Как_правильно_заряжать_свинцово_кислотный_аккумулятор

Как_правильно_заряжать_свинцово_кислотный_аккумулятор

Вопросы об аккумуляторах

1. Что такое зарядка аккумулятора?

П о определению, зарядка аккумулятора — процесс, обратный разрядке аккумулятора (разряду аккумулятора) — во время зарядки, аккумулятор запасает энергию, питаясь от внешнего источника тока.

П осле полной зарядки, аккумулятор накапливает заряд, равный емкости аккумулятора. От внешнего источника тока, за время зарядки, аккумулятор отбирает несколько больший заряд.

2. Как зарядить свинцовый аккумулятор проще и безопаснее всего?

С амый простой и безопасный метод зарядки свинцового аккумулятора — это метод I-U (ток — напряжение). Сначала аккумулятор заряжают постоянным током, а после достижения заданного напряжения, заряжают аккумулятор, поддерживая на нем, постоянное напряжение.

К акой величины должен быть начальный ток зарядки аккумулятора? Для большинства стационарных свинцовых аккумуляторов этот ток написан на корпусе. Максимальная величина зарядного тока составляет от 0.2 до 0.3 емкости аккумулятора. Например, если емкость аккумулятора равна 100 А*час, то ток заряда такого свинцового аккумулятора не может превышать 20 А или 30 А (это решает производитель). Самая старая и самая распространенная рекомендация относительно зарядного тока свинцового аккумулятора: "10 процентов от емкости", верна и сегодня. Любой свинцовый кислотный аккумулятор можно заряжать, начиная зарядку с таким током, без боязни как-то повредить аккумулятор.

К аким должно быть конечное напряжение при зарядке свинцового аккумулятора методом I-U ? Максимальное напряжение не должно превышать 2.3 &plusmn 0.023 В на каждый элемент аккумулятора. Т.е. для свинцового аккумулятора с номинальным напряжением 12В, конечное напряжение зарядки не должно превышать 13.8 &plusmn 0.15 В. Метод I-U чаще применяется при работе аккумуляторов в буферном режиме, поскольку под напряжением 13.8 &plusmn 0.15 В современные герметичные свинцовые кислотные аккумуляторы могут находится на протяжении всего своего ресурса.

С колько времени занимает зарядка свинцового аккумулятора — методом I-U ? В зависимости от начального тока. Если начальный ток равен 20% емкости аккумулятора, то за 5-6 часов аккумулятор заряжается примерно до 90% своей емкости. После перехода к режиму постоянного напряжения, ток зарядки аккумулятора быстро падает и полная зарядка аккумулятора занимает примерно сутки. Есть ли более быстрые способы зарядки свинцовых аккумуляторов? Да, есть, и сейчас мы рассмотрим один из них.

3. Быстрая зарядка свинцового аккумулятора

Д ля быстрой зарядки свинцового аккумулятора нужно заряжать аккумулятор постоянным током (максимальный ток — тот же) до достижения напряжения 14.5 &plusmn 0.2 В (для аккумуляторов с номинальным напряжением 12В), а потом отключить зарядное устройство или перевести его в режим поддержания напряжения 13.8 &plusmn 0.15 В.

М етод быстрой зарядки аккумулятора позволяет полностью зарядить свинцовый аккумулятор примерно за 6 часов (при начальном токе 20% от емкости). Быстрый заряд чаще применяется при эксплуатации аккумуляторов в циклическом режиме.

4. Как влияет температура на зарядку свинцового аккумулятора?

В се, что написано выше, относится к зарядке свинцового аккумулятора при температуре 20 градусов Цельсия, а при других температурах нужно вводить температурную компенсацию зарядного напряжения. Зарядка свинцового аккумулятора возможна в диапазоне температур от -15 &deg C до +40 &deg C. При увеличении температуры, напряжение заряда должно быть меньше обычного, чтобы избежать перезарядки. А если зарядка аккумулятора производится при пониженной температуре, напряжение зарядки нужно увеличить, чтобы избежать недозарядки. Обычно рекомендуется использовать температурную компенсацию –3 мВ/&deg С.

4. Что будет, если не соблюдать правила зарядки свинцового аккумулятора?

О писанные выше способы зарядки свинцового аккумулятора позволяют зарядить аккумулятор быстро и безопасно. Они ориентированы на максимальное сохранение ресурса свинцового аккумулятора и замедление старения аккумулятора.

