W świecie robotyki, robotów i elektroniki akumulatory pełnią kluczową rolę jako niezawodne źródła zasilania. Od prostych konstrukcji mobilnych robotów po zaawansowane systemy autonomiczne – wybór odpowiedniej technologii decyduje o efektywności, żywotności i bezpieczeństwie urządzenia. Dobór właściwej technologii wprost przekłada się na wydajność, trwałość i bezpieczeństwo całego systemu. Niniejszy artykuł przedstawia kompleksowy przegląd rodzajów akumulatorów, ich oznaczeń, parametrów oraz zastosowań, z naciskiem na kontekst robotyki i elektroniki.
Podstawowe technologie akumulatorów kwasowo-ołowiowych
Akumulatory kwasowo-ołowiowe (Pb-acid lub SLA – uszczelnione, hermetyczne) to najstarsze i najbardziej powszechne rozwiązanie, wywodzące się z motoryzacji, ale szeroko stosowane w robotyce ze względu na niską cenę i dostępność. Składają się z ołowianych ogniw galwanicznych (zazwyczaj 6 w standardowym pakiecie 12V) zanurzonych w elektrolicie – 37-procentowym roztworze kwasu siarkowego. Dzielą się na podtypy w zależności od formy elektrolitu:
Akumulatory zalewane kwasem (FLA/SLI – rozruch, oświetlenie, zapłon) – elektrolit w formie płynnej wymaga okresowej obsługi (kontrola poziomu kwasu i dolewanie wody destylowanej). Są ekonomiczne, ale podatne na wycieki, korozję i samorozładowanie. W robotyce nadają się do stacjonarnych platform lub prototypów o niskim budżecie, np. robotów edukacyjnych.
Akumulatory wapniowo-ołowiowe (calcium lead acid) – odmiana FLA z siatką elektrod ze stopu ołowiu i wapnia. Oferują wyższą gęstość energii, dłuższą żywotność (nawet 2–3 razy większą niż standardowe FLA) i odporność na korozję. Dobrze sprawdzają się w robotach mobilnych wymagających stabilnego zasilania rozruchowego.
Te akumulatory oznaczane są często jako 12V 7Ah lub 12V 20Ah, gdzie pierwsza wartość to napięcie, a druga – pojemność w amperogodzinach. W robotyce służą jako bufor energii w systemach z silnikami DC.
Zaawansowane warianty kwasowo-ołowiowe – AGM, GEL, EFB i AFB
Nowoczesne aplikacje robotyczne, takie jak roboty z systemami start-stop (analogicznie do samochodów), drony lądowe czy roboty przemysłowe, wymagają akumulatorów o zwiększonej wytrzymałości na cykle ładowania i wibracje. Chodzi o technologie VRLA – zaworowo regulowane akumulatory kwasowo-ołowiowe, bezobsługowe i szczelne:
- Akumulatory AGM (absorbent glass mat) – elektrolit jest wchłaniany przez matę z włókna szklanego, co eliminuje swobodny przepływ cieczy; zapewniają 3-krotnie więcej cykli ładowania niż FLA (do 500–800 cykli), szybsze ładowanie (nawet 5 razy szybsze), wyższą odporność na wibracje i głębokie rozładowania; oznaczenia: AGM 12V 55Ah CCA 700 (CCA – cold cranking amps); w robotyce stosowane m.in. w pojazdach autonomicznych, robotach strażackich czy AGV;
- Akumulatory żelowe (GEL) – elektrolit w formie żelu (zżelowany kwas siarkowy z krzemionką); odporne na samorozładowanie (utrata <3% miesięcznie), głębokie rozładowania i ekstremalne temperatury; mniej wydajne w rozruchu niż AGM, ale dłużej trzymają napięcie w spoczynku; oznaczenia: GEL 12V 100Ah; popularne w robotach podwodnych lub outdoorowych, np. inspekcyjnych;
- Akumulatory EFB/AFB (enhanced/advanced flooded battery) – ulepszone FLA z dodatkowymi separatorami i polimerami, zwiększającymi wytrzymałość na cykle (do 4 razy więcej niż SLI); EFB dedykowane do prostych systemów start-stop, AFB – do pojazdów o wysokiej dynamice; oznaczenia: EFB 12V 70Ah; w elektronice robotycznej sprawdzają się w hybrydowych układach zasilania z superkondensatorami;
- ECM (enhanced cycling mat) – wariant EFB z matą poprawiającą liczbę cykli; stosowany w aplikacjach cyklicznych, jak roboty magazynowe.
