Свинцово-кислотные аккумуляторы

Какой тип аккумулятора выбрать — AGM, гелевый или с жидким электролитом?

Применение автомобильных стартерных батарей в системах электроснабжения может быть оправдано только в низко-бюджетных системах, которые будут под пристальным контролем обслуживающего персонала (необходимо следить за уровнем и плотностью электролита, регулярно проводить выравнивающий заряд АБ, и т.п.). Необходимо также помнить, что для эксплуатации такого типа батарей необходимо отдельное, хорошо вентилируемое помещение.

В связи с этим, в системах на базе возобновляемых источников энергии, а также в системах бесперебойного питания, целесообразно использовать, хотя и более дорогие, герметичные, необслуживаемые АБ. Солнечная батарея, термоэлектрический генератор и небольшой мощности ветроэлектрическая установка вырабатывают сравнительно небольшой ток, поэтому заряд АБ длится много часов и в этом случае подходят даже самые дешевые из необслуживаемых АБ.

Такие АБ имеют большую, по сравнению со стартерными батареями, толщину пластин электродов, поэтому срок их службы в режиме длительного разряда намного превышает срок работы стартерных батарей.

Сравнение AGM, OPzV и OPzS аккумуляторов*

N Параметр AGM Гелевые трубчатые OPzV Трубчатые с жидким электролитом OPzS
1 Газовыделение Нет газовыделения, может быть установлена в любом месте Нет газовыделения, может быть установлена в любом месте Высокое газовыделение, нужно отдельное помещение с вытяжной вентилляцией для размещения батарей
2 Обслуживание электролита Нет Нет Требуется часто
3 Уровень зарядного тока высокий средний низкий
4 Требования к размещению малый размер элемента, малые занимаемые площади малый размер элемента, малые занимаемые площади большой размер элемента, большие занимаемые площади
5 Установка обычно горизонтально или вертикально горизонтально или вертикально только вертикально. Установка друг над другом обычно невозможна для больших батарей
6 Транспортировка Может транспортироваться в заряженном состоянии Может транспортироваться в заряженном состоянии Транспортировка только разряженными и без электролита
7 Саморазряд и восстановление 50% саморазряд за 6 месяцев. Легкое восстановление 50% саморазряд за 6 месяцев. Легкое восстановление Очень высокий саморазряд. Восстановить трудно
8 Срок службы (при 80% глубине разряда), циклов 500 более 1200 теоретически до 1500
9 Срок хранения при подзаряде средний большой большой
10 Работа при высокой температуре удовлетворительно, рекомендуется 20±5°С. Более высокие температуры резко снижают срок службы Хорошо, особенно в полевых условиях Хорошо, но требуется обслуживание
11 Работа при низкой температуре удовлетворительно, обычно температура не должна быть ниже -15°С хорошо, до -25°С плохо, обычно до -5°С
12 Стратификация (разделение плотности электролита по высоте) пренебрежимо мала, не требуется выравнивающий заряд пренебрежимо мала, не требуется выравнивающий заряд заметная, требуется частый выравнивающий заряд для ее предотвращения
13 Емкость при очень малых токах разряда хорошо очень хорошо удовлетворительно
14 Восстановление после глубокого разряда удовлетворительно хорошо плохо, сильная сульфатация препятствует восстановлению
15 Скорость заряда Отлично, 6-8 часов для 90% восстановления Удовлетворительно, 8-10 часов для 90% восстановления Плохо, 12-15 часов для 90% восстановления
16 Работа при недоразряде удовлетворительно хорошо плохо
17 Влияние перезаряда плохо, выводит из строя батарею (тепловой пробой) хорошо хорошо
18 Работа при недозаряде удовлетворительно, приводит к сокращению срока службы хорошо плохо
19 Тепловой пробой возможен, хотя и редко невозможен не наблюдался
20 Цена средняя высокая низкая

Свинцово-кислотные АКБ с жидким электролитом

Этот тип аккумуляторных батарей имеет самое широкое распространение. Их устройство практически не изменилось с момента изобретения в 1859 году.