В озможна ли зарядка аккумулятора током, большим, чем максимально допустимый? Да, аккумулятор зарядится, даже если ток зарядки будет превышать установленный производителем максимум. Но, во-первых, если не уменьшить ток хотя бы в конце зарядки, то аккумулятор зарядится не полностью. А во-вторых, во время зарядки большим током перестанет быть эффективным механизм рекомбинации газов внутри герметичного свинцового аккумулятора, и электролит аккумулятора потеряет воду, даже, если потом, в конце зарядки, зарядный ток будет уменьшен. В результате превышения тока даже во время одной зарядки, аккумулятор не проработает весь расчетный ресурс и выйдет из строя раньше.

В озможна ли зарядка аккумулятора очень маленьким током, намного меньшим, чем максимально допустимый, скажем, током в 0.2% от емкости? Да, аккумулятор полностью зарядится даже таким током. Но зарядка аккумулятора будет продолжаться неоправданно долго — несколько недель. Кроме того, значительную часть этого времени аккумулятор будет находиться в разряженном состоянии, что почти эквивалентно хранению свинцового аккумулятора в разряженном состоянии. А это ведет к сульфатации и ускоренному старению аккумулятора. Однократная зарядка очень малым током не выведет аккумулятор из строя, но такие зарядки не следует повторять часто.

Н еправильный выбор конечного напряжения зарядки также опасен для аккумулятора. Недостаточное конечное напряжение приведет к недозарядке аккумулятора, и он сделает шаг в сторону сульфатации. А избыточное напряжение зарядки чревато выделением газов из аккумулятора и потерей воды электролитом. Это еще сильнее уменьшает ресурс аккумулятора, чем зарядка аккумулятора пониженным напряжением.

П ри температуре ниже -15&deg C зарядка аккумулятора не рекомендуется, поскольку при низкой температуре перестает работать механизм рекомбинации газов внутри герметичного свинцового аккумулятора, и электролит теряет воду.

5. Как определить, правильно ли проведена зарядка аккумулятора.

В полне достаточно соблюдать необходимые параметры зарядки аккумулятора: ток и напряжение (с учетом температуры), и зарядка аккумулятора будет успешной. В конце зарядки современного герметичного свинцового кислотного аккумулятора не должно быть никаких пузырьков, не допустимо даже небольшое выделение газа. Если вокруг предохранительных клапанов аккумулятора обнаружены следы электролита или белый налет, то аккумулятор заряжался неправильно.

П осле зарядки можно проверить аккумулятор тестером аккумуляторов — емкость аккумулятора после зарядки должна полностью восстановиться.

Использованы материалы с сайтов www.jaycar.com, www.at-systems.ru, www.slt.ru. Графики и цитаты курсивом — www.at-systems.ru. Все остальное (c) klausmobile 2002. Повторение всех конструкций на страх и риск повторяющего.

1. Сначала пряники, кнуты потом…

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA) – наиболее доступные по цене вторичные (перезаряжаемые) источники тока. Доступные, в нынешней экономике, означает, во-первых, наличие в продаже типовых батарей напряжением 6В и 12В, емкостью от одного до тысячи А*ч, во-вторых, то, что за 1 вечнозеленый у.е. можно купить от 1.5 до 6 Вт*ч номинальной емкости. Меньшая цифра соответствует малым батареям, большая – большим.

Что еще в плюсе? Относительно медленный саморазряд (не более 5% емкости в месяц при комнатной температуре), относительная долговечность при условии неглубоких циклов разряда. Отсутствие «памяти» (свойственной никель-кадмиевым аккумуляторам). Допускается постоянный «плавающий» подзаряд в дежурном режиме (именно так работают автомобильные аккумуляторы).

По сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами с жидким электролитом, герметичные аккумуляторы, естественно, выигрывают в эксплуатационной безопасности (нет вредных испарений, допустима работа в любом положении). А еще – герметичная батарея менее критична к условиям заряда, ее сложнее убить неграмотным зарядом. Дело в том, что гелевый электролит подобран так, что батарея никогда не заряжается полностью (с точки зрения химика). Стало быть, выделение газа при перезаряде не происходит, так как перезаряда просто нет. Это не значит, что о контроле режима заряда можно забыть. Нельзя. Об этом далее.

Что в минусе? Во-первых, низкая удельная емкость – 25..35 Вт*ч на килограмм массы, или 60..100 Вт*ч на литр объема. Во-вторых, существенное сокращение жизни батарей при глубоких циклах разряда, а также при систематическом разряде большими токами. В-третьих, существенная зависимость напряжения и внутреннего сопротивления от глубины цикла.

