Разделы

Поиск

Рассылка

E-Mail

Часть 2. Свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA-sealed lead acid batteries)

 Режимы разряда свинцово-кислотных аккумуляторов 

 

   Различают три режима работы учитывающих особенности зарядно-разрядных процессов аккумулятора:

-          буферный (герметизированные аккумуляторы);

-          циклический (тяговые аккумуляторы);

-          смешанный;

-          стартерный (стартерные аккумуляторы).

   Если периоды разряда непродолжительны, в сравнении с периодами за

ряда, такой режим работы называется буферным. В этом режиме аккумулятор постоянно подзаряжается.

Стартерный режим связан с большими пиковыми мощностными нагрузками (запуск двигателя внутреннего сгорания), с последующей подзарядкой. Данные батареи плохо переносят длительный разряд на величину более 25% от общей емкости батареи.

Циклический режим работы характеризуется длительными периодами заряд-разряд. Полный цикл на практике применяется редко, например, при контрольных зарядно-разрядных циклах. В этом случае аккумулятор полностью заряжается, а затем разряжается до минимально допустимого напряжения и снова заряжается. При этом определяют доступную емкость аккумулятора – максимальное количество электричества в Ампер/часах, которое аккумулятор отдает при разряде до выбранного конечного напряжения, которое оговаривается изготовителем. Не рекомендуется использовать режим более глубокого, а также мягкого разряда.

Доступная емкость аккумулятора после ввода в эксплуатацию увеличивается (связано с активацией пластин), а затем с увеличением циклов, уменьшается. Количество циклов работы зависит от степени разряда аккумуляторов. Чем меньше глубина разряда, тем больше количество циклов он прослужит.

Считается, что аккумулятор отработал срок службы, если доступная емкость падает до 80% указанной первоначальной

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 
 

 

 Отдаваемая емкость СКА существенно зависит от тока разряда, который может достигать нескольких С. От тока разряда зависит также и конечное разрядное напряжение.

Герметизированные СКА работоспособны в диапазоне температур от -30 до +50 С, чаще гарантируется работоспособность при температуре не ниже -15 С, т.к. возможности разряда препятствует замерзание электролита. Работоспособность аккумуляторов при низких температурах может быть обеспечена увеличением концентрации электролита, как это делается в специальных вариантах исполнения.

Доступная емкость аккумуляторов нечувствительна к разрядам со скоростью ниже С/10ю При более интенсивных разрядах емкость уменьшается по мере увеличения скорости разряда.

При разомкнутой батарее отдаваемая мощность равна нулю, поскольку ток равен нулю. Если батарея замкнута накоротко, то отдаваемая мощность снова равна нулю, так как напряжение близко к нулю, хотя ток может быть очень большим. Среднее напряжение зависит от отбираемого тока, но линейной зависимости между этими величинами нет. Для ХИТ зависимость времени разряда от мощности показана на графике. Максимальная отдаваемая мощность имеет место при равенстве сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению батареи.

Предельная емкость аккумуляторных батарей достигается при нормальной температуре (20С), малых скоростях разряда и низких напряжениях отсечки. Большинство батарей на водной основе уменьшают отдаваемую энергию в сравнении с той, которую они могут отдать при нормальной температуре. Если электролит замерзает, то подвижность ионов может опасть до такой степени, что батарея перестанет работать. При разряде батарей в условиях низких температур увеличивается внутреннее сопротивление, что приводит к выделению дополнительного тепла. Оно в некоторой степени компенсирует понижение температуры окружающей среды. В таких условиях работоспособность батареи определяется ее конструкцией и условиями разряда.

 

 

 Деградационные процессы в свинцово-кислотных аккумуляторов 

 

 

   Деградация положительного электрода, связанная с коррозией решеток. Как правило коррозия решеток – наиболее частый дефект батарей, эксплуатируемых в буферном режиме. Скорость коррозии зависит как от состава сплава (коррозия решеток из сплавов без сурьмы или низким ее содержанием существенно ниже коррозии традиционных решеток вентилируемых аккумуляторов) так и от конструкции и условий отливки. В качественно отлитых решетках из сплава Pb-Ca-Sn скорость коррозии низка, но в плохо отлитых – отдельные участки подвергаются коррозии. Что вызывает локальный ее рост и деформацию. Деформация решеток может привести к короткому замыканию разнополярных пластин.