Устройство и принцип работы

В корпусе батареи расположены шесть изолированных друг от друга отсеков или банок. В каждом из отсеков находятся свинцовые пластины и жидкий электролит. Пластины с положительным и отрицательным зарядом (катод и анод). В свинцовых пластинах могут содержаться примеси сурьмы или кремния. Электролит представляет собой смесь серной кислоты (35%) и дистиллированной воды (65%). Между свинцовыми пластинами находятся пористые пластины-разделители, которые называются сепараторами. Они необходимы для предотвращения короткого замыкания. Каждая банка вырабатывает около 2В, а в сумме получается 12В (последовательное соединение).


Устройство свинцово-кислотной АКБ

Ток в свинцово-кислотных АКБ вырабатывается в результате электрохимической реакции между двуокисью свинца и серной кислоты. При этом расходуется серная кислота, которая распадается. Плотность электролита снижается. При зарядке от ЗУ или от генератора  автомобиля происходит обратный процесс (зарядка).

Преимущества и недостатки

Широкому распространению свинцово-кислотных АКБ способствует их простое и надежное устройство. Они выдают довольно высокие стартерные токи для запуска двигателя (до 500А), стабильно работают до 3-5 лет при правильной эксплуатации. Зарядку АКБ можно проводить повышенными токами. Это не нанесет вред ёмкости батареи. Главным плюсом является доступная цена.

Основные недостатки этого типа АКБ связаны с обслуживанием и эксплуатацией. Электролит находится в жидком состоянии. Поэтому есть опасность его протекания. Серная кислота – очень агрессивная жидкость. Также в процессе эксплуатации выделяются едкие газы. Это значит, что АКБ нельзя устанавливать в салоне автомобиля, только под капотом.

Водителю нужно периодически следить за уровнем заряда батареи и плотностью электролита. Если батарею перезарядить, то она закипает. Вода испаряется и ее нужно периодически доливать в отсеки. Используется только дистиллированная вода.

Нельзя допускать падения уровня заряда ниже 50%. Полный разряд гарантированно погубит устройство, так как происходит глубокая сульфатация пластин (образования сульфата свинца).

Хранить и эксплуатировать АКБ нужно в строгом вертикальном положении, чтобы электролит не вытекал, и пластины не замкнули между собой. Замыкание также может произойти и в результате осыпания пластин.

В холодное время года аккумулятор обычно снимают с машины, чтобы он не замерз. Это может случиться с жидким электролитом. Холодная АКБ также хуже работает.

Восстановление кислотных аккумуляторов циклическим током

Застарелое сульфатирование, не оставляющее свободного места на пластинах убрать особенно сложно. Применение для восстановления забитых осадком кислотных аккумуляторов переменного тока – эффективный способ очистки. Синусоидная осцилограмма имеет положительные и отрицательные периоды. Положительная кривая энергии направляется на пробивание ходов к контактной пластине. Скопившиеся на поверхности частицы нейтрализуются периодически направляемыми отрицательными импульсами. Эффективность импульсного воздействия превосходит другие применяемые методы. Электролит нагревается незначительно, соотношение периодов подачи отрицательных импульсов регулируется, в зависимости от состояния корочки сульфата свинца.

Характеристика устройства Напряжение электросети, В 220
Напряжение аккумуляторов, В 12
Емкость аккумуляторов, А*ч 2…90
Вторичное напряжение, В 2*18
Мощность трансформатора, Вт 120
Зарядный ток, А 0…5
Импульс тока, А до 50
Мощность импульса, Вт до 1000
Разрядный ток, А 0,25
Время заряда при восстановлении, мс 1…5
Время разряда, мс 10
Время восстановления, ч 5…7

Для создания десульфатора, необходимо доработать имеющееся зарядное устройство, использовав электрическую схему.

Импульсный десульфатор для восстановления кислотных аккумуляторов циклическим током обеспечивает автоматический процесс десульфатации, используя электронную схему управления, расположенную на печатной плате.