Porównanie tych technologii w formie tabeli ułatwia wybór:
| Technologia | Cykle ładowania | Odporność na wibracje | Koszt | Zastosowanie w robotyce |
|---|---|---|---|---|
| FLA/SLI | 200–300 | Niska | Niski | Prototypy edukacyjne |
| AGM | 500–800 | Wysoka | Średni | Roboty mobilne, AGV |
| GEL | 500–1000 | Średnia | Średni | Roboty outdoorowe |
| EFB/AFB | 400–600 | Średnia-wysoka | Średni | Hybrydowe systemy start-stop |
Nowoczesne technologie litowe i inne
Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) rewolucjonizują robotykę dzięki wysokiej gęstości energii (do 250 Wh/kg w porównaniu z 30–50 Wh/kg w akumulatorach kwasowo-ołowiowych), niskiej masie i kompaktowym kształtom. Katodą jest zazwyczaj tlenek litu, anodą – grafit. Wymagają układów BMS (battery management system) do monitoringu i balansowania ogniw. W systemach mobilnych Li-ion najczęściej zapewniają najlepszy stosunek masy do pojemności.
LiFePO4 (litowo-żelazowo-fosforanowe) – bezpieczniejsze (niskie ryzyko samozapłonu), o trwałości do 2000–5000 cykli i odporności na wstrząsy oraz szeroki zakres temperatur (−20°C do +60°C). Oznaczenia ogniw pryzmatycznych: 3.2V 100Ah. Świetny wybór do robotów humanoidalnych, AGV oraz dronów lądowych.
Li-po (litowo-polimerowe) – elastyczne, cienkie pakiety o gęstości energii często >250 Wh/kg. Typowe oznaczenia: 3.7V 2200mAh 3S1P (3 ogniwa w szeregu, 1 równolegle). Standard w mikrorobotach, quadkopterach i urządzeniach noszonych.
Inne popularne oznaczenia ogniw cylindrycznych: 18650 (18 mm × 65 mm, np. Samsung 35E) oraz 21700 (nowsza, większa wersja). W robotyce łączy się je w pakiety z balanserem i układem BMS dla bezpieczeństwa.
Ogniwa paliwowe wodorowe (fuel cell) nie są klasycznymi akumulatorami, lecz źródłami generującymi prąd z wodoru i tlenu. Dają bardzo długą autonomię (nawet setki godzin), ale są skomplikowane i kosztowne – testowane głównie w dużych robotach przemysłowych.
Oznaczenia akumulatorów – jak czytać etykiety?
Rozumienie oznaczeń jest kluczowe w projektach robotycznych:
- Napięcie i pojemność – np. 12V 20Ah oznacza zdolność dostarczenia 20 A przez 1 h lub 1 A przez 20 h;
- CCA/EN – prąd rozruchowy, np. 600 A przez 30 s przy −18°C;
- RC (reserve capacity) – czas podtrzymania przy określonym obciążeniu po awarii alternatora;
- Typ chemiczny – AGM, GEL, LiFePO4; definiuje profil ładowania (np. Li-ion: max 4.2V/cele);
- Indeksy bezpieczeństwa – UL, CE, UN38.3 dla transportu lotniczego.
W robotyce zawsze sprawdzaj krzywą rozładowania (prawo Peukerta) – akumulatory AGM i Li-ion lepiej znoszą wysokie prądy obciążenia.
Zastosowania w robotyce i elektronice
Poniżej znajdziesz praktyczne dopasowanie technologii do skali projektu:
- mała skala – Li-po w mikrorobotach oraz projektach z Arduino i Raspberry Pi;
- średnia skala – AGM/EFB w robotach mobilnych (ROV, rover), gdzie liczy się odporność i przewidywalność;
- skala przemysłowa – LiFePO4 w AGV i kolaboracyjnych ramionach (cobots), z naciskiem na trwałość cykliczną;
- układy hybrydowe – Pb-acid + superkondensatory dla pokrycia krótkotrwałych pików mocy.
Wybór zależy przede wszystkim od masy (Li-ion wygrywa), liczby cykli (LiFePO4), kosztów (Pb-acid) oraz środowiska pracy (GEL w wilgoci i niskich temperaturach).
Przyszłość technologii akumulatorów
Rozwój baterii – od ogniwa Volty po systemy Li-ion – pokazuje stały trend ku wyższej gęstości energii i bezpieczeństwu. Ogniwa litowe w stanie stałym oraz baterie półprzewodnikowe obiecują nawet ~500 Wh/kg dla robotów nowej generacji. Integracja z algorytmami AI do predykcji stanu zdrowia (SoH) i stanu naładowania (SoC) stanie się standardem w nowoczesnych systemach robotycznych.