   Деградация отрицательного электрода, связанная с коррозией на токоведущих деталях, которые находятся выше уровня электролита и на борне. Поскольку продукты коррозии имеют больший объем, чем свинец, могут иметь место выдавливания компаунда, герметизирующего вывод, и повреждение борна, крышки и даже бака. В настоящее время большая часть производителей решила эту проблему.

   Деградация положительного электрода, связанная с изменениями в активных массах. При работе в режиме циклирования происходит разрыхление активных масс, которое приводит к потере контакта между частицами PbO2.Емкость при этом снижается. Процесс разрыхления ускоряется при разряде импульсными токами.

   Деградация, связанная с потерей воды. Это происходит при открывании клапана для сброса лишнего давления газа. Происходит осушение сепаратора и увеличение внутреннего сопротивления источника тока. В основном это происходит в буферном режиме. В гелевых аккумуляторах уменьшение количества электролита менее критично, чем в аккумуляторах из стекловолокна.

    Неравномерное старение элементов одной батареи. Со временем внутри батареи образуются воздушные мешки, в некоторых происходит выделение водорода, другие испытывают недостаток кислорода. Хотя элементы батареи соединены последовательно, контролировать в процессе заряда состояние каждого из них невозможно. При наличии в батарее элемента с пониженной емкостью, падение напряжения на нем наибольшее, поскольку он обладает наибольшим внутренним сопротивлением. Если в батарее имеется неисправный элемент с внутренним замыканием пластин, то напряжение на нем близко к нулю. В результате этого напряжение заряда между элементами батареи распределяется неравномерно (оно становится для одних элементов больше, для других меньше требуемого). В результате выходят из строя исправные элементы. Батарея начинает разрушаться.

    На электрические и эксплуатационные характеристики герметизированных СКА большой емкости существенно сказывается различия в конструкции электродов (поверхностного типа, панцерных или стержневых), а также в сплавах, используемых для изготовления токоведущих основ.

    При выборе СКА большой емкости следует внимательно отнестись к реализованному в ней способу реализации иммобилизации электролита, поскольку известно, что в высоких аккумуляторах со стекловолокнистым сепаратором (AGM) со временем наблюдается расслоение электролита. Такие аккумуляторы должны быть высотой порядка 35 см.

   СКА не любят глубоких циклов заряда/разряда. Полный разряд может стать причиной деформации пластин, и каждый цикл впоследствии ведет к снижению емкости. Такие потери относительно невелики, пока батарея работает в нормальных условиях, но даже единственный случай ее перегрузки и, как результат, глубокого разряда приведет к потере ее емкости примерно до 80%.

   Оптимальная рабочая температура СКА составляет 25°С. С ростом температуры увеличивается скорость коррозионных процессов и вдвое сокращает срок службы..

    Сурьмяное отравление аккумулятора, происходит при циклической работе аккумуляторов с большим содержанием сурьмы в материале решетки сурьма переходит в раствор в результате коррозии положительного электрода. Осаждаясь на активной массе отрицательного электрода сурьма способствует выделению водорода и увеличивает скорость коррозии свинца.

    При использовании кальциевых решеток осыпание активной массы и внутреннее сопротивление аккумулятора несколько больше, чем в случае свинцово – сурьмяных. Разрушение пластин происходит при заряде аккумулятора и является одним из важнейших факторов ограничивающих ресурс аккумулятора. Для уменьшения осыпания вводят волокнистые материалы.

    Сульфатация пластин – результат хранения аккумулятора в недозаряженном состоянии. Образующийся при этом плохо растворимый в воде сульфат свинца ограничивает емкость аккумулятора и способствует выделению водорода при заряде, а в перспективе к тому, что батарею впоследствии зарядить не удастся вообще.

    Профилактические мероприятия. Устранить процесс деградации, как и любого старения, нельзя, но следует избегать больших разрядных импульсов и глубоких разрядов аккумуляторов. При эксплуатации свинцовых батарей следует помнить, что в атмосфере помещения, в котором они эксплуатируются, может повысится концентрация водорода. В целях безопасности помещение следует проветривать, так как содержание водорода не должно превышать 4 %.

 

 Методы зарядов свинцово-кислотных аккумуляторов

 

 

Время заряда СКА составляет 12…16 часов. Если увеличить ток и применить методы многоступенчатого заряда, его можно сократить до 10 часов и менее.

По назначению СКА делятся на две группы:  циклический и буферный режим. Исходя из этого, выбирают метод заряда.

 

       Метод заряда при постоянном напряжении.

  При таком методе к выводам батареи прикладываются постоянное напряжение из расчета 2,45 В на элемент при температуре воздуха 20…25°С. В случаях, если температура отличается от нормальной производитель дает коэффициент поправки в сопроводительной документации. Заряд считается завершенным, если ток заряда остается неизменным в течение 3 часов. Если не осуществлять контроль над постоянством напряжения, может наступить перезаряд. Такое ЗУ должно иметь таймер для отключения батареи по окончании заряда или другое устройство, обеспечивающее контроль времени или степень заряда батареи и выдающее сигнал отключения управляющему устройству. Прерывание заряда сокращает срок службы батареи. Нельзя заряжать полностью заряженную батарею. Время заряда не должно превышать 24 часа. Используется в циклическом режиме.

 

 

 

 

 

 

Метод заряда при постоянных значениях напряжения и тока заряда.

 Используя этот метод, сначала выставляют ток заряда, равный 0,4С,а затем контролируют величину напряжения, которое к концу заряда при комнатной температуре должно составлять 2,45 В на элемент. Время заряда составляет 6…12 часов, в зависимости от степени разряда батареи. Используется в циклическом режиме.

 

 

 

 

  

Метод двухступенчатого заряда при постоянном напряжении заряда.

 Этот заряд происходит в два этапа : с  начала заряд при более высоком напряжении заряда, при этом ток начала заряда выбирают как правило, равным 0,15С (не должен превышать 0,4С), а время первого этапа – 10 часов. По мере заряда ток уменьшается и, когда его значение достигает определенной величины, ЗУ переходит в режим струйной подзарядки малым током около 0,05С (не должен превышать 0,15С). Используется в буферном режиме. Преимущество этого метода является сокращенное время заряда при переходе из рабочего режима в дежурный , до состояния струйной подзарядки. Этот метод нельзя применять, если батарея работает в буфере с нагрузкой (нагрузка соединена с батареей параллельно).

 

 

 

Метод плавающего заряда. Используется в буферном режиме с нагрузкой, при этом аккумуляторная батарея подключена параллельно нагрузке и заряд происходит постоянно. В этом случае особые требования предъявляются к выпрямителю источника питания. Его выходной ток складывается из тока заряда батареи и нагрузки Нагрузочная способность источника питания должна быть настолько высокой, что бы его выходное напряжение при максимальном токе нагрузки оставалось практически неизменным. Напряжение плавающего заряда выбирают из расчета 2,23…2,3 на элемент при комнатной температуре. Источник питания должен быть стабилизированным, и колебания напряжения не должны превышать 30 мВ на элемент.

 

 

Метод многоступенчатого заряда. Производится в три этапа: заряд постоянным током, основной заряд и компенсирующий. Заряд постоянным током протекает примерно в течение 5 часов и обеспечивает заряд батареи до 70% ее емкости, оставшиеся 30% она «добирает» в течение медленного основного заряда при постоянном напряжении именно он обеспечивает «здоровье» батареи. Третья ступень – струйная подзарядка, которая компенсирует саморазряд полностью заряженной батареи.

 

 

 

Метод восстановительного заряда.

 Хранение сильно разряженных батарей приводит к сульфатации ее пластин, поэтому такой метод заряда необходимо произвести как можно быстрее при глубоком разряде. Его производят при постоянном напряжении заряда и начальном токе заряда 0,1…0,25С в течение 24 часов.

 

 

 

   Метод асинхронного заряда. Применяется при незначительной сульфатации пластин. Принцип заключается в следующем: параллельно аккумуляторной батарее подключают нагрузку, и заряд происходит импульсами тока.

    Рекомендации по заряду СКА

1. Важную роль играет правильный выбор максимального напряжения на элементе батареи

Следует помнить, что при заряде температура СКА может быть существенно выше температуры окружающей среды, это связано с рекомбинацией кислорода, а также с плохим отводом тепла от плотноупакованной батареи. Разница температур особенно заметна при ускоренном режиме заряда. Поэтому если нельзя избежать нагрева АКБ при заряде следует вводить корректировки напряжения источника питания. СКА очень чувствительны к перезаряду

 

 

 

 

 

   При эксплуатации герметизированных батарей в буферном режиме следует также точно соблюдать рекомендации производителя относительно постоянного напряжения источника питания, при котором они должны работать и подзаряжаться. При превышении этого параметра в батарее чаще срабатывает аварийный клапан и со временем происходит высыхание сепаратора, отчего внутреннее сопротивление увеличивается и емкость снижается. Всплески напряжения, которое прикладывается к батареи во время заряда, создают проблемы для батарей с жидким электролитом, оснащенным вентиляционным клапаном (VRLA). Пики этого напряжения способствуют перезаряду и выделению водорода, а спады – глубокому разряду и кислородному голоданию.

   Следует отметить, что все небольшие отклонения от рекомендованного производителем режима заряда сказываются не столько на эффективность единичного заряда, сколько на ресурс источника тока. Производители зарядного оборудования интересуются главным образом возможностью зарядить батарею до необходимого уровня без ее повреждения и редко принимают во внимание влияние реализованного режима на скорость деградации батарей в процессе длительной эксплуатации. Поэтому покупатель зарядного оборудования должен сам внимательно отнестись к предоставленной информации.

   Хранение герметизированных свинцово-кислотных батарей во избежание сульфатации пластин производится в заряженном состоянии. Если батареи не использовались длительное время ,рекомендуется их периодический (1 раз в 8 месяцев) подзаряд в течение 6-12 часов при постоянном напряжении 2,4 В на элемент. Превышение времени заряда будет усиливать побочные эффекты (выделению газа, внутренней циркуляции кислорода, потере воды) и как следствие будет не эффективным.

   Если они хранились при температуре ниже -20°С, то подзаряд должен производиться 1 раз в год в течение 48 часов при постоянном напряжении 2,275 на элемент. Хранение при температуре выше 30°С не рекомендуется. В данном случае напряжение на элемент оптимальное.

 

 Расположение клемм  

          Тип A                        Тип B                      Тип  C                      Тип D                       Тип E 

 

 

Зарядные устройства для свинцово-кислотных аккумуляторов

 

На сегодняшний день существует множество производителей зарядных устройств от кустарных отечественных до известных импортных брендов. Это связано с тем, что сами свинцово-кислотные аккумуляторы являются пионерами химических источников тока, хорошо изучены химические процессы в этих аккумуляторах, а также деградационные процессы, происходящие при заряде, разряде и хранении.

 

В принципе зарядные устройства грубо можно разделить на две группы:

- для кислотных аккумуляторов с жидким электролитом (стартерных);

Наименование

Фото

Принцип заряда

Аида-5

 

 

Короткими импульсами тока силой до 5,5А

Аида-8S

 

 

Короткими импульсами тока силой 4 или 8А 

Аида-20

 

 

Короткими импульсами тока силой 5, 10 или 20А 

Аида-20S

 

 

Короткими импульсами тока силой 5, 10 или 20А

ТОП-200

 

ТОП-400

 

 

- для кислотных аккумуляторов с гелеевым электролитом.

Наименование

Фото

Принцип заряда

Ataba AT-660

 

Ataba AT-618

 

Ataba AT-6050

 

Ataba AT 0212F-3L

 

Ataba AT 0224F-3L

 

Ataba AT 0624F-3L

 

Ataba AT 0812F-3L

 

Ataba AT 1012F-3L

 

Ataba AT 2024F-3L

 

Ataba AT 2512F-3L

 

Ataba AT 10012F-3L

 

 

Дата: 12.05.2010