На панель управления выносится только выключатель, амперметр, регулятор тока заряда и предохранитель.

Устройство разработано в 1999 году, и выпущено небольшой партией. Но доработать обычное зарядное устройство, пользуясь схемой, доступно мастеру.

Преимущества и недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов

К безоговорочным плюсам свинцово-кислотных АКБ относят относительно низкую стоимость вследствие простоты и дешевизны производства, а также низкий показатель саморазряда, что свидетельствует о долговечности батарей. Кроме этого, кислотные источники тока просты в эксплуатации и обслуживании, не имеют эффекта памяти и могут производить пусковой ток высоких значений, не просаживая напряжение питания. Ввиду использования проверенной временем технологии аккумуляторы универсальны и могут применяться для выполнения широкого спектра задач.

Минусы свинцовых батарей в сумме составляют большой перечень, однако не перекрывают их преимущества. Одним из первых недостатков пользователи называют внушительные габаритные размеры и массу, что зачастую неприемлемо при эксплуатации. При этом если рассматривать весо-энергетическую плотность, то значение энергоёмкости снижается. Количество циклов разряда у АКБ ограничено, а её производство экологически небезопасно из-за свинца. Более того аккумулятор должен храниться в хорошо вентилируемом помещении и не испытывать резких изменений температур, особенно минусовых.

Очевидно, что чем ниже температура окружающей среды, тем быстрее может разрядиться аккумулятор. Однако в кислотных устройствах рабочие параметры снижаются с меньшей скоростью, что отличает его от других типов аккумуляторов. По статистике, начиная понижать температуру с 20°С на один градус, можно заметить потерю показателя ёмкости на 1%. Таким образом, значение ёмкости при нуле не превысит 80%, а при -20°С – 60%.

Свинцовые АКБ отличаются от других типов химических источников тока своими преимуществами и недостатками, но так как сами кислотные батареи подразделяются на несколько видов, следует рассмотреть особенности каждого из них и выявить характерные отличия.

Классификация по агрегатному состоянию электролита
Особенности
Жидкостные
· потребность в регулярном обслуживании;
· расположение только вертикально;
· ресурс не превышает 500 циклов полного заряда и разряда;
· необходимо поддерживать уровень заряда на отметке не менее 50%

EFB
· потребность в регулярном обслуживании;
· расположение только вертикально;
· ресурс не превышает 1000 циклов полного заряда и разряда;
· необходимо поддерживать уровень заряда на отметке не менее 60%

Гелевые
· нет потребности в обслуживании;
· увеличенный ресурс работы и повышена устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам по сравнению с жидкостными

AGM (абсорбированные)
· нет потребности в обслуживании;
· заряжать можно в 5 раз быстрее, чем другие типы, но важно соблюдать правила зарядки;
· ресурс не превышает 600 циклов полного заряда и разряда

AGM+
· ресурс не превышает 1200 циклов полного заряда и разряда;
· уменьшенное внутреннее сопротивление

Базовые понятия о работе аккумуляторов

2.1 Базовые понятия для свинцово-кислотных аккумуляторов


Рис 3: Состояния свинцово-кислотного аккумулятора

Полностью заряженный элемент имеет разность потенциалов между анодом и катодом около 2 В. Во время разряда электроны проходят через внешнюю электрическую цепь, одновременно химические реакции внутри аккумулятора обеспечивают баланс зарядов . На рис. 3 показаны химические состояния полностью заряженного и полностью разряженного свинцово-кислотного аккумулятора.

Свинцово-кислотные аккумуляторы могут быть разделен на 2 категории: с жидким электролитом и герметизированные (SLA или VRLA). По своей химии эти категории идентичны (см. рис.3).  Различия — в технологии исполнения, которая влияет и на эксплуатационные характеристики. Аккумуляторы с жидким электролитом требуют следующих 3 условий, которые не требуются герметизированным аккумуляторам:

  1. Определенное положение для предотвращения вытекания электролита
  2. Вентилируемое помещение для удаления газов, образующихся во время заряда и разряда
  3. Регулярное обслуживание электролита.

