Аккумуляторы играют важную роль в нашей жизни, и многие обыденные вещи сейчас уже просто немыслимы без них. Мы зависим от хорошей и надежной работы аккумуляторов, поэтому, чтобы они стабильно работали, надо знать, какими свойствами они обладают и как с ними обращаться. В данной статье рассматриваются характеристики различных типов аккумуляторов, такие как удельная энергия, срок службы, нагрузочные характеристики, необходимость технического обслуживания, скорость саморазряда и т.д.
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Одна из старейших аккумуляторных систем. Эта недорогая, надежная и переносящая перегрузки батарея; но она имеет низкую удельную энергию и ограниченный срок службы. Свинцовый кислотный аккумулятор используется в автомобильном транспорте, в инвалидных колясках, в системах аварийного освещения и в источниках бесперебойного питания (ИБП).
Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы
Также является одной из старейших и хорошо изученных аккумуляторных систем. Эти источники питания используется там, где необходим длительный срок службы, высокий ток разрядки, экстремальные температуры и низкая стоимость. Из-за того, что NiCd аккумуляторы наносят значительный вред окружающей среде, их заменяют другими типами систем. Основные области применения: электроинструмент, рации, авиационный транспорт, ИБП. В Европе запретили продавать потребительские товары с такими типами аккумуляторов, но в России их можно приобрести.
Никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторы
Фактически являются заменой никель-кадмиевых; имеет более высокую удельную энергию и меньшее количество токсичных металлов. NiMH аккумуляторы используется в медицинском оборудовании, в гибридных автомобилях, в ракетно-космической технике, в промышленности.
Литий-ионные (Li‑ion) аккумуляторы
Самый перспективный тип аккумуляторных систем; используется в портативных потребительских товарах, также как и в электромобилях. Li‑ion аккумуляторы чувствительны к превышению напряжения при заряде и, для обеспечения безопасности, в них добавляется защитный контур, но не всегда. Эти типы аккумуляторов дороже, чем описанные выше.
Семейство литий-ионных систем можно разделить на три основных типа батарей в зависимости от материала катода – это кобальт лития, литий-марганцевая шпинель и литий-феррофосфат. Характеристики этих литий-ионных систем приведены ниже.
Кобальт лития или литий оксид кобальта (LiCoO2)
Обладает высокой удельной энергией, переносит умеренные нагрузки и обладает небольшим сроком службы. Применяется в сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах и других гаджетах.
Литий-марганцевая шпинель или литий-марганцевый (LiMn2O4)
Переносит высокий ток заряда и разряда, но имеет низкую удельную энергию и небольшой срок службы; используется в электроинструментах, медицинском оборудовании и в электрических силовых агрегатах.
Литий-феррофосфатный (LiFePO4)
Схож с литий-марганцевым; номинальное напряжение 3,3 В/элемент; более долговечный, но обладает более высокой скоростью саморазряда, чем другие литий-ионные системы.
Существует и множество других типов литий-ионных аккумуляторов, некоторые из которых будут описаны позднее на этом сайте. Здесь отсутствует популярный литий-полимерный тип аккумуляторов. В то время как литий-ионные системы получили свое название благодаря материалу катодов, литий-полимерные системы заслужили свое название благодаря архитектуре. Также здесь не упоминается литий-металлические (Li-metal) аккумуляторы. Этот тип источника тока еще требует доработки, но, скорее всего, в скором времени они будут обладать необыкновенно высокой удельной энергией и хорошей удельной мощностью.
Таблица 1 — Сравнительные характеристики четырех наиболее часто используемых типов аккумуляторных систем, с указанием усредненных параметров
1 Внутреннее сопротивление аккумуляторов зависит от величины миллиампер-часов (мАч), проводки и количества элементов. Контур защиты литий-ионных батарей добавляет около 100 mΩ
2 Типоразмер элемента 18650. Размер элемента и дизайн определяет внутреннее сопротивление.
3 Жизненный цикл у батарей, проходящих регулярное техническое обслуживание.
4 Жизненный цикл зависит от величины разряда. Меньшая величина разряда повышает срок службы.
5 Самая большая скорость саморазряда сразу после заряда. NiCd аккумулятор теряет 10% заряда в течение первых 24 часов, затем скорость потери заряда снижается до 10% за каждые 30 дней. Высокая температура увеличивает саморазряд.
6 Защитный контур, как правило, потребляет 3% от запасенной энергии в месяц.
7 Чаще используется традиционное напряжение 1,25; 1,2 В.
8 Низкое внутреннее сопротивление уменьшает падение напряжения под нагрузкой и литий-ионные аккумуляторы часто имеют маркировку с большим значением, чем 3,6В/элемент. Элементы с маркировкой 3,7В и 3,8В полностью совместимы с 3,6В.
9 Способен выдерживать большой импульс тока нагрузки, но нужно время для восстановления.
10 Не заряжайте регулярно литий-ионные аккумуляторы при температуре ниже нуля.
11 Техническое обслуживание, такое как балансировка или подзарядка, для предотвращения сульфатации.
12 Для большинства типов литий-ионных систем отсечка происходит, если напряжение меньше чем 2,20В и больше чем 4,30В, другие значения напряжения применяются для литий-феррофосфатных аккумуляторов.
Читайте также статьи:
(Просмотрели31 517 | Посмотрели сегодня 19)
Процессы в аккумуляторе отследили с помощью электронного микроскопа
Экотехнологии, которые могут сделать мир чище. 9 современных направлений
Самовосстанавливающиеся солнечные элементы
Этот обзор задумывался ещё осенью 2009, но в силу не зависящих от меня обстоятельств (мировой кризис, болезни, другие проекты, хорошая погода, уборка в комнате, банальная лень и т.д) написание всё время откладывалось и поэтому некоторые данные слегка устарели, но не потеряли своей актуальности. Тем более, что это сравнительный обзор в котором важны не абсолютные значения, а их разница.
В интернете полно информации по тем или иным типам аккумуляторов, но по большей части это кричаще-вопящее маркетинговое словоблудие, очень отдалённо напоминающее действительность. Один из самых нормальных (на мой непрофессиональный
взгляд) это battery.newlist.ru , но он уже давным давно не обновлялся. Ещё меня очень радуют две статьи Олега Артамонова на сайте Ф-Центр: Тестирование батареек формата АА и Тестирование Ni-MH аккумуляторов формата AA . Человек серьёзно подошёл к этому исследованию, разработал стенд и методику , и сделал подробное и грамотное описание. И хотя с момента тестирований прошло 3-4 года, статьи актуальны, так как эти батарейки и аккумуляторы до сих пор продаются в магазинах.
В первом тестировании автор поднял, на мой взгляд, очень важный вопрос, а именно: почему ёмкость батарей и аккумуляторов производители указывают в Ампер-часах, хотя правильнее её указывать в Ватт-часах? Ведь даже внутри одной группы батарей (аккумуляторов), внутреннее сопротивление элементов настолько разниться, что те "банки" которые лидировали по Ампер-часам из-за большого внутренного сопротивления (а следовательно и более низкого напряжения), проигрывали не таким "ёмким" своим собратьям по фактически отдаваемой энергии, измеряемой в Ватт-часах. Ведь любое электронное устройство потребляет не Ампер-часы, а Ватт-часы или Ампер-часы умноженные на среднее напряжение на аккумуляторе при его разряде, то есть при получении этих самых Ампер-часов. А уж если сравнивать аккумуляторы разных типов, то тут Ампер-часы вообще не имеют никакого смысла, ведь 1А*ч литий-йонного аккумулятора по фактически отдаваемой энергии равен примерно 3А*ч NiMH аккумулятора. По сути ситуация как и с цифровыми фотоаппаратами - производитель в рекламе (и на корпусе аппарата) пишет заоблачные числа количества пикселей и кратности зума, а для качества фотографии важнее всего это размер матрицы и светосила объектива. В результате у большинства конечных пользователей недоуменее, почему фотографии старой 3-мегапиксельной зеркали лучше, чем современного 12-мегапиксельного, 18-кратного супер девайса? Вобщем мысль, я думаю, понятна - чтобы не быть обманутыми лохами, надо думать головой, а не тупо сравнивать два числа, указанных крупными цифрами на коробке или корпусе изделия.
Будучи велотуристом я задумался об универсальном источнике энергии для походов. А для этого мне надо определиться с типом аккумуляторов: какой лучше, легче, надёжнее, более ёмкий и т.д. Главная характеристика для меня как для туриста - это ёмкость, как понимаете в Ватт-часах. По сути если рассматривать аккумулятор как ёмкость для энергии, то Ватт-часы (или Джоули, 1Вт*ч = 3,6кДж) это единицы измерения его объёма (как литры для банок и кастрюль). И так же как и банки с кастрюлями могут быть и из лёгкого и тонкого пластика, и из тяжёлого и толстого чугуна, так среди аккумуляторов есть большие по размерам и тяжёлые, с небольшой ёмкостью, и маленькие и лёгкие с большой ёмкостью. Так как городить стенд для тестирования, а потом покупать разные виды аккумуляторов для тестирования долго и весьма накладно, я решил обойтись "малой кровью". Многие производители выкладывают на свою продукцию так называемые Data sheet-ы, в которых печатаются (ну или должны печататься) основные характеристики изделия, графики, характеризующие определённые параметры работы и др. Вот эти графики я и задумал использовать для анализа ситуации. Конечно я полностью осознаю, что в некоторых случаях эти графики несколько условны и искуственны, и созданы больше для рекламы нежели отразить реальные характеристики, но так как другого выхода нет, пойдём этим путём. А сравнение нескольких однотипных аккумуляторов от разных производителей покажет примерное положение истины, которая, как правило, где-то посередине.
Подробно описывать методику получения данных из графиков не буду. В двух словах: график из pdf-файла сохраняется в jpeg-изображение, дальше эти графики оцифровываются с помощью программы GetData Graph Digitizer . Эта программа выдаёт координаты точек кривых графика и сохраняет их в формате MS Excel. После этого идёт математическая обработка полученых данных в OriginPro. Думаю и в Excel-е можно сделать, но Origin заточен под работу с графиками и работать с ним в этом плане легче. Все Data sheet-ы, использованные для сбора данных, можно скачать из каталога файлов.
Свинцовый аккумулятор — это источник питания, конструкция которого осталась неизменной со времени его изобретения. Основное предназначение аккумуляторной батареи – оказать помощь при пуске двигателя и обеспечить питанием бортовую сеть автомобиля при неработающем двигателе. Сама аккумуляторная батарея электрический ток не вырабатывает – за счет химической реакции она его накапливает.
Иногда мы задаемся вопросом — что внутри автомобильного аккумулятора? А внутри — кислотный электролит, содержащий серную кислоту и свинцовые пластины. Это конечно упрощённо, далее расскажем поподробней.
Автомобильный аккумулятор является вторичным гальваническим элементом. Внимательное изучение его свойств и устройства поможет правильно выбрать необходимый нам продукт при покупке.
Что же такое гальванические элементы
Гальванический элемент — прибор, который преобразует химическую энергию в энергию электрическую. Главными составными частями любого гальванического элемента являются два электрода — катод и анод, размещенные в сосуде из не проводящего ток материала и заполненного электролитом.
Все многообразие применяемых гальванических элементов можно разделить на два главных типа: первичные элементы и вторичные элементы.
К числу первичных элементов относятся, например, всем известные так называемые «сухие» элементы. К вторичным элементам относятся аккумуляторные батареи всех типов. Различие между типами элементов обусловливается характером химических реакций, протекающих в них при эксплуатации.
Во вторичных элементах происходящие химические реакции обратимые. Отработавшая или разряженная АКБ может быть восстановлена (заряжена), если пропускать через неё постоянный электрический ток в обратном направлении. В процессе заряда электрическая энергия преобразуется в химическую. При следующем цикле разряда происходит обратная реакция.
Типы автомобильных аккумуляторов
Типы аккумуляторов бывают обслуживаемые и необслуживаемые.
У обслуживаемого аккумулятора можно:
- физически просто выкрутить пробки с банок;
- визуально определить уровень электролита и состояние свинцовых пластин;
- замерить плотность, кипение электролита при заряде;
- при необходимости добавить дистиллированную воду.
Если говорить языком автомобилиста – «добраться до внутренностей». Мы можем делать с аккумулятором все что захотим.
Но обслуживаемые АКБ имеют ряд недостатков:
- из-за негерметичности батареи в процессе эксплуатации электролит может выкипать, что приводит к снижению его уровня и, как следствие, падает ёмкость, итог – проблемы с запуском автомобиля;
- испарение воды приводит к повышению плотности электролита, следствием чего является разрушение пластин;
- необходимо постоянно контролировать уровень электролита;
- при нагревании электролита на внешней крышке аккумулятора (в местах расположения пробок) образуется специфический белый налет, что может привести к замыканию клемм и преждевременному частичному разряду.
Все эти недостатки – проблемы прошедших лет. Изобретатели долгие годы трудились над решением этих проблем и, наконец, нашли выход из положения – сделали аккумулятор необслуживаемым.
Необслуживаемый АКБ.
Отличительной чертой является отсутствие пробок на верхней крышке и как бы вы не хотели заглянуть внутрь – ничего не получится. Он стал полностью герметичным.
Какие достоинства у данного типа?
- при нагревании электролита испаряемая жидкость в виде конденсата оседает на внутренних стенках батареи и стекает вниз.
- АКБ можно кантовать как угодно, не боясь пролива электролита.
- решена главная проблема – пластины всегда находятся в электролите.
Но без недостатков не бывает ни одного устройства.
На необслуживаемых батареях перемычки между банками расположены внутри корпуса. Проверить напряжение на банках практически невозможно.
На необслуживаемые аккумуляторы начали устанавливать так называемые «клапаны аварийного сброса давления». Срабатывает он в экстренных случаях, когда происходит сильный перезаряд. Наружу выходит часть испаряемого электролита, но вот обратно добавить его в батарею возможность отсутствует напрочь. Несколько перезарядов и как итог – батарея теряет ёмкость.
Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов
Наверняка более 90% автомобилистов знают об устройстве своего аккумулятора только из школьных уроков физики. Да в повседневной жизни это уже и не требуется. Купил – установил – забыл.
Характеристики аккумуляторных батарей, на которые обращают внимание автомобилисты при его выборе: тип батареи (обслуживаемая или безуходная), электрическая ёмкость батареи, номинальное напряжение батареи, саморазряд.
Термин «электрическая ёмкость АКБ» означает количество электричества, отдаваемого аккумулятором при разряде. Ёмкость определяется в ампер-часах.
Разрядная ёмкостью СР — количество электричества в ампер-часах, получаемое при разряде аккумулятора до допустимого напряжения. Разрядную ёмкость определяют исходя из формуле:
Ёмкость САБ существенным образом зависит от температуры электролита, особенно на стартерных режимах разряда.
Ёмкость аккумулятора может быть выражена двояко: в амперчасах или в ваттчасах. Термин «ёмкость» обозначает то количество электричества, которое можно получить от данного источника питания. Ёмкость же в ваттчасах есть мера энергии или способности производить работу.
При определении емкости какой-либо аккумуляторной батареи необходимо отмечать режим, при котором производится разряд, температуру и конечное напряжение. Ёмкость аккумулятора в основном определяется тремя факторами: разряд, температура и конечное напряжение, а при маркировке устанавливается в амперчасах.
Стандартной величиной номинального напряжения одного элемента аккумулятора является 2 вольта. Для легковых автомобилей выпускают аккумуляторы с напряжением 12в., а на грузовых применяют с напряжением 24в. Для специальной техники могут изготавливаться АКБ с напряжением, установленным производителем.
Самопроизвольный разряд аккумулятора – потеря емкости в процессе хранения, отключения внешних потребителей, температурного режима эксплуатации и качества ТО. При этом его рабочие характеристики снижаются.
Экспериментально установлено, что для свинцово-кислотных АКБ величина саморазряда варьируется от 1,5 до 3% в месяц.
Одной из причин повышенного саморазряда обслуживаемых аккумуляторов является применение не дистиллированной воды, содержащей примеси железа, хлора и различных солей.
Также при переворачивании батареи или сильной тряске происходит осыпание активного вещества с пластин.
Заглянем что внутри?
Принципиально конструкция аккумуляторов осталась неизменной со времени их изобретения: свинцовые пластины и кислота. Внутреннее пространство заполнено электролитом, состоящим из 38%-ной серной кислоты и дистиллированной воды. В каждой батарее отрицательные и положительные электроды чередуются. Между пластинами размещаются пластмассовые сепараторы. Все перемычки между элементами и батареями изготовлены из свинца.
Разберемся в конструкции АКБ подробней
Устройство автомобильного аккумулятора простое: ёмкость для размещения электродов, пластин, сепараторов и крышки. В обслуживаемых в крышке предусмотрены горловины для заливки электролита и закручивающиеся пробки. Они позволяют при необходимости доливать дистиллированную воду.
Корпуса батарей изготавливают из прочного полипропилена.
Материал корпуса не токопроводящий и химически стоек к серной кислоте. По нижнему краю корпуса предусмотрена отбортовка для жесткого крепления в автомобиле, чтобы исключить удары и падения.
Вентиляционные (лабиринтные) пробки используются в обслуживаемых батареях. Они предохраняют от выноса и выплескивания электролита, но обеспечивают свободный выход газа. В качестве лабиринтного наполнителя могут использоваться гранулы полиэтилена.
Чтобы исключить неправильное подключение батареи к бортовой сети автомобиля, свинцовые клеммные выводы отличаются по размерам, и чём вкратце описано в статье про .
Практически все виды свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторов неремонтопригодны.
Принцип работы автомобильного аккумулятора
Принцип работы аккумулятора в автомобиле основан на процессах двух видов. При подключении к батарее потребителей (стартер, фары, приборы панели управления автомобили и др.) происходит её разряд.
При этом химическая энергия превращается в электрическую, которая, в свою очередь, может быть превращена в тепловую, механическую и световую.
Если к такому источнику питания подключить электродвигатель, то часть электроэнергии превратится в механическую, а какая-то — в тепловую.
При заряде происходит обратный процесс — электрическая энергия преобразуется в химическую.
Во время заряда на пластинах- катоде, аноде и в электролите образуются те вещества, которые вступают в электрохимическую реакцию при разряде. Химические реакции при заряде идут в обратном направлении по сравнению с химическими реакциями при разряде. Этим и объясняется то, что АКБ называют обратимым источником тока, его работа носит циклический характер: разряд-заряд.
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 .
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.
Принцип действия. Аккумулятором называется химический источник тока, который способен накапливать (аккумулировать) в себе электрическую энергию и по мере необходимости отдавать ее во внешнюю цепь. Накапливание в аккумуляторе электрической энергии происходит при пропускании по нему тока от
постороннего источника (рис. 158,а). Этот процесс, называемый зарядом аккумулятора , сопровождается превращением электрической энергии в химическую, в результате чего аккумулятор сам становится источником тока. При разряде аккумулятора (рис. 158, б) происходит обратное превращение химической энергии в электрическую. Аккумулятор обладает большим преимуществом по сравнению с гальваническим элементом. Если элемент разрядился, то он приходит в полную негодность; аккумулятор же. после разряда может быть вновь заряжен и будет служить источником электрической энергии. В зависимости от рода электролита аккумуляторы разделяют на кислотные и щелочные.
На локомотивах и электропоездах наибольшее распространение получили щелочные аккумуляторы, которые имеют значительно больший срок службы, чем кислотные. Кислотные аккумуляторы ТН-450 применяют только на тепловозах, они имеют емкость 450 А*ч, номинальное напряжение - 2,2 В. Аккумуляторная батарея 32 ТН-450 состоит из 32 последовательно соединенных аккумуляторов; буква Т означает, что батарея установлена на тепловозе, буква Н - тип положительных пластин (намазные).
Устройство. В кислотном аккумуляторе электродами являются свинцовые пластины, покрытые так называемыми активными массами, которые взаимодействуют с электролитом при электрохимических реакциях в процессе заряда и разряда. Активной массой положительного электрода (анода) служит перекись свинца PbO 2 , а активной массой отрицательного электрода (катода) - чистый (губчатый) свинец Pb. Электролитом является 25-34 %-ный водный раствор серной кислоты.
Пластины аккумулятора могут иметь конструкцию поверхностного или намазного типа. Пластины поверхностного типа отливают из свинца; поверхность их, на которой происходят электрохимические реакции, увеличена благодаря наличию ребер, борозд и т. п. Их применяют в стационарных аккумуляторных батареях и некоторых батареях пассажирских вагонов.
В аккумуляторных батареях тепловозов применяют пластины намазного типа (рис. 159, а). Такие пластины имеют остов из сплава свинца с сурьмой, в котором устроен ряд ячеек, заполняемых пастой.
Ячейки пластин после заполнения пастой закрывают свинцовыми листами с большим количеством отверстий. Эти листы предотвращают возможность выпадания из пластин активной массы и не препятствуют в то же время доступу к ней электролита.
Исходным материалом для изготовления пасты для положительных пластин служит порошок свинца Pb, а для отрицательных- порошок, перекиси свинца PbO 2 , которые замешиваются на водном растворе серной кислоты. Строение активных масс в таких пластинах пористое; благодаря этому в электрохимических реакциях участвуют не только поверхностные, но и глубоколежащие слои электродов аккумулятора.
Для повышения пористости и уменьшения усадки активной массы в пасту добавляют графит, сажу, кремний, стеклянный порошок, сернокислый барий и другие инертные материалы, называемые расширителями . Они не принимают участия в электрохимических реакциях, но затрудняют слипание (спекание) частиц свинца и его окислов и предотвращают этим уменьшение пористости.
Намазные пластины имеют большую поверхность соприкосновения с электролитом и хорошо им пропитываются, что способствует уменьшению массы и размеров аккумулятора и позволяет получать при разряде большие токи.
При изготовлении аккумуляторов пластины подвергают специальным зарядно-разрядным циклам. Этот процесс носит название формовки аккумулятора . В результате формовки паста положительных пластин электрохимическим путем превращается в перекись (двуокись) свинца PbO 2 и приобретает коричневый цвет. Паста отрицательных пластин при формовке переходит в чистый свинец Pb, имеющий пористую структуру и называемый поэтому губчатым; отрицательные пластины приобретают серый цвет.
В некоторых аккумуляторах применены положительные пластины панцирного типа. В них каждая положительная пластина заключена в специальный панцирь (чехол) из эбонита или стеклоткани. Панцирь надежно удерживает активную массу пластины от осыпания при тряске и толчках; для сообщения же активной массы пластин с электролитом в панцире делают горизонтальные прорези шириной около 0725 мм.
Для предотвращения замыкания пластин посторонними предметами (щупом для измерения уровня электролита, устройством для заливки электролита и др.) пластины в некоторых аккумуляторах покрывают полихлорвиниловой сеткой.
Для увеличения емкости в каждый аккумулятор устанавливают несколько положительных и отрицательных пластин; одноименные пластины соединяют параллельно в общие блоки, к которым приваривают выводные штыри. Блоки положительных и отрицательных пластин обычно устанавливают в эбонитовом аккумуляторном сосуде (рис. 159,б) так, чтобы между каждыми двумя
пластинами одной полярности располагались пластины другой полярности. По краям аккумулятора ставят отрицательные пластины, так как положительные пластины при установке по краям склонны к короблению. Пластины отделяют одну от другой сепараторами, выполненными из микропористого эбонита, полихлорвинила, стекловойлока или другого изоляционного материала. Сепараторы предотвращают возможность короткого замыкания между пластинами при их короблении.
Пластины устанавливают в аккумуляторном сосуде так, чтобы между их нижней частью и дном сосуда имелось некоторое свободное пространство. В этом пространстве скапливается свинцовый осадок (шлам), образующийся вследствие отпадания отработавшей активной массы пластин в процессе эксплуатации.
Разряд и заряд.
При разряде аккумулятора (рис. 160, а) положительные ионы H 2 + и отрицательные ионы кислотного остатка
S0 4 -, на которые распадаются молекулы серной кислоты H 2 S0 4 электролита 3, направляются соответственно к положительному
1 и отрицательному 2 электродам и вступают в электрохимические реакции с их активными массами. Между электродами возникает
разность потенциалов около 2 В, обеспечивающая прохождение электрического тока при замыкании внешней цепи. В результате
электрохимических реакций, возникающих при взаимодействии ионов водорода с перекисью свинца PbO 2 положительного
электрода и ионов сернокислого остатка S0 4 — со свинцом Pb отрицательного электрода, образуется сернокислый свинец PbS0 4 (сульфат свинца), в который превращаются поверхностные слои активной массы обоих электродов. Одновременно при этих реакциях образуется некоторое количество воды, поэтому концентрация серной кислоты понижается, т. е. плотность электролита уменьшается.
Аккумулятор может разряжаться теоретически до полного превращения активных масс электродов в сернокислый свинец и истощения электролита. Однако практически разряд прекращают гораздо раньше. Образующийся при разряде сернокислый свинец представляет собой соль белого цвета, плохо растворяющуюся в электролите и обладающую низкой электропроводностью. Поэтому разряд ведут не до конца, а только до того момента, когда в сернокислый свинец перейдет около 35 % активной массы. В этом случае образовавшийся сернокислый свинец равномерно распределяется в виде мельчайших кристалликов в оставшейся активной массе, которая сохраняет еще достаточную электропроводность, чтобы обеспечить напряжение между электродами 1,7-1,8 В.
Разряженный аккумулятор подвергают заряду, т. е. присоединяют к источнику тока с напряжением, большим напряжения аккумулятора. При заряде (рис. 160,б) положительные ионы водорода перемещаются к отрицательному электроду 2, а отрицательные ионы сернокислого остатка S0 4 — - положительному электроду 1 и вступают в химическое взаимодействие с сульфатом свинца PbS0 4 , покрывающим оба электрода. В процессе возникающих электрохимических реакций сульфат свинца PbS0 4 растворяется и на электродах вновь образуются активные массы: перекись свинца PbO 2 на положительном электроде и губчатый свинец Pb - на отрицательном. Концентрация серной кислоты при этом возрастает, т. е. плотность электролита увеличивается.
Электрохимические реакции при разряде и заряде аккумулятора могут быть выражены уравнением
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 ? 2PbSO 4 + 2H 2 O
Читая это уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево - процесс заряда.
Номинальный разрядный ток численно равен 0,1С НОМ, максимальный при запуске дизеля (стартерный режим) - примерно 3С НОМ, зарядный ток - 0,2 С НОМ, где С НОМ - номинальная емкость.
Полностью заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 2,2 В. Таково же приблизительно и напряжение на его зажимах, так как внутреннее сопротивление аккумулятора весьма мало. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 2 В, а затем медленно понижается до 1,8-1,7 В (рис. 161), при этом напряжении разряд прекращают во избежание повреждения аккумулятора. Если разряженный аккумулятор оставить на некоторое время в бездействии, то напряжение его снова восстанавливается до среднего значения 2 В. Это явление носит название «отдыха» аккумулятора. При нагрузке подобного «отдохнувшего» аккумулятора напряжение быстро понижается, поэтому измерение напряжения аккумулятора без нагрузки не дает правильного суждения о степени разряда .
При заряде напряжение аккумулятора быстро поднимается до 2,2 В, а затем медленно повышается до 2,3 В и, наконец, снова довольно быстро возрастает до 2,6-2,7 В. При 2,4 В начинают выделяться пузырьки газа, образующегося в результате разложения воды на водород и кислород. При 2,5 В оба электрода выделяют сильную струю газа, а при 2,6-2,7 В аккумулятор начинает как бы кипеть, что служит признаком окончания заряда. При отключении аккумулятора от источника зарядного тока напряжение его быстро снижается до 2,2 В.
Уход за аккумуляторами. Кислотные аккумуляторы быстро теряют емкость или даже приходят в полную негодность при
неправильной эксплуатации. В них происходит саморазряд, в результате которого они теряют свою емкость (примерно 0,5- 0,7 % в сутки). Для компенсации саморазряда неработающие аккумуляторные батареи необходимо периодически подзаряжать. При загрязнении электролита, а также крышек аккумуляторов, их выводов и междуэлементных соединений происходит повышенный саморазряд, быстро истощающий батарею.
Батарея аккумулятора должна быть всегда чистой, а выводы для предохранения от окисления покрыты тонким слоем технического вазелина. Периодически нужно проверять уровень электролита и степень заряженности аккумуляторов. Аккумуляторы должны периодически заряжаться. Хранение незаряженных аккумуляторов недопустимо. При неправильной эксплуатации аккумуляторов (разряде ниже 1,8-1,7 В, систематическом недозаряде, неправильном проведении заряда, длительном хранении незаряженного аккумулятора, понижении уровня электролита, чрезмерной плотности электролита) происходит повреждение их пластин, называемое сульфатацией . Это явление заключается в переходе мелкокристаллического сульфата свинца, покрывающего пластины при разряде, в нерастворимые крупнокристаллические химические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца РbO 2 и свинец РЬ. При этом аккумулятор становится непригодным для эксплуатации.
До недавнего времени наиболее распространенным способом накопления электрической энергии являлось применение свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Они, например, широко используются в системах бесперебойного электроснабжения малой мощности, но абсолютно непригодны для перекачки больших потоков энергии в ежедневном режиме. С развитием технологий на рынке появились литий ионные (ЛИА) АКБ.
Высокая реактивность и способность лития интеркалировать (проникать) в кристаллическую решетку другого материала позволяет сохранить в атомных связях большое количество энергии, поэтому служит идеальным накопителем.
Благодаря наноструктурированной топологии, литий-ионные АКБ имеют безусловные преимущества перед всеми существующими на сегодняшний день аналогами по ряду технических характеристик:
- Токи заряда и разряда беспрецедентно высоки. Способность ЛИА воспринимать большой ток заряда позволяет накапливать энергию в режиме онлайн. Разряд может пятикратно превосходить заряд, что говорит о возможности мгновенной отдачи огромного количества энергии.
- Очень низкий саморазряд, не превышающий 2% от первоначального заряда в месяц
- Отсутствует эффект памяти (не требует полной разрядки перед циклом заряда).
- Высокий электрохимический потенциал (энергетическая плотность);
- Эксплуатация в широком диапазоне температур (от -40°C +50°C).
Еще несколько лет назад, свинцовые АКБ не имели конкурентов в этой области, так как альтернативные АКБ, были очень дорогостоящими, в связи с чем их применение было экономически не выгодно.
Но с развитием технологий, на рынке появились литий ионные (ЛИА) АКБ, которые на первый взгляд имеют более высокую цену, тем не менее, если рассмотреть более внимательно, то в системах ИБП от 50кВт, применение именно ЛИА, имеет более высокую экономическую эффективность. Ниже приведены сравнения.
Основными параметрами любой АКБ, является:
- Ёмкость: Какое количество энергии может запасти АКБ на 1 кг веса
- Ток разряда: Как быстро накопленную энергию АКБ может отдать
- КПД: потери энергии при заряде и разряде
- Количество циклов разряда и заряда
- Срок годности – или период эксплуатации
| Критерий | Свинец | ЛИА |
| Ёмкость (вт/кг) | 25 | 110 |
| Ток разряда (при котором АКБ отдаёт всю ёмкость) | 0,1С (10% от тока ёмкости) | 3С (300% от тока ёмкости) |
| КПД | 80% | 97% |
| Количество циклов разряда - заряда | 700 | 5000 |
| Срок годности – или период эксплуатации | 3.5 лет | 25 лет |
Как видно из таблицы, ЛИА имеют значительные преимущества перед свинцовыми АКБ. Это вызвано в первую очередь тем, что у них разный принцип действия. В Свинцовых АКБ свинцовые электроды вступают в химическую реакцию с электролитом - серной кислотой, за счет чего происходит накопление электроэнергии. Но со временем кислота образует на поверхности электродов сульфат свинца, что приводит батарею в негодность. Преждевременное старение свинцовой АКБ происходит так же при разряде большими токами и параллельном подключении, которое часто используется для увеличения суммарной емкости.
В ЛИА как таковой химической реакции не происходит, а происходит миграция ионов лития с электрода на электрод, накапливая или отдавая заряд, за счет чего ЛИА имеет значительно лучшие характеристики. Разряд силой тока, пятикратно превосходящей номинальную емкость АКБ – штатный режим работы. Допускается параллельное соединение, т.к. контроллер заряда/разряда установлен на каждом элементе батареи.
Для оценки экономической выгоды от применения той или иной технологии, рассмотрим затраты на первичную установку, а так же затраты на дальнейшую эксплуатацию. В качестве примера примем ИБП на 300 кВА со временем бесперебойной работы 30 мин. Это время было выбрано потому, что именно этого времени хватит в случае необходимости запустить, и ввести в рабочий режим резервный генератор, а генераторы как известно заводятся далеко не с первого раза, особенно если стоят в резерве.
| ИБП 300 кВА. Напряжение постоянного тока 400 В. Время работы при полной нагрузке 30 мин. | |||
| Критерий | Свинец | Литий | Комментарии |
| При работе на полную нагрузку, ИБП будет потреблять 750А в течении 30 мин. Требуемая ёмкость и тип АКБ | OPzV 1200Ач (2В) 185ШТ | ЛИА 400Ач (3.2В) 125 ШТ. | АКБ требует высокие токи разряда, которые могут поддерживать только единичные элементы по 2,14В. При высоких токах разряда свинцовая АКБ не отдаёт 100% своей ёмкости. Рекомендуемые производителем токи разряда подтверждают, что минимальная ёмкость АКБ должна быть 1200Ач. Для лития данных проблем нет, поэтому устанавливается батарея почти номинальной ёмкости. |
| Стоимость | Одинаковая | Одинаковая | Обычно цена АКБ рассчитывается исходя из стоимости одного Ампер часа. Приведенные цены являются средними по рынку. Цена за ЛИА АКБ приведена с учетом стоимости системы управления. |
| Вес АКБ | В среднем по 100 кг на элемент 185*100=18500 кг | В среднем по 11 кг на элемент 125*11=1375 кг | При использовании ЛИА АКБ потребуется размер помещения(площадь и предельные нагрузки на пол) в 13 раз меньше чем для свинца. |
| Срок эксплуатации до замены | 3.5 лет | 25 лет | Срок эксплуатации свинцово кислотных OPzV АКБ 20 лет, но они не служат так долго. Дело в том, что производитель указывает срок эксплуатации при разряде батареи током не более 10% от номинальной ёмкости, а значит для АКБ 1200Ач, это всего 120А. Ток разряда данного ИБП 750А, что в 6 раз выше рекомендованного. При такой силе разряда свинцовые АКБ выходят из строя гораздо быстрее, а потеря емкости заметна уже через несколько циклов разряда. |
| Стоимость обслуживания | Высокая | Нет | Можно установить свинцовых АКБ в 6 раз больше, что бы они прослужили 18 лет, но стоимость такого массива будет астрономической. ЛИА работает в штатном режиме и прослужит заявленное время эксплуатации без замены. |
Разряд Свинцово-кислотной АКБ постоянным током, А.
Конечное напряжение 1,75В элемент при температуре 20°С
| Маркировка | Минуты | Часы | |||||||
| 10 | 15 | 30 | 1 | 2 | 3 | 5 | 8 | 10 | |
| OPzV-200 | 261 | 230 | 171 | 122 | 79 | 58 | 39 | 27 | 21 |
| OPzV-250 | 302 | 287 | 213 | 152 | 98 | 73 | 49 | 33 | 26 |
| OPzV-300 | 362 | 344 | 256 | 182 | 118 | 87 | 58 | 40 | 31 |
| OPzV-350 | 365 | 347 | 275 | 204 | 139 | 105 | 72 | 50 | 37 |
| OPzV-420 | 438 | 417 | 330 | 245 | 167 | 126 | 86 | 60 | 45 |
| OPzV-500 | 472 | 448 | 366 | 286 | 195 | 147 | 101 | 67 | 52 |
| OPzV-600 | 477 | 454 | 388 | 302 | 219 | 168 | 118 | 85 | 66 |
| OPzV-800 | 740 | 693 | 580 | 422 | 293 | 223 | 157 | 113 | 82 |
| OPzV-1000 | 887 | 823 | 681 | 515 | 370 | 282 | 197 | 131 | 103 |
| OPzV-1200 | 956 | 903 | 790 | 614 | 450 | 342 | 237 | 165 | 123 |
| OPzV-1500 | 1011 | 995 | 874 | 697 | 521 | 407 | 294 | 197 | 155 |
| OPzV-2000 | 1372 | 1326 | 1165 | 929 | 695 | 543 | 391 | 276 | 207 |
| OPzV-2500 | 1685 | 1658 | 1510 | 1203 | 863 | 668 | 482 | 317 | 258 |
| OPzV-3000 | 2022 | 1989 | 1813 | 1444 | 1035 | 802 | 579 | 378 | 309 |
Итог. Первичная стоимость свинца будет больше, а также при первичной разнице в стоимости в 11% применение ЛИА позволит:
- Сократить в 13 раз площадь (объем) помещения для размещения системы ИБП.
- Сократить в 13 раз вес батарейного стеллажа.
- Минимум троекратно продлить срок службы перед заменой АКБ. Экономия при эксплуатации ЛИА, за 20 лет составит не менее 350% , исходя из расчета первичных затрат, стоимости обслуживания, периодической замены и трехкратной утилизации свинцовых АКБ.
Применение нашей технологии позволяет осуществить прямую замену Свинцово-кислотных или Никель-Кадмиевых АКБ на ЛИА, БЕЗ каких либо конструктивных изменений или дополнений к системе заряда или подключения! Даже перемычки могут остаться старые.
