Типы пробок элементов свинцово кислотных аккумуляторов. cвинцово-кислотный аккумулятор: особенности использования

Содержание

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
1а
1б
2а
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.

Как заряжать аккумулятор автомобиля?

Способов зарядки существует великое множество.

Зарядка аккумуляторных батарей производится постоянно при работающем двигателе или специальным зарядным устройством.

Для заряда аккумулятора заводской готовности его нужно залить электролитом и выдержать требуемое для пропитки время, после чего подключить к зарядному устройству. Положительный полюс батареи необходимо соединить с положительным полюсом ЗУ, а отрицательный — с отрицательным. Начать заряд можно при условии, что температура электролита в банках не выше 30°С в холодной и не выше 35°С в жаркой и теплой влажной зонах, в противном случае ему надо дать остыть.

Сам процесс заряда подробно расписан в инструкциях к зарядным устройствам. О зарядке кальциевых батарей Вы можете почитать тут.

В заключение можно отметить, что практически все виды свинцово-кислотных автомобильных АКБ не ремонтопригодны.

В настоящее время вышедшие из строя АКБ, в лучшем случае, умельцы выжигают на кострах с целью получения свинца. А в основном отработавшие батареи сдают в пункты приема цветных металлов или обменивают на новые с доплатой.

Заряд батареи

Свинцово-кислотная батарея заряжается путем подачи на нее постоянного тока любой величины (с учетом технологических ограничений, связанных с самой батареей или ее соединениями), при условии, что это не приводит к появлению на клеммах батареи напряжения, превышающего 2,35 В на элемент (значение при 25 ° C ) .

Авто зарядное устройство. Сила тока уменьшается по окончании зарядки

Применение этого правила приводит к соблюдению на практике двух последовательных фаз зарядки:

Так называемая фаза «CC» ( постоянный ток или постоянный ток ), во время которой напряжение элемента составляет менее 2,35 В, несмотря на приложение максимальной токовой нагрузки зарядного устройства: ток определяется зарядным устройством, а напряжение — от аккумулятора. . Напряжение на выводах каждой ячейки увеличивается по мере перезарядки батареи;
Фаза известна как «CV» ( Постоянное напряжение или «TC» Постоянное напряжение ), также называемая «фаза поглощения» начинается , как только напряжение на элемент достигает значения 2.35 V на элемент после применения заданного значения CI выше , приводит к зарядное устройство (его сервосистема, преобразующая его в генератор напряжения), чтобы отрегулировать ток так, чтобы напряжение оставалось равным 2,35 В на элемент, в то время как аккумулятор продолжает заряжаться. Следовательно, ток во время этой фазы является убывающей функцией времени. Теоретически он стремится к 0 асимптотически.

В конце зарядки ток в фазе CV не отменяется. Он стабилизируется на низком, но не нулевом значении, что больше не увеличивает степень заряда, а электролизует воду из электролита . Поэтому рекомендуется прервать заряд или, если мы хотим применить постоянный заряд (называемый поддерживающим или « плавающим », чтобы компенсировать явление саморазряда ), снизить заданное напряжение до значения порядка 2,3 В на элемент.

Зарядка CC / CV получила широкое распространение, потому что только она позволяет заряжать большим током (и, следовательно, быстро), не повреждая аккумулятор. Этот режим зарядки используется во всех автомобилях: в фазе постоянного тока зарядный ток существенно зависит от скорости вращения генератора (и, следовательно, двигателя). В фазе CV заданное напряжение поддерживается сервоуправлением, образованным регулятором напряжения. Это фактически снижает ток возбуждения генератора переменного тока, так что выходной ток генератора никогда не приводит к напряжению выше 2,35 В на элемент (с небольшой коррекцией в зависимости от температуры).

Когда в случае недорогих зарядных устройств зарядное устройство, способное ограничить его напряжение до эталонного значения, соответствующего 2,35 В на элемент, недоступно, рекомендуется ограничить значение зарядного тока (в амперах), например, до 10% от значения емкости аккумулятора (в ампер-часах), чтобы минимизировать разрушительные последствия скачка напряжения, который может произойти в конце зарядки (а также вредные последствия для срока службы электродов) .

Напряжение 2,34 В на ячейку называется « _газ V ». Это соответствует напряжению, при котором электролит в жидкой форме подвергается электролизу ( 2 H ₂ + O ₂).

Аккумулятор никогда не должен разряжаться менее чем на 20% от его номинальной емкости. Напряжение не является надежным эталоном с течением времени, так как чем старше батарея, тем сильнее падает напряжение.

Как устроен гелевый аккумулятор

Устройство гелевого аккумулятора значительно отличается от устройства его кислотного предшественника. Главное отличие — вместо жидкости внутри находится плотная структура в виде геля. Такая структура обеспечивается тем, что в электролит добавляется оксид кремния.