Ввиду этих различий, необходимо учитывать сложность и стоимость технического обслуживания АКБ с жидким электролитом, которая может нивелировать их более низкую стоимость. Герметизированные аккумуляторы делятся на 2 группы: гелевые и AGM (Absorbed Glass Mat). Они различны по состоянию электролита. В гелевых аккумуляторах в электролит добавлено загущающее вещество, которое превращает электролит в гель. В AGM аккумуляторе используется стеклянная «губка» для связывания жидкого электролита.

Внутри каждой категории свинцово-кислотных аккумуляторов различаются аккумуляторы “глубокого циклирования” и аккумуляторы для “буферного режима” с небольшой глубиной разряда. «Буферные» герметизированные аккумуляторы обычно используются в автомобилях в качестве стартерных — они должны выдавать мощные импульсы энергии в течение короткого времени. В стационарных системах электроснабжения применяются аккумуляторы «глубокого разряда», которые обычно разряжаются относительно небольшими токами, но в течение длительного времени. 

2.2 Литиевые аккумуляторы

Концепция литий-ионных аккумуляторов была разработана в 1970-х годах. Широкое распространение они получили в 1990-х годах. Принцип работы заключается в том, что ионы лития курсируют туда-сюда между анодом и катодом во время заряда и разряда. На рис.4 показано устройство разновидности литий-ионного оаккумулятора  LiCoO2.

Рис 4: Реакции в литий-ионном аккумуляторе

Особенности химических процессов на аноде, катоде и в электролите влияют на эффективность работы аккумулятора. Также влияет конструкция элемента литий-ионного аккумулятора. Наиболее часто производитель меняет форму и состав катода:  они могут быть LFP, NCM, NCA, Cobalt, или Manganese.  Более 90% литиевых анодов состоят из графита; кремний и титан используются гораздо реже.

Электролит обычно находится в жидкой форме, но в «литий-полимерных» аккумуляторах электролит находится в абсорбированном виде в полимерной мембране. Это позволяет для ограничения объема аккумулятора использовать «мешочек»  вместо металлического корпуса, который обычно используется с жидким электролитом в цилиндрических и призматических элементах.

Несмотря на различия в химических процессах, литий-ионные аккумуляторы могут быть разделены на 2 групы: литий-железо-фосфатные (LFP, LiFePO4) и металл-оксидные (NCM, NCA, Cobalt, Manganese — Оксид марганца лития (LiMn2O4) и оксид лития никеля и марганца кобальта (LiNiMnCoO2)). БатареиLiMn2O4и LiNiMnCoO2 относятся к литиевым батареям среднего размера по размеру, весу, безопасности, сроку службы и стоимости.

В таблице 1 показаны различия между этими 2 химическими процессами. Значения отражают среднюю величину, возможны флуктуации в ту или другую сторону.

Таблица 1: Сравнение литий-ионных технологий аккумуляторов

RC литий-полимерные батареи (RC LiPo). LiPo — это самые маленькие, самые дешевые, легкие и мощные литиевые батареи. К их недостаткам относятся короткая продолжительность жизни и склонность к возгорания в гигантские огненные шары, поэтому мы в данной статье их не рассматриваем.

Все литий-ионные аккумуляторы выдерживают глубокий разряд. Срок службы аккумулятора существенно возрастает, если глубина разряда не более 80% от номинальной емкости.

За АКБ — с безменом

Материалы по теме

Лучший способ обрести спокойствие за рулем — подписаться на любимый журнал

Решились на покупку новой АКБ? Самое простое правило — игнорировать неизвестные бренды с названиями типа «Синяя лошадь» и т. п. Статистика «За рулем», накопленная с прошлого века, отделяет «бабочек-однодневок» от профи, выдающих год за годом достойные параметры. Испытания зарулевского уровня на серьезной технической базе давным-давно не проводит никто. Поэтому из всего многообразия имен остается довольно ограниченный выбор проверенных марок: это батареи Тюменского завода, изделия корейской фирмы Delkor, турецкие Mutlu, а также европейские Topla, Tab и еще несколько имен.