2. О преждевременной старости.

Терминология: в практике принято обозначать интенсивность разряда в виде безразмерных «единиц С». 1С (один-це) численно равен емкости батареи при разряде постоянным током в течении 20 часов. Полный разряд определяется как разряд до 1.8В на банку при комнатной температуре (т.е. до 5.4 и 10.8В для 6В и 12В батарей). Величина 1.8В установилась опытным путем как нижняя граница, при разряде ниже которой током 0.05С начинается необратимое преждевременное старение батареи.

Таким образом, если опытным путем для батареи определено, что для того, чтобы за 20 часов разрядить ее от полностью заряженного состояния (2.1-2.3В на банку) до 1.8В на банку, требуется разрядный ток 150мА, то номинальная емкость батареи устанавливается равной 3.0 А*ч (=0.15А * 20ч).

Интенсивность тока 1С для данной батареи соответствует току разряда 3А, 2С – току разряда 6А и т.п. Если ограничить разряд достижением заданного минимума напряжения, тех же 10.8В – окажется, что реальная емкость на токе 1С сократится примерно вдвое по сравнению с номинальной (cм.график). А вот порог необратимого старения при большой интенсивности разряда (1C и выше), наоборот, существенно снижается – до 8В.

Многократный разряд батареи до напряжений, находящихся ниже штриховой линии приводит к выходу батареи из строя.

Читайте также:  Сообщение_на_тему_стекло

На практике, SLA работают в двух режимах – буферном и циклическом. При буферном режиме работы батарея постоянно подключена к зарядному устройству. Если в электрической сети есть напряжение, то после заряда батарея в течение длительного времени находится под действием конечного напряжения заряда. Слабый ток, протекающий через батареи, компенсирует саморазряд батареи и постоянно поддерживает батарею в полностью заряженном состоянии. В случае отключения напряжения в электрической сети, батарея разряжается на подключенную к ней нагрузку. Буферный режим работы характерен для систем бесперебойного питания постоянного и переменного тока, которые широко применяются для компьютеров, коммуникаций и непрерывных производств. А также — автомобильных аккумуляторов при регулярной эксплуатации машины.

При циклическом режиме работы батарею заряжают, а затем отключают от зарядного устройства. Разряд батареи производится по мере необходимости. Циклический режим работы используется при работе различных переносных или перевозимых устройств: электрических фонарей, средств коммуникаций, измерительных приборов. Производители аккумуляторов обычно указывают в перечне технических характеристик, для какого режима работы предназначен тот или иной аккумулятор.

Стало быть, если Вы решили запитать от батарей накалы в ламповом усилителе, то это циклический режим (как приятно узнать, что всю жизнь говорил прозой…). Но значит ли это, что можно просто разряжать батарею до предельно допустимых лампами 5.7 или 11.4В? На деле, пусть этот режим заведомо безопаснее разряда до «аварийных» 5.4 или 10.8В, он при неверном выборе батареи приведет к достаточно глубоким циклам разряда, и тем самым сократит срок ее службы.

Глубина цикла разряда определяется как отношение реально отданных в нагрузку ампер-часов к ампер-часам, соответствующим разряду до порога необратимого старения. Ампер-часы в знаменателе будут совпадать с номинальной емкостью только для интенсивности разряда 0.05С. На практике, в качестве знаменателя используется именно номинальная емкость (тем более, что и постоянный ток разряда – не более, чем идеальное приближение).

Глубина цикла (если она повторяется от цикла к циклу) определяет срок службы батарей. При 100% глубине циклов срок службы SLA не превысит 200-300 циклов. Справочно, автомобильные аккумуляторы с жидким электролитом редко выдерживают более 20 глубоких циклов. При 30% глубине циклов количество их утраивается. Знаменитая Оптима гарантирует выживание при 100 циклах "в ноль" (у автора такая батарея служит четвертый год, но ни одного глубокого цикла "в ноль" так и не было. ).

3. Пример из жизни

Теперь давайте считать. В каждом канале усилителя –пара ламп 6С4С (6В, 2А). Необходимо обеспечить минимальное время работы между зарядами 8 часов. При этом напряжение не должно опускаться ниже 5.7В (по ТУ лампы), глубина цикла не более 50%. Из последнего требования следует, что емкость батареи – не менее 32А*ч на канал (= 2А * 8ч / 50%) . Интенсивность разряда такой батареи 0.06С (= 32А*ч / 2). Из графика следует, что за 8 часов ее напряжение упадет всего-навсего до 12.0-12.2В. Есть запас! Но только у свежей батареи. Если Вы не забудете ее вовремя заряжать, то примерно через 500 циклов (полтора года ежедневного удовольствия) напряжение за 8 часов будет падать до тех самых 5.7В, если не хуже… Ставьте автоматику на отключение при недостаточном напряжении, обязательно ставьте! Кстати, 32А*ч подозрительно близко к значению емкости автомобильного аккумулятора (50-65 А*ч). Так что для токов 2А и выше необслуживаемый автомобильный аккумулятор – вполне обоснованная (по цене) альтернатива. Вот с экологией и безопасностью у них проблемы. С другой стороны, если большая АКБ не вписывается в конструктив, то можно совершенно без опаски запараллелить несколько меньших батарей (желательно, но не обязательно – одной серии, одного производителя, одного «возраста» с начала эксплуатации).

А может, попробовать буферный (дежурный) режим, чтоб заряжать постоянно, без какой-либо автоматики? Тумблер вверх – батарея разряжается, лампы играют, тумблер вниз – идет заряд, лампы… отключены от батарей! Нормальный режим заряда – заряд постоянным напряжением 2.4-2.5В на банку, на зажимах 6В батареи будет до 7.5В – лампы так недолго протянут (особенно если анодное питание выключено).

При буферном режиме эксплуатации ресурс батареи сильно зависит от температуры. Наиболее благоприятной температурой для батареи считается температура 15-20 градусов Цельсия. Увеличение температуры на 10 градусов уменьшает ресурс батареи вдвое. На рисунке представлена типичная зависимость ресурса от температуры для аккумуляторов с расчетным ресурсом 5 -7 лет. Резюме – не ставьте батареи в одном корпусе вместе с лампами, пентиумами и т.п. горячими объектами. Вы спросите — а как же под капотом в машине. ну, во-первых, автомобильный аккумулятор специально рассчитан на широкий диапазон температур, во-вторых, теплоемкость АКБ настолько велика, что существенно прогреть ее, даже под капотом, непросто.

В упомянутом примере, срок службы накальной батареи при ежедневных 50% циклах – полтора года. А больше можно? В реальных условиях эксплуатации стационарных аккумуляторов нужно учитывать уменьшение ресурса батареи в случае большого числа испытанных ее разрядов. Для 5-летних батарей, реальный ресурс будет не более 3-х лет, если батарея будет испытывать в среднем один 30-процентный разряд в день или один полный разряд в неделю.

4. Поподробнее о заряде

Наилучший режим заряда батареи при небольшой (не выше 75%) глубине разряда – заряд постоянным напряжением. Разные производители дают незначительно различающиеся значения, общеприемлемым является напряжение 2.4В на банку при циклическом заряде (14.4В для 12В батареи). В буферном режиме напряжение может быть меньшим, 2.3В на банку.

При заряде полностью разряженной батареи этот режим приводит к перегрузке по начальному току, поэтому используется комбинированный режим ограничения по току и напряжению. Обычно он называется режимом заряда I-U. Разряженную батарею сначала заряжают постоянным током, численно (в амперах) не превышающим 0.1-0.3 номинальной емкости батареи (в ампер-часах). Например, для батареи емкостью 100 А*час ток заряда не должен превышать 10-30 ампер. По мере заряда батареи напряжение на батарее увеличивается (при постоянном токе). После того, как напряжение на батарее достигнет конечного напряжения заряда, ток заряда начинают уменьшать, сохраняя напряжение неизменным.

Конечное напряжение заряда при температуре 20 градусов Цельсия равно 2.25-2.3 вольта на элемент батареи. Для батареи с номинальным напряжением 12 В (6 элементов) конечное напряжение заряда равно 13.5-13.8 В. Если батарея эксплуатируется при других температурах, то для увеличения ресурса батарей рекомендуется уменьшать конечное напряжение заряда до 2.2-2.25 В/эл при температуре 40 градусов и увеличивать напряжение до 2.35-2.4 В при температуре 0 градусов. Применение такой температурной компенсации зарядного напряжения позволяет увеличить ресурс батареи при 40 градусах Цельсия на 15 %.