Гель выполняет и роль сепаратора (разделителя) между пластинами во избежание короткого замыкания между ними. Он плотно «держит» электролит и пластины, как бы запечатывая их внутри себя. Все это выглядит для покупателя очень заманчиво. Но перед тем, как приобретать гелевый аккумулятор для авто, плюсы и минусы такого варианта также не помешает рассмотреть более подробно.

Достоинства и недостатки гелевых батарей

Плюсы:

Гелевые АКБ заряжаются быстрее кислотных, потому что их пластины сделаны из очищенного свинца, имеющего низкое сопротивление.
На вопрос о том, как обслуживать гелевый аккумулятор, можно смело ответить, что никакого дополнительного обслуживания он не требует, потому что относится к категории необслуживаемых.
Заряд и разряд у него будет выше, а следовательно, будут сильнее и пусковые токи, до 1000 А. У «кислотника» их максимальный уровень составляет 300-400А.
Отсутствие жидкого электролита и опасных для жизни и здоровья испарений — огромное преимущество: гелевые АКБ можно класть набок и даже переворачивать «вверх ногами».
Гелевый аккумулятор устойчив к глубоким разрядам вследствие запечатанных пластин — пластины, находящиеся в глубоко запечатанном состоянии, не осыпаются.
Можно держать его в режиме ожидания год или даже два года. Жидкости внутри нет, поэтому никаких «сверх-химических» реакций не происходит. Рекомендуется подзаряжать его раз в год при отсутствии эксплуатации.
Такая АКБ долговечнее свинцово-кислотной, может служить от 8 до 15 лет.

Однако, несмотря на все преимущества, минусы у таких аккумуляторов тоже есть:

Высокая стоимость. Гелевые АКБ емкостью 60 Ач стоят от 20 000 рублей за одну штуку. Это в четыре раза дороже, чем любой «кислотник».
Они боятся высокого напряжения. Им необходимо заряжаться токами не больше 14,4-15 вольт. Если заряжать током 15,3 В, то очень быстро начнется процесс разрушения аккумулятора. Гель при напряжении выше 15 вольт начинает таять и становится жидким, а в прежнее состояние его вернуть невозможно.
При температурах ниже -50°С гель превращается в кристалл, замерзает, становится ломким и не держит электролит внутри. Емкость падает, и «оживить» батарею невозможно.
Если планируется установка в автомобиль гелевой АКБ, необходимо будет приобрести две дополнительные защитные клеммы с реле-регулятором — для того, чтобы эта система «страховала» батарею от опасных для нее уровней напряжения. Если докупать две клеммы, стоить они будут около 3000 рублей.

Последний пункт из разряда «минусов» нуждается в дополнительном разъяснении. Будет полезно узнать и учесть определенные особенности устройства отечественных автомобилей. Точнее, слабость конструкции их реле-регуляторов, которые могут выйти из строя в любое время. Если это произойдет, и системы контроля напряжения не будет, гелевая АКБ безвозвратно потеряет свою пригодность к работе. Для этого и нужны защитные клеммы с дополнительным реле-регулятором, который возьмет на себя функции «местного» реле в случае, если его исправность будет нарушена.

Определяем тип и режим работы аккумулятора

Во-первых, чтобы понять, какой алгоритм зарядки подойдет конкретной АКБ, требуется определиться с классом батареи, чей принцип работы базируется на реакциях свинца в растворе серной кислоты. Она может быть либо обслуживаемой (то есть легко заряжаемой аналоговой зарядкой), либо необслуживаемой (требующей для подзарядки подключения специальных зарядных приспособлений).
Во-вторых, аккумулятор может эксплуатироваться в 2-х режимах: буферном (будучи постоянно подключенным к сети и периодически активируемым для самостоятельной) и циклическом (использование такого АКБ состоит из постоянной смены циклов «разрядка-подзарядка»).

Среди обслуживаемых SLA числятся, преимущественно, классические автомобильные аккумуляторы. Основная масса свинцово-кислотных источников тока, используемых в мото транспорте, лодках, катерах, Станциях без перебойного питания и т.д. принадлежит к герметичным, необслуживаемым, буферным и гелевым.

Разновидности и особенности свинцовых АКБ

На практике сейчас можно встретить самые разные батареи. Это позволяет решать самые разные задачи по энергообеспечению самых разных устройств. Разберем наиболее популярные виды аккумуляторов.

Lead-Acid. Требуют обслуживания. Считаются классическими автомобильными стартерными батареями. Сюда входят сурьмянистые, малосурьмянистые, гибридные и кислотно-кальциевые аккумуляторы. Обычно используют для двигателей внутреннего сгорания, но это не единственный вариант использования. Бывают варианты на 6v и 12v. Основной недостаток – высокий уровень саморазряда.

AGM VRLA. Современные необслуживаемые батареи. Могут иметь вольтаж – 2v, 4v, 6v и 12v. Основная отличительная особенность – сепараторы выполнены из стекловолокна. Также обычно используется абсорбированный электролит. Это позволяет увеличить срок эксплуатации АКБ в полтора раза. Использование технологии сепараторов из стекловолокна сделало возможным увеличивать зарядный ток, что ускоряет зарядку. Обычно AGM батареи допускается заряжать током в 25-30% от емкости. Разработано несколько разновидностей, подходящих для разных буферных и циклических режимов.

VRLA. Необслуживаемые АКБ с герметичным корпусом (необслуживаемые кальциевые и EFB). Могут иметь вольтаж – 2V, 4V, 6V и 12V. Предназначены для эксплуатации в буферном режиме. Не требуют дополнительной вентиляции при использовании в помещениях.

GEL VLRA. Одна из самых современных модификаций. Тут применяется геле образный электролит. Однообразная консистенция, позволяет добиваться наиболее эффективного контакта электролита с электродом, что увеличивает емкость. Также гель позволяет продлить срок службы батареи. Является необслуживаемой батареей. Требует периодической зарядки, для продления срока эксплуатации нужно использовать только высокоточное зарядное устройство, оно должно обеспечивать точный уровень силы тока. Существует несколько разновидностей, отличающихся особенностями электродов. Обозначение каждого из них позволяет определить возможность использования АКБ в определенных условиях. Есть батареи 2v, 4v, 6v, 12v, 24v, 36v и 48v.

OPzV. Это необслуживаемые АКБ 2V. Имеют трубчатые пластины электродов. Отличаются устойчивостью к глубокому разряду и продолжительностью службы до 22 лет.

Устройство

Конструктивно кислотный аккумулятор состоит из следующих элементов:

Корпус. Представляет собой моноблок. В него помещаются аккумуляторы. Изготовлен из изолирующего материала, стойкого к кислоте. Как правило, это пропилен.
Электрод (решётка, покрытая пастой из свинцово-оксидного порошка). Положительные электроды покрыты диоксидом свинца. Отрицательно заряжённые решётки покрыты массой губчатого свинца. Для того чтобы увеличить антикоррозийную стойкость электродов, ряд производителей в свинцово-кальциевый сплав добавляет пассиваторы
Сепаратор-конверт. Устанавливается для изоляции решёток, пластин противоположной полярности в батарейных элементах. В случае соприкосновения пластин разной полярности произойдёт короткое замыкание. Главная сложность при изготовлении сепараторов: их материал должен уберечь от такого замыкания, при этом ток должен беспрепятственно проходить через электролит. Компромиссное решение и достойный вариант материала – микропористая пластмасса. Большинство свинцово-кислотных батарей используют активное вещество электродов из свинцово-кальциевого сплава. У них минимальный уровень саморазряда.
Шина
Крышка
Выходное отверстие.
Клеммы. Обеспечивают непосредственную связь батареи со стартером, генератором, позволяют быстро монтировать или демонтировать батарею.
Индикаторы плотности электролита и заряженности батареи.

Каждая современная батарея состоит из шести кислотных аккумуляторов. Используется последовательное соединение. Шесть 2-х вольтовых элементов обеспечивают на выходе 12 вольт.

Типы свинцово-кислотных аккумуляторов

Квалифицировать АКБ можно по двум признакам по функциональному назначению и установленному электролиту. По функциональному назначению устройства бывают двух типов:

Стартерные.Обеспечивают запуск двигателя автомобиля, подают ток на стартер. Требуют обслуживания и вентиляции.
Тяговые. Устройства для цикличных режимов. Используются в ситуациях, когда нужно обеспечить механизмы непрерывной энергией (питания в постоянном режиме). Чаще всего устанавливаются на электрокарах, тягачах, погрузчиках.

Что касается второго классификационного признака — тип электролита, то он может быть абсорбируемым, жидким, гелеообразным. В большинстве случаев мы имеем дело с жидкой средой. Электроды находятся в электролите из раствора серной кислоты.

Плотность электролита в зависимости от степени заряженности постоянно изменяется. Чем заряжённость элемента ниже, тем ниже плотность электролита. При полном заряде плотность достигает 1.29 г/см3. У ряда же современных АКБ электролит удерживается в специальном микропористом материале. В этом случае речь и идёт об абсорбируемом электролите. Объём электролита, заливаемый в АКБ добавляются в том объёме, который может впитать микропористый материал. Лучшее поглощение кислоты влечет за собой повышение эффективности активной массы. Это очень ценно, если АКБ работает на систему рекуперативного торможения или систему стоп-старта. Но из-за высокой стоимости батарей такого типа массового перехода на них пока нет. Большинство использует традиционные свинцово-кислотные батареи.