Выбирая АКБ, старайтесь брать самую большую из подходящих под штатное место в вашей машине. Не слушайте байки про то, что батарея повышенной емкости будет недозаряжаться — это чепуха. Не ошибитесь с полярностью: большинство автомобилей не позволяет разместить АКБ с неродным расположением клемм, потому что длины штатных проводов может не хватить. Не забывайте, что клеммы на «европейках» и «азиатках» различаются как по форме, так и по расположению.

И помните, что хорошая батарея при прочих равных должна быть тяжелой! А если и впрямь есть безмен — не стесняйтесь, взвешивайте!

Комментарий эксперта

Сергей Орлов, директор Национальной ассоциации производителей источников тока «РУСБАТ», председатель технического комитета Росстандарта ТК044 «Аккумуляторы и батареи», член Комитета ТПП РФ по природопользованию и экологии:

Фальсификация тех. характеристик наносит серьезный ущерб как потребителям, так и производителям стартерных аккумуляторных батарей. Ведущие российские заводы производят современные свинцовые батареи, не уступающие по уровню технологий, качеству и характеристикам импортным аналогам. Но так называемые «незаводские» или частные торговые марки заказывают на производстве и выпускают на рынок облегченные батареи класса «эконом».

На АКБ должны быть указаны фактические характеристики и ГОСТ Р 53165–2008, которому должны соответствовать технические параметры.

Мы рекомендуем доверять только известным заводским брендам. В этом случае вы приобретаете батарею, за которую завод несет ответственность, а ее свойства подтверждены периодическими испытаниями. Перед покупкой АКБ изучите линейку завода-изготовителя на его официальном сайте. В случае выбора «незаводской» торговой марки вы рискуете собственной безопасностью, которая дороже любой экономии.

Производителям и продавцам аккумуляторов эконом-серий мы советуем проявить смелость и указывать на батареях фактическую емкость и ток холодной прокрутки. Обманывая покупателя сегодня, вы теряете его навсегда.

Столкнулись с проблемой обледенением стекла и щеток? Воспользуйтесь щетками с обогревом BURNER! Хотите, чтобы боковые стекла оставались чистыми, приобретите водосток лобового стекла!

Емкость свинцового АКБ

Это один из основных параметров АКБ. Определяет электроэнергию, которою возможно получить от максимально заряженной батареи, разряжая ее до напряжения, определенного изготовителем.

Показатели емкости выражаются произведением количества тока (в амперах) на временной интервал в часах. Номинально, автомобильная АКБ емкостью 60 Ah должна в течение часа разряжаться током в 60A при напряжении 12v.

Можно предположить, что при изменении силы тока длительность функционирования изменится пропорционально. То есть при токе в 120A время работы составит порядка 30 мин. Что не соответствует действительности, так как сила тока при разряде напрямую влияет на емкость свинцово кислотных аккумуляторов. Например, при стартерных нагрузках в 255A емкость уменьшается более чем в два раза и для батареи в 60 Ah составит всего 25Ah. Что касается малых токов (2,75A), здесь будет наблюдаться незначительный прирост (примерно +5 Ah).

Помимо силы разрядного тока, емкость свинцово кислотных АКБ зависит от следующих факторов:

  • Плотность электролита (процентное содержание серной кислоты). Более плотный электролит увеличивает емкость положительных электродов, но несколько снижает у отрицательных (особенно при низких температурах). К тому же ресурс положительных пластин сокращается из-за более интенсивных коррозионных процессов на их поверхности. Плотность электролита должна соответствовать совокупности требований, для которых создавалась конкретная батарея. Например, для автомобильных АКБ, работающих в условиях умеренного климата, оптимальной считается плотность 1,26–1,28 г/см3.
  • Пористость рабочей поверхности пластин. Повышенная пористость позволяет увеличить фактическую площадь электрода, участвующую в электрохимической реакции и, как следствие – повысить емкость. Однако у этого показателя тоже есть свои ограничения (46% — 60%), так как чрезмерная пористость ускоряет деструкцию покрытия, что приводит к преждевременному выходу батареи из строя.
  • Толщина пластин электрода. Более толстые электроды положительно влияют на емкость только при низких разрядных токах. При стартерных нагрузках внутренние элементы активной массы пластин не успевают среагировать с электролитом. Это в значительной степени уменьшает разницу между батареями с различной толщиной электрода и одинаковой активной площадью.