Для полного заряда разряженной батареи рекомендуется проводить заряд в течение 24 часов. Если необходим более быстрый (в течение 8-10 часов) заряд батареи в случае циклического режима эксплуатации, конечное напряжение заряда увеличивают до 2.4-2.48 В/эл (при 20 градусах Цельсия) и обязательно ограничивают время заряда в соответствии с остаточным зарядом батареи перед зарядкой.

Зарядное устройство с постоянным напряжением тока зарядаОтносительно большой ток применяется на начальной стадии заряда батареи. Когда напряжение батареи достигнет установленного уровня, зарядное устройство переключается с режима постоянного тока на режим постоянного напряжения. В течение этой фазы величина зарядного тока начинает уменьшаться до уровня минимального зарядного тока, известного как поддерживающий ток.Значения, приведенные в таблице, приняты как стандартные.

Нормативные значения электрических величин для зарядного устройства с постоянным зарядным напряжением

Для буферного режима Для цикличного режима
Напряжение на одном элементе (В)
2,40 — 2,45 Начальный зарядный ток (А) 1/4 С или менее 1/4 С или менее Требуемое время заряда (час.) 24 или более 10 или более Температурный коэффициент -3mВ/ С/элемент -5mВ/ С/элемент Температура окружающей среды ( С) 0 . + 40

Примечания: Для батарей, используемых в цикличном режиме, рекомендуется использовать датчик, позволяющий прервать процесс заряда по достижении предварительно заданной величины напряжения, или таймер.Температурный коэффициент необходимо принимать в расчет, если заряд батареи происходит при температурах ниже +10 С или выше +30 С

Система ускоренного заряда (только для батарей, работающих в цикличном режиме)При ускоренном заряде батареи необходимо использовать устройства, укомплектованные блоком температурной компенсации и термическим предохранителем, позволяющие предотвратить недостаточный заряд батареи при низкой температуре или ее перегрев при высокой температуре окружающей среды

Нормативные значения электрических величин для режима ускоренного заряда батареи приведены в таблице:

Начальное значение зарядного тока (А) 1 — 1,5С
Зарядное напряжение (Вольт/элемент при 20°С) 2,45 — 2,50
Температурный коэффициент -5mВ/ 0 C /элемент
Время заряда (время, необходимое для полного заряда батареи, разряженной на 50%) (часов) 1 — 3
Температура окружающей среды 0 . +30 С

Примечания: На батарее должен быть установлен термостат или термический предохранитель, или необходимо использовать таймер, позволяющий вовремя прекратить процесс заряда. Максимальная величина начального зарядного тока для батарей, емкостью более 10 Ач, должна соответствовать следующему соотношению: I = C максимум

Читайте также:  Маленькие_варочные_панели_для_кухни_газовые

Обратите внимание на последний абзац. Он того стоит. Особенно если много батарей замурованы в плохо вентилируемом ящике – перегрев возможен даже при обычном (не ускоренном) заряде, пусть не катастрофический, но все равно сокращающий жизнь батарей.

5. Простое зарядное устройство (медленный заряд I-U)

Для заряда небольших батарей наиболее удобна типовая схема на ИС семейства LM117, LM 196, LM317 (142ЕН12, 1151ЕН1, 1157ЕН1). Источник — "Микросхемы для линейных источников питания", М, Додэка, 1998, стр.97, 122 и др.).

Порог ограничения тока задается R4 (с учетом допустимого тока и мощности рассеяния микросхемы). На практике, когда источник питания для конкретного типа батарей встраивается непосредственно в аппаратуру — регулировка предельного тока не нужна, можно вообще исключить цепь ограничения тока (Т2), передав эту функцию выходному сопротивлению фильтра источника питания.

При больших токах удобнее использовать дискретные стабилизаторы с проходными N-МДП или составными NPN транзисторами, управляемые интегральным стабилизатором. Неудобство МДП — относительно высокое пороговое напряжение — в маломощных ЗУ решается повышением напряжения основного (единственного) источника питания, в мощных (см. рисунок) — удвоителем напряжения.

Номиналы делителей стабилизатора напряжения (IC1) указаны для 6В батарей, номиналы емкостей фильтра и резисторов стабилизатора тока (Т2) — для зарядных токов не более 2.5А, что достаточно для батарей емкостью до 10-15 А*ч. Трансформатор на выходное напряжение 9В хх, ток 5А. Переключаемые шунты в цепи база-эмиттер Т2 задают предельный ток заряда. Диод D11 — диод Шоттки на ток не менее 10А — защищает от переполюсовки батарей. Настройка сводится к заданию напряжения стабилизации на эквиваленте нагрузки 10 Ом (R6) и подбору шунтов R5.

6. Источник отрицательного напряжения в автомобиле

Для питания кроссоверов и т.п. устройств на ОУ с непосредственной связью можно поставить простой импульсный источник отрицательного напряжения. А лучше — батарею. Намного лучше! Вот только батарея эта должна быть не на 12, а на 6 Вольт. Поясню. Скорее всего, батарея эта будет отдавать ток практически всегда, когда работает двигатель. А заряжаться сможет только на стоянке. Но зарядить 12В свинцовую батарею от другой 12В батареи — невозможно. Это даже не буферный режим, а голодовка. Нужен генератор, выдающий 14В, но где же его взять, на стоянке.

Для питания кроссовера с током потребления 20мА достаточно батарейки на 6В, 1.2Ач (размером чуть более пачки сигарет). Режим заряда I-U (200мА, 7.2 В). При выключенном сигнале REMOTE батарея постоянно заряжается от бортсети (минус на землю, плюс на выход стабилизатора — состояние оптронов как показано на схеме). При включении сигнала REMOTE батарея коммутируется плюсом на землю, минусом на нагрузку (шину питания ОУ). Ток заряда ограничен резистором R3 на уровне 75 мА. Полностью заряженная батарея Fiamm 10121 в таком режиме отнимает у бортсети примерно 15мА при комнатной температуре. Цепочка R7-T1 блокирует разряд батареи на делитель R5-R6 при отключении от бортсети (предполагается, конечно, что REM IN при этом снят и нагрузка от батареи отключена). Потребляемый ток по шине REMOTE 20mA. Таймер D1-C1-R1-IC1-IC2-FU1 задерживает на 2 секунды передачу сигнала REM IN на выход. Резистор R0 нужен только для разряда емкости таймера, в практических схемах его можно исключить или заменить на индикаторную цепь со светодиодом. Диоды D1-3 — любые на постоянный ток 1А.

Оптроны КР293КП9А, КР293КП3А можно заменить любыми МДП оптронами на ток не менее 200мА (293КП с литерой А). При коммутации батареи оптроном КР293КП9А с "противофазными" ключами в одном корпусе сквозного тока при коммутации я не наблюдал, при замене на другие оптроны — следует убедиться, что его нет. Предохранители FU1, FU2 — самовосстанавливающиеся на ток срабатывания 200мА. В фильтре питания на выходе источника -6В следует ограничиться минимальной емкостью, чтобы не перегрузить оптроны при коммутации они, кстати, добавляют 10 Ом к выходному сопротивлению батареи). 293 серия не для амперных токов! Это для "взрослых" реле. Это тема следующего проекта — ЦАП с полностью батарейным питанием. но об этом еще рано.

Свинцо́во-кисло́тный аккумуля́тор — тип аккумуляторов, получивший широкое распространение ввиду умеренной цены, неплохого ресурса (от 500 циклов и более), высокой удельной мощности. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии. Строго говоря, аккумулятором называется один элемент аккумуляторной батареи, но в просторечии «аккумулятором» называют аккумуляторную батарею (сколько бы в ней ни было элементов).

Содержание

История [ править | править код ]

Свинцовый аккумулятор изобрёл в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра Беккереля [2] . В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, предложив покрывать пластины аккумулятора свинцовым суриком. Русский изобретатель Бенардос применил покрытие губчатым свинцом для увеличения мощности батарей, которые использовал в своих работах со сваркой.

Принцип действия [ править | править код ]

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца (в классическом варианте аккумулятора). Проведённые в СССР исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум

60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита [3] .

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде [3] [4] и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца, начинается электролиз воды, при этом на аноде (положительный электрод) выделяется кислород, а на катоде — водород.

Электрохимические реакции (слева направо — при разряде, справа налево — при заряде):

  • Реакции на катоде:

P b O 2 + S O 4 2 − + 4 H + + 2 e − ⇆ P b S O 4 + 2 H 2 O <displaystyle PbO_<2>+SO_<4>^<2->+4H^<+>+2e^<->leftrightarrows PbSO_<4>+2H_<2>O>

  • Реакции на аноде:

P b + S O 4 2 − − 2 e − ⇆ P b S O 4 <displaystyle Pb+SO_<4>^<2->-2e^<->leftrightarrows PbSO_<4>>

При разряде аккумулятора из электролита расходуется серная кислота и выделяется относительