavat laturin roottorin magnetointivirtaa laturin oman säätimen ohi toteuttaen i0u0-lataussyklin tai valmistajan määrittelemän muun latausreseptin eri akkutyypeille. Akkutyyppi kerrotaan laitteelle. Koska vakiovirralla lataaminen kuormittaa laturia ja moottoria paljon, laitteet sisältävät usein käynnistysviiveen, jotta moottori ehtii lämmetä hiukan. Lisäksi laitteissa on usein ohituskytkin, jolla lataus lopetetaan jos koko moottorin teho tulee saada ajokäyttöön nopeasti. Tällä saattaa olla merkitystä pienissä alle 10 hv mottoreissa, joissa häviöt huomioiden laturin ottama teho saattaa olla latauksen bulkkivaiheessa yli 1000 wattia. Joidenkin ulkoisten säädinten asentaminen on sikäli työlästä, että usein magnetointivirtajohdot joudutaan juottamaan laturin hiiliin laturin oman jännitteensäätimen johtojen rinnalle.

Kehityksen jonkinasteinen huipentuma ovat elektroniset laturit, jotka käyttävät moottorin laturia vain sähkötehon tuottamiseen. Ne sisältävät liitännät monille akustoille, jolloin akustojen erotusmekanismeja ei tarvita, monipuoliset lämpötila- ja jännitteenalenemamittaukset optimaalisen latausjännitteen tuottamiseksi sekä paljon laskentakapasiteettia optimaalisten latausvirtojen ja -jännitteiden tuottamiseksi akkujen lataamiseksi mahdollisimman täyteen mahdollisimman nopeasti. Ne saattavat sisältää jopa hakkuriteholähteen jännitteen nostamiseksi korkeammaksi kuin mitä laturi pystyy tuottamaan.

Laturilta akkuun -laturin asentaminen

Asensin Volvo Penta MD2040 -moottorin vakiolaturin ja akustojen (käyttöakut 2 x 2015 Ah SLA, käynnistysakku 95 Ah AGM) väliin Sterling  AB12130 laturilta akkuun -laturin. Laturi toimitettiin brittiläisestä verkkokaupasta noin 450 euron hintaan muutamassa päivässä. Laturin mukana tuli selkeähkö asennusohje, joka on saatavilla myös valmistajan www-sivuilta. Tinatun 25 mm2 kaapelin, sulakkeet ja kaapelikengät tilasin englantilaisesta verkkokaupasta. Jostain syystä tinattu paksu kuparikaapeli on Suomessa kiven alla.

Sijoitin laitteen ohjeen vastaisesti pienellä riskillä dieselmoottorin konetilaan, koska arvelin että lämpötila ei nouse tilan alaosassa liikaa ja että diesel ei poikkeustilanteessakaan kaasuunnu syttymiskelpoiseksi seokseksi (laite ei ole kipinäsuojattu). Bensakoneen kanssa samaan tilaan en sijoittaisi laitetta. Paikan löydyttyä mittasin sopivat kaapelipituudet, katkoin kaapelit ja puristelin niihin kaapelikengät Bilteman pihdeillä. Jokaiseen liitokseen laitoin lisäksi kutistesukan. Irrottelin alkuperäiset naurettavan ohuet johdotukset ja kytkin laitteen akkuihin ja laturiin. Lisäksi kytkin mukana tulleet lämpötila-anturit laitteeseen ja vein ne käyttöakulle ja laturille. Laite keskeyttää toimintansa jos akku tai laturi kuumenee liikaa.

Koekäynnistyksellä laite ei käynnistynyt. Manuaalissa kerrottiin, että jotkut laturit tarvitsevat normaalin D-navalle annettavan roottoriherätteen lisäksi jännitteen staattorin B+ -navalle magnetoituakseen. Laite ei sitä automaattisesti anna, koska se sisältää jakodiodeja. Jännite laturin navoilla olikin tosiaan nolla. Laturi magnetoitui ja laite käynnistyi, kun kosketin B+ -napaa +12 V johdolla akulta. Koska pitkän päälle käynnistäminen tällä tavalla on ikävää, laitteessa on liitäntä ulkoiselle merkkijännitteelle esimerkiksi käynnistinmoottorin solenoidilta. Havaitessaan jännitteen tässä liitännässä laite syöttää B+ -navalle 2 sekuntia 12 voltin jännitettä. Tein kytkennän ja laite alkoi toimia automaattisesti.

Ilman laitetta latausjännite oli noussut akulla 14.1 volttiin ja akkuun menevä virta putosi muutamassa minuutissa muutaman ampeerin tasolle. Nyt laite nosti latausjännitteen 14.5 volttiin ja työnsi näennäisesti täysiin akkuihin tasaisesti 13-16 ampeerin virtaa jo hyvin pienellä moottorin kierrosluvulla.

Laajemmat koepurjehdukset ovat vielä edessä, mutta jo tässä vaiheessa näyttää hyvältä. Uskallan veikata pitkää ikää myös akuille.

Sirpaletietoa 1: Paljonko akkukapasiteettia?

Suunniteltu purkuaste tulee huomioida akkukapasiteetin mitoituksessa. Otetaan suunnittelukriteeriksi 150 ampeeritunnin energiankulutus. Jos suunnitellaan, että akkujen purkuaste saa olla maksimissaan 50%, tarvitaan akkukapasiteettia 300 Ah. Jos pelataan varman päälle ja huomioidaan, että akut saadaan usein purjehdusmatkalla ladattua vain 80-prosenttisesti, tulee kapasiteettia varata 500 Ah!

Sirpaletietoa 2: Hanki akkumonitori!

Eräs veneen tärkeimmistä mittareista on akkumonitori. Se mittaa jatkuvasti paitsi akkujen jännitettä myös akkujen purku- ja latausvirtaa sekä purettuja ja ladattuja ampeeritunteja. Näin se pitää kirjaa akun lataustilasta. Jotkut mittarit saadaan hälyttämään tietyillä varaustasoilla ylipurkamisen välttämiseksi. Monitoreilla saadaan luotettava kuva akun varaustilasta, eri laitteiden kuluttamasta virrasta sekä mahdollisista latauksen tai kulutuksen häiriötilanteista. Akkumonitorit maksavat tyypillisesti 100-200 euron väliltä. Monitorin asentaminen on suhteellisen yksinkertaista.

Sirpaletietoa 3: Jakodiodi hajottaa käynnistysakkusi

Jakodiodiin ja jännitteensäätimen myötäkytkentään liittyy toinenkin ongelma, nimittäin käynnistysakun ylilataus. Tilanteessa, jossa käyttöakku on tyhjä ja käynnistysakku täysi, Käyttöakkuun menee iso virta toisen jakodiodin läpi ja jännitteenalenema on iso. Käynnistysakkuun ei mene virtaa, jolloin sen jakodiodin jännitteenalenema on pieni. Kun käyttöakkuun kytketty jännitteensäätimen myötäkytkentä kompensoi havaitsemansa jännitteenaleneman, saattaa käynnistysakulle tulla yli 15 voltin jännite (jos laturi pystyy sen tuottamaan). Täysi akku tarvitsisi kuitenkin vain ylläpitojännitteen, joka on alle 14 volttia. Akku siis ylilatautuu roimasti. Mikäli järjestelmässä on jakodiodi, käynnistysakun kannattaisi olla joko avoin lyijyakku, johon voidaan lisätä akkuvettä, tai suljettu kalsiumakku, jossa elektrodeihin lisätty kalsium katalysoi syntyvät kaasut      päästämättä niitä ulos jopa 16 volttiin asti.