Золотые правила

При эксплуатации батарей нужно соблюдать следующие основные правила:

• Ни в коем случае не оставлять батарею в разряженном состоянии. После каждого разряда необходимо сразу ставить батарею на подзарядку, иначе начнется необратимый процесс сульфатации пластин. Это приводит к снижению емкости и срока службы батарей.

• Разряжать батарею не более чем на 80% (для гелевых АКБ – 60%). Как правило, за это отвечает датчик разряда, установленный на машине, однако его поломка, отсутствие или неправильная настройка может также привести к сульфатации пластин, перегреву батарей при заряде и в конечном итоге сокращению срока их службы.

• В АКБ можно доливать только дистиллированную воду. В обычной воде содержится множество примесей, оказывающих негативное влияние на аккумуляторную батарею. Долив электролита в АКБ для увеличения плотности запрещен: во-первых, это не даст прироста емкости, а во-вторых, вызовет необратимую коррозию пластин.

Чистка АКБ

Чистота абсолютно необходима не только для хорошего внешнего вида батареи, но в значительно большей степени – для предотвращения несчастных случаев и ущерба, уменьшения срока службы, а также для того, чтобы АКБ находилась в состоянии, пригодном к эксплуатации. Аккумуляторные корпуса, ящики, изоляторы необходимо чистить для обеспечения требуемой изоляции элементов по отношению один к другому, по отношению к земле («массе») или внешним проводящим частям. Кроме того, очистка позволяет избежать коррозионных повреждений и возникновения блуждающих токов. Вне зависимости от времени работы и места на АКБ неизбежно оседает пыль.

Небольшое количество электролита, выступающего из батареи во время заряда после достижения напряжения газообразования, образует более-менее токопроводящий слой на крышках элементов или блоков, по которому протекают блуждающие токи. Результатом является повышенный и неоднородный саморазряд элементов или блоков. Это одна из причин того, почему операторы электрических машин жалуются на упавшую емкость батареи после того, как техника не эксплуатировалась в течение выходных дней.

Аккумуляторный журнал и организация работы

При использовании парка электропогрузчиков целесообразно закреплять за каждым погрузчиком свои АКБ. Для этого их нумеруют: 1а, 1б, 2а, 2б и т. д. (батареи с одинаковым номером используются на одном и том же погрузчике). После этого заводят журнал, в котором о каждой АКБ ежедневно отражается информация, проиллюстрированная на примере.

Пример 1
Номер батареи Установлена на погрузчик Поставлена на заряд
Дата Время Плотность (средняя по трем элементам выборочно) Показания счетчика, машино-ч Дата Время Плотность (средняя по трем элементам выборочно) Показания счетчика, машино-ч
и т.д.

Таким образом, с помощью данного мероприятия можно избежать использования недозаряженных батарей, а также спрогнозировать и спланировать замену АКБ до полного выхода ее из строя. Помимо этого по каждой батарее целесообразно вести еще один журнал, в котором раз в месяц отражается информация о батарее, перечисленная в примере 2. Эти данные являются основным источником информации для сервисной службы, поэтому зачастую ведение такого журнала является обязательным условием гарантийного обслуживания. За все аккумуляторное хозяйство должен быть ответственен один или два (в случае двухсменной работы) человека. В их обязанности по данной зоне ответственности должны входить прием и выдача АКБ, их обслуживание и заряд, ведение аккумуляторных журналов, прогнозирование выхода АКБ из строя.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий