Пристрій свинцево-кислотної акумуляторної батареї

1. 2. Стартерні акумулятори
2. 3. Акумулятори глибокого розряду

Опубліковано 22.03.2016 11:11 Abramova Olesya

Винайдена французьким фізиком Гастоном Планте в далекому 1859 році, свинцево-кислотна батарея стала першим комерційно використовуваним акумулятором. Незважаючи на похилий вік, ця електрохімічна система широко використовується і сьогодні. І для цієї популярності є вагомі причини - надійність і вартість поставленого електрики. Інші типи акумуляторів не можуть забезпечити таку дешевизну, так що це робить свинцево-кислотний джерело живлення рентабельним для використання в автомобілях, гольф-карах, автонавантажувачах, водному транспорті і в якості джерела безперебійного живлення.

Решеточная структура свинцево-кислотного акумулятора виконана з свинцевого сплаву. Чистий свинець занадто м'який і не може сам себе підтримувати, тому в нього додають невеликі кількості інших металів для додання механічної міцності і для поліпшення електричних властивостей. Найбільш поширеними добавками є сурма, кальцій, олово і селен. Такі акумулятори іноді називають "свинцево-вмістом сурми", "свинцево-кальцієвими", в залежності від сплаву.

Додавання сурми і олова покращує переносимість глибоких розрядів і додає здатність витримувати більш сильні циклічні навантаження, але разом з цим збільшується споживання води в електроліті, але також з'являється необходіомсть в зрівняльний заряд . Використання кальцію зменшує саморозряд, але має недолік у вигляді окислення позитивної свинцево-кальцієвої пластини при глибокому розряді або перезаряді. В сучасних свинцево-кислотних батареях також застосовуються такі легуючі домішки як селен, кадмій, олово і миш'як.

Свинцево-кислотні акумулятори важче і менш довговічні при систематичних глибоких розрядах, ніж батареї на основі нікелю або літію. Повний розряд викликає деформацію і кожен цикл розряду / заряду позбавляє батарею невеликої кількості ємності. Ця втрата невелика, і батарея залишається в хорошому робочому стані довгий час, але при падінні рівня ємності до половини номінального значення, швидкість деградації збільшується. Варто сказати, що такий знос в тій чи іншій мірі властивий всім типам акумуляторів.

Залежно від глибини розряду, свинцево-кислотні батареї забезпечують від 200 до 300 циклів заряду / розряду. Основними причинами такого відносно невеликої кількості циклів є корозія позитивного електрода, виснаження активної речовини і розширення позитивних пластин. Ці процеси призводять до старіння батареї і прискорюються при підвищених робочих температурах і при високих розрядних токах. (Дивіться також: Як продовжити життя свинцево-кислотного акумулятора ).

Процес зарядки свинцево-кислотного акумулятора досить простий, необхідно лише дотримуватися правильні межі напруг. Знижена напруга більш дбайливо до акумулятора, але вимагає більше часу і може викликати сульфатацію на негативній пластині. Підвищений же підвищує ефективність зарядки, але призводить до корозії решітки негативної пластини. У той час як сульфатация оборотна при правильному обслуговуванні, корозія - це незворотний процес. (Дивіться також: Як правильно заряджати свинцево-кислотний акумулятор ).

Для більшості свинцево-кислотних акумуляторів час зарядки складає близько 14-16 годин. Зберігати акумулятори завжди необхідно тільки в зарядженому стані, так як при низькому рівні заряді можуть відбуватися процеси сульфатации, які негативно впливають на продуктивність акумулятора. Сульфатации можна протистояти додаючи вуглець до складу анода, але це знижує питому енергоємність батареї. (Дивіться також: Нові свинцево-кислотні електрохімічні системи ).

Незважаючи на помірну тривалість життя свинцево-кислотних батарей, вони позбавлені такого властивого батареям на основі нікелю нестачі як "ефект пам'яті", і мають кращі показники зберігання енергії серед усіх акумуляторних батарей. У той час як нікель-кадмієвий акумулятор втрачає близько 40 відсотків збереженої енергії протягом трьох місяців, свинцево-кислотного для такого ж саморазряда потрібно один рік. Свинцево-кислотні батареї добре працюють при низьких температурах і перевершують літій-іонні при мінусових її значеннях.

Перші герметичні, або не обслуговуються, свинцево-кислотні батареї були розроблені в середині 1970-х років. Інженери стверджують, що термін "герметичний" в цьому випадку використовується некоректно, так як свинцево-кислотна батарея технічно не може бути щільною. При зарядці великим напруженням або при підключенні навантаження, яка споживає високі показники сили струму, в свинцево-кислотному акумуляторі відбувається вироблення газів, що призводить до підвищення тиску всередині корпусу батареї. І для вирішення даної проблеми в конструкцію "герметичній" батареї додають клапан, який здатний самостійно нормалізувати тиск. Також існує конструктивне рішення, схоже на що застосовується в батареях на основі нікелю і літію. Воно полягають в заміні рідкого електроліту на вологий сепаратор, просочений цим самим електролітом. Це дозволяє експлуатувати акумулятор в будь-якому положенні без ризику витоку електроліту.

Герметичний акумулятор містить в собі набагато меншу кількість електроліту, ніж затоплений. Можливо, найбільш значною перевагою герметичного свинцево-кислотного акумулятора є здатність до рекомбінації кисню і водню назад в воду, що і дозволяє йому бути не обслуговуються, тобто не залежати від додавання води в електроліт ззовні. Рекомбінація відбувається при помірному тиску в 0,14 бар (2 кПа), а клапан виконує запобіжну функцію при зайвому підвищенні тиску. При цьому слід уникати надмірного видалення повітря з батареї, так як це в кінцевому підсумку призводить до зневоднення електроліту.

Існує кілька видів герметичних свинцево-кислотних батарей, і найбільш поширеними серед них є гелеві, також відомі як свинцево-кислотні батареї з регульованим клапаном (Valve Regulated Lead Acid Battery або скорочено VRLA) і батареї з технологією AGM (Absorbent Glass Mat), яка використовує в якості сепаратора пористий сорбент зі скловолокна, який вбирає рідкий електроліт. Гелеві ж акумулятори називаються так через пастоподібної консистенції використовуваного електроліту. Герметичні акумулятори ємністю менше 30 ампер-годин часто називають SLA (від англійського Sealed Lead Acid). Доступна ціна, надійний сервіс і низькі експлуатаційні витрати дозволяють SLA батареям бути кращим рішенням для невеликих ИБП, забезпечення аварійного освітлення або для використання в медичному обладнанні. Більш великорозмірні VRLA батареї використовуються в якості резервних джерел живлення для вишок мобільного зв'язку, дата-центрів, банків, аеропортів і т. Д.

AGM технологія передбачає використання абсорбованого електроліту в спеціально розробленому сепараторі. Це дає ряд переваг свинцево-кислотного електрохімічної системі, в їх числі - швидша зарядка і миттєве забезпечення великою силою струму потужної навантаження. AGM-технологія найбільш практична для використання в акумуляторах середньої місткості, від 30 до 100 ампер-годин. AGM батареї найчастіше застосовуються в якості акумуляторів для мотоциклів, для функціонування системи "старт-стоп" в гібридних автомобілях, як джерело живлення в трейлерах і т. Д.

Протягом життя ємність AGM акумулятора поступово зменшується, гелевий ж має куполоподібну криву продуктивності - тобто його ємність з плином часу стабільна, але до кінця життя різко падає. AGM акумулятор дорожче звичайного затопленого, але дешевше гелевого (використання гелевого акумулятора для системи "старт-стоп" в автомобілях непрактично через його вартості.)

На відміну від затопленого свинцево-кислотного акумулятора, герметичний розроблений з більш низьким потенціалом перенапруги для запобігання газоутворення при зарядці. Якщо допустити перезарядку, газоутворення все ж відбувається і призводить до зневоднення акумулятора. Отже, гелеві, а почасти й AGM акумулятори, не можуть бути заряджені до повного потенціалу, і їхня межа напруги повинен бути встановлений меншим, ніж у затопленого. Це також відноситься і до режиму підзарядки. З точки зору процесу зарядки, гелеві та AGM акумулятори не є прямою заміною затопленим. Якщо ж доводиться використовувати звичайний зарядний пристрій для AGM акумулятора з більш низькою межею напруги, необхідно від'єднати його після 2-4 годин зарядки. Це запобіжить газоутворення внаслідок більш високого значення напруги підзарядки. (Дивіться: Як правильно заряджати свинцево-кислотний акумулятор ).

Оптимальна робоча температура для VRLA батареї становить 25 ° С; підвищення температури всього на 8 ° С скорочує термін служби акумулятора в два рази. (Дивіться: Вплив температури і навантаження на термін служби акумулятора ). Свинцево-кислотні батареї розраховані на 5-ти годинний (0,2 с) або 20-ти годинний (0,05с) цикл розряду. Саме при повільному розряді показники потужності найефективніші. Проте, вони відмінно справляються і з високими імпульсними струмами на протязі декількох секунд. Саме тому вони використовуються для запуску стартера двигуна внутрішнього згоряння. Але з точки зору утилізації, наявність у складі свинцю та сірчаної кислоти робить ці акумулятори досить неекологічними.

Свинцево-кислотні акумулятори зазвичай поділяють на три підвиди: автомобільні (стартерні або SLI), рушійною енергії (тягові або глибокого розряду) і стаціонарні (ІБП).

2. Стартерні акумулятори

Стартерні акумулятори призначені для запуску двигуна внутрішнього згоряння і здатні витримувати дуже потужне навантаження протягом секунди або близько того. Щодо своїх розмірів, стартерний акумулятор здатний генерувати великі показники сили струму, але слід уважно контролювати ступінь заряду такого акумулятора, так як глибокий розряд для нього вкрай шкідливий. Стартерні акумулятори оцінюються за номінальною або резервної ємності (reserve capacity або RC), для вказівки здатності акумулювати енергію, а також по пусковому току або току холодної прокрутки (cold cranking amps або CCA), яка вказує на максимальне значення сили струму, яке здатний віддавати акумулятор при низьких температурах. Міжнародний стандарт SAE J537 регламентує 30-ти секундну роботу акумулятора при -18 ° С до зниження напруги на клемах до 7,2 вольта. Резервна ємність вказує на час роботи акумулятора при струмі розряду 25 ампер без підзарядки генератором. (Дивіться: Як виміряти пусковий струм ).

У акумуляторів дуже низький внутрішній опір, що досягається шляхом додавання додаткових пластин для забезпечення максимальної площі поверхні (див. Малюнок 1). Ці пластини дуже тонкі і робляться з губчатого свинцю, який має піноподібну структуру, що дозволяє ще більше збільшити площу. Для акумуляторів товщина пластини не так важлива як для акумуляторів глибокого розряду, так як стартерний призначений для роботи в режимі підзарядки і його розряд, як правило, неглибокий; акцент робиться на потужності, а не на ємності.

Малюнок 1: Стартерний акумулятор

Стартерний акумулятор складається з безлічі тонких пластин для досягнення низького внутрішнього опору за допомогою великої площі поверхні. Стартерні акумулятори не призначені для глибокого розряду.

3. Акумулятори глибокого розряду

Акумулятори глибоко розряду розроблені, щоб забезпечувати безперервне харчування інвалідних колясок, гольф-карів, навантажувачів і т. Д. Дані акумулятори оптимізовані під максимальну ємність і досить велика кількість циклів заряду / розряду. Це досягається шляхом збільшення товщини свинцевих пластин (див. Рисунок 2). Хоча ці акумулятори та призначені для циклічного режиму роботи, повний розряд шкідливий для них і число можливих циклів залежить від глибини розряду. Акумулятори глибокого розряду оцінюються по ємності в ампер-годинах або за часом роботи при певній силі струму (зазвичай це 5-й або 20-й годинний показник розряду).

Малюнок 2: Акумулятор глибокого розряду

Акумулятори глибокого розряду обладнані товстими свинцевими пластинами для поліпшення характеристик. Як правило, їх термін служби складає до 300 циклів розряд / заряд.

Стартерний акумулятор не може бути замінений акумулятором глибокого розряду або навпаки. Непогана на перший погляд ідея замінити акумулятор глибокого розряду в інвалідному кріслі на більш дешевий стартерний призведе до псування останнього в наслідок швидкої деградації тонких пластин.

Існують і комбіновані стартерні / глубокоразрядние акумулятори, розроблені для вантажних автомобілів, автобусів, спецтранспорту та військової техніки, але конструктивно вони дуже великі і важкі. Чим важче акумулятор, тим більше свинцю він містить і, відповідно, акумулює більше енергії. У таблиці 3 порівнюється термін служби акумуляторів і акумуляторів глибокого розряду при різних величинах розряду.