Наиболее хорошо известны решения, которые ориентированы на абсорбированные электролиты. Это батареи, изготовленные по технологии AGM. Обслуживание свинцово-кислотных аккумуляторов такого типа не требуется. Для установки не нужно заботиться о том, чтобы помещение было вентилируемым. Работа не требует обслуживания. При этом в режиме подзарядки (буферном режиме) батареи способны служить 12-18 лет, в цикличном режиме — меньше.

История применения аккумуляторных батарей

Свинцово-кислотная батарея – первая перезаряжаемая батарея, разработанная для коммерческого использования в 1850-х годах. Несмотря на довольно приличный возраст в более чем 150 лет, они по-прежнему активно применяются в современных устройствах. Более того, они активно применяются в приложениях, где, казалось бы, вполне возможно обойтись современными технологиями. Некоторые распространенные устройства вполне активно применяют СКБ, такие как источники бесперебойного питания (ИБП), гольфкары или вилочные погрузчики. Удивительно, но рынок свинцово-кислотных аккумуляторов по-прежнему растет для определенных ниш и проектов.

Первое, довольно ощутимое нововведение в свинцово-кислотную технологию пришло в 1970-е годы, когда были изобретены герметичные СКБ или необслуживаемые СКБ. Данная модернизация состояла в появлении специальных клапанов для стравливания газов при зарядке/разрядке аккумуляторов. Кроме того, применение увлажнённого сепаратора сделало возможным эксплуатировать аккумулятор в наклонном положении без протеканий электролита.

СКБ, или англ. SLA, часто классифицируют по типу или применению. В настоящее время наиболее распространенными являются два типа: гель, известный также как свинцово-кислотная батарея с регулируемым клапаном (valve-regulated lead acid (VRLA)) и абсорбирующий стеклянный мат (absorbent glass mat AGM). Аккумуляторы AGM используются для небольших ИБП, аварийного освещения и инвалидных колясок, в то время как VRLA предназначается для приложений более крупного формата, таких как резервное питание для сотовых ретрансляционных мачт, интернет-центров и вилочных погрузчиков. Свинцово-кислотные аккумуляторы также можно классифицировать по следующим признакам: автомобильные (стартер или SLI — запуск, освещение, зажигание); тяговые (тяга или глубокий цикл); стационарные (источники бесперебойного питания). Основным недостатком SLA во всех этих приложениях является жизненный цикл — если они многократно разряжаются, они сильно повреждаются.

Удивительно, но свинцово-кислотные аккумуляторы были бесспорными лидерами рынка аккумуляторных батарей в течении многих десятилетий, вплоть до появления литий-ионных батарей в 1980-х годах. Литий-ионная батарея представляет собой перезаряжаемую ячейку, в которой ионы лития движутся от отрицательного электрода к положительному во время разряда, и наоборот во время заряда. Литий-ионные аккумуляторы используют интеркалированные литиевые соединения, но не содержат металлического лития, который используется в одноразовых батареях.

Литий-ионный аккумулятор впервые был изобретен в 1970-х годах. В 1980-х на рынок была выпущена первая коммерческая версия батареи с катодом на основе оксида кобальта. Данный тип устройств имел значительно большие возможности по весу и емкости, по сравнению с системами на никелевой основе. Новые литий-ионные аккумуляторы способствовали огромному росту рынка мобильных телефонов и ноутбуков. Первоначально, из-за соображений безопасности, вводились более безопасные варианты, которые включали добавки на основе никеля и марганца в кобальт-оксидный материал катода, в дополнение к инновациям в строительстве клеток.

Первые литий-ионные элементы, представленные на рынке, были в жестких алюминиевых или стальных банках, и, как правило, имели только несколько форм-факторов цилиндрической или призматической (форма кирпича) формы. Однако, с расширением спектра применения литий-ионной технологии начали изменяться и их габаритные размеры.

Например, менее дорогие версии более старой технологии применяются в ноутбуках и сотовых телефонах. Современные тонкие литий-полимерные элементы используются в смартфонах, планшетах и носимых устройствах. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы используются в электроинструментах, электрических велосипедах и других устройствах. Такая вариация предвещает полную замену свинцово-кислотных устройств во все новых и новых приложениях, направленных на улучшение габаритных и силовых показателей.

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:

Определенное положение для предотвращения вытекания электролита
Вентилируемое помещение для удаления газов, образующихся во время заряда и разряда
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.