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Internet Message Format  |  1993-10-05  |  10KB

  1. From: brian@ucsd.edu (Brian Kantor)
  2. Newsgroups: rec.radio.amateur.misc
  3. Subject: Re: Safety of auto battery for power?
  4. Date: 3 Oct 1992 13:27:12 GMT
  5. Organization: The Avant-Garde of the Now, Ltd.
  6.  
  7. [reposted from a few months ago.  No, this does NOT belong in the FAQ]
  8.  
  9. I've been doing some research on lead-acid batteries with an eye towards
  10. using them to provide power for our ham radio repeater site.
  11.  
  12. Our site is difficult to get to, and the commercial AC mains power goes
  13. away at times.  Everything in the site runs off a nominal 12 volts DC.
  14. During idle periods, the equipment may only draw a few amperes, but
  15. most of the transmitters can draw up to 10 to 15 amps each.  A maximum
  16. drain of 100 amps isn't out of the question, although it would probably
  17. be only for a few minutes at a time.  Some systems (such as the digital
  18. communications equipment) key on and off quite regularly, with perhaps
  19. as much as a 50% duty cycle, whilst others may not key for hours and
  20. then stay on for as long as an hour or two (voice repeaters during
  21. drivetime).  We do not want there to be any interruption of power when
  22. the mains fail.  We don't believe that most of the outages are of a
  23. duration that a generator will be necessary - a few hours is
  24. sufficient.
  25.  
  26. It is clear that a good solution to our problem is a bank of lead-acid
  27. batteries capable of supplying the peak current, floating across a
  28. supply that can recharge them and supply the standby and perhaps one or
  29. two transmitter's demand.
  30.  
  31. Ok, that's the problem.  Here's what I've found.
  32.  
  33. Lead-Acid batteries commonly available today can be roughly grouped into
  34. three categories by construction and intended use:
  35.     1. Automotive starting
  36.     2. Traction
  37.     3. Stationary
  38.  
  39. Automotive starting batteries are formulated with thin pasted plates and
  40. are designed to supply high peak currents for brief periods of time
  41. whilst cranking an engine.  They are not expected to be discharged to
  42. more than perhaps 75% of capacity, and are expected to be recharged 
  43. immediately after discharge.  If used in deep-discharge or float service
  44. they will not last long.  (I.e., the capacity of the battery will
  45. diminish fairly quickly.  While it will still act as a battery, it will
  46. not be able to supply its rated capacity soon after being placed in the
  47. wrong kind of service.)
  48.  
  49. Traction batteries are made with thick pasted plates and have very
  50. rugged separators between the plates to make the battery more immune to
  51. physical shock and vibration, and to reduce the chance of failure due
  52. to dendritic growth during recharging.  These batteries are sold for
  53. use in electric forklifts, golf carts, marine trolling motors, and RV
  54. power.  They are designed to be discharged nearly fully each day, and
  55. recharged each night.  Because there is some tradeoff in battery life
  56. by using the pasted plate construction to keep the size and weight of
  57. the battery down, they are not used in applications where extremely
  58. long life is required.  The commonly-available Deep Cycle Marine
  59. batteries are of this general type.
  60.  
  61. Stationary batteries are made with thick solid plates.  They are
  62. designed to be used as standby power, supplying minimal power and kept
  63. in a state of nearly full charge until needed.  They can take deep
  64. discharge.  Because of the solid plate structure, they are bigger and
  65. heavier, but their lifetime is much longer.  One source suggests that
  66. 10 years is not unusual.  Some photovoltaic storage batteries (for
  67. solar-powered homes and such) are of this type.
  68.  
  69. The best battery for our application is the Stationary battery, but they
  70. are not commonly available.  Much more readily obtained are the Marine/RV
  71. batteries, at about $50 apiece.
  72.  
  73. Charging and discharging these batteries is a big question.  I posted a
  74. query to the net and received about a dozen replies, most of which
  75. contradicted each other in one or more points.  However, there is some
  76. consistency in the information available in our library, and I'll try to
  77. summarize it below.
  78.  
  79. Note that all the voltages given below are for batteries at working
  80. temperature - typically 80F (27C).
  81.  
  82. DISCHARGE:
  83.  
  84. Batteries are rated at an Amp-Hour capacity at a specific rate.
  85. For traction type batteries, this is typically a five hour rate, so a
  86. fully-charged 100 Ah traction battery in good condition can supply 20
  87. amps for 5 hours before it is exhausted.  Stationary batteries are
  88. usually rated at a 10 hour rate, and automotive (if rated in Ah at all)
  89. are given for a 20 hour rate.  The discharge curve is NOT linear; if
  90. you double the current drain, you will get less than half the time.
  91. Similarly, if you halve the drain, you will get more than twice the time.
  92.  
  93. Each type of battery has a specified voltage at which it is considered
  94. completely discharged.  If discharge continues below this voltage, the
  95. battery life may be considerably shortened, and repeated abuse of this
  96. kind can result in a battery which cannot practically be recharged.
  97. Each battery manufacturer specifies this voltage; in general, the final
  98. voltage for the three general types of batteries are
  99.  
  100.     automotive    1.75 v per cell
  101.     traction    1.70
  102.     stationary    1.85
  103.  
  104. Thus a typical 12 volt marine battery with 6 cells should not be
  105. discharged below about 10.2 volts.
  106.  
  107. Another way of looking at it is that no cell should be discharged more
  108. than about .3 v below its full-charge rest voltage.
  109.  
  110. A typical cell will show the following voltages:
  111.  
  112. fully charged, open circuit, at rest with no
  113. charge/discharge for at least 12 hours                2.12 v/cell
  114.  
  115. As soon as load is applied (internal v-drop)            2.00
  116.  
  117. fully discharged, under load                    1.70
  118.  
  119. fully discharged, open circuit                    1.99
  120.  
  121. beginning of charging                        2.10
  122.  
  123. 70% to 80% charge (gassing begins)                2.35
  124.  
  125. full charge                            2.65
  126.  
  127.  
  128. CHARGING:
  129.  
  130. Liquid-electrolyte lead-acid batteries can be recharged at any rate
  131. that exceeds internal and surface discharge rates, and which does not
  132. cause excessive gassing (liberation of oxygen, hydrogen, and steam).
  133.  
  134. In non-float service, there are several simple chargers.
  135.  
  136. A single-rate (constant-current) charger limits its charge rate to
  137. about 7% of the Ah capacity of the battery; for a 100 Ah battery, it
  138. would charge at a rate of 7 amperes.  Since the battery will start at
  139. about 2.1 v per cell, and finish at about 2.7 v per cell, the charger
  140. must be able to vary its voltage over this range.  For a "12 volt"
  141. battery with 6 cells, the charger will need to supply between 12.6 and
  142. 16 volts over the duration of the charge.  Charging is complete when the
  143. battery reaches 2.65 to 2.7 volts per cell.
  144.  
  145. A simple taper charger is a constant-voltage source set to 2.8 volts per
  146. cell with a series ballast (typically a resistor, but a choke or the
  147. internal resistance of the supply can be used) that limits the output
  148. current to 7%C when the battery is started charging at 2.1 v/cell.
  149. Again, charging is complete when 2.7v/cell is reached.
  150.  
  151. Trickle-charging of a fully-charged battery can be done to keep it
  152. charged.  This is done by supplying .5 to 1 mA per Ah capacity.  Trickle
  153. charging should be discontinued when it has continued for at least 24
  154. hours and the battery has reached 2.25 v/cell.  Typically, trickle
  155. chargers are set to run perhaps once a week.  Because of their thin
  156. plate construction, automotive-type batteries will deteriorate if
  157. trickle-charged for more than perhaps six months.
  158.  
  159. An interesting research result was that using pulsating rectified AC or
  160. superimposing a small AC current on pure DC charging current increased
  161. battery life by up to 30%.  Apparently the mechanism is that is reduces
  162. gassing and leads to a more porous lower-resistance plate, and lessens
  163. the tendency to form dendrites during charging.
  164.  
  165. In float service, where the battery is in parallel with the mains
  166. supply, the supply voltage must be set to 2.15 to 2.20 v/cell.  This
  167. will charge the battery, and avoids excessive gassing, but does not
  168. serve to "freshen" the cells - there is not enough gassing activity to
  169. move electrolyte around and clear the beginning of deposits from the
  170. surfaces of the plates.  It is recommended that batteries in float
  171. service occasionally (perhaps once a month) be charged to 2.65 v/cell
  172. to freshen and equalize the charges.  In large installations, this is
  173. done by switching parts of the battery banks out of service in rotation.
  174. In smaller systems that can tolerate the voltage excursion, it can be
  175. done by simply boosting the output of the mains supply.
  176.  
  177. Charging inevitably leads to some water loss due to gassing; 100Ah of
  178. a gassing charge (2.4v or more per cell) will yield about 1.2 oz of
  179. water loss.  Hydrocap Corp [975 NW 95th St, Miami Fla, (305)696-2504]
  180. makes a replacement filler cap that contains a catalytic material
  181. that recondenses emitted steam, and recombines the hydrogen and oxygen
  182. gasses into pure water that then dibbles back into the cell, greatly
  183. reducing the required maintenance.  With the available flame arrestor
  184. option, they sound ideal for unattended battery systems, and should
  185. greatly reduce the danger of fire and explosion from liberated
  186. hydrogen.  They're about $5-$10 per cell.
  187.  
  188. To read further:
  189.  
  190. Smith, George. Storage Batteries, including operation, charging,
  191. maintenance, and repair.  ISBN 273 43448 9, TK2941.S57  1968
  192.  
  193. Aguf, I.A. and M.A. Dasoyan.  The Lead Accumulator (translated from the
  194. Russian by S Sathyanarayana).  Calcutta, 1968
  195.  
  196. Longrigg, Paul.  Rapid charging of lead-acid batteries for electric
  197. vehicle propulsion and solar energy storage.  DOE/NTIS 1981.
  198.  
  199. Aren't libraries wonderful?
  200.     - Brian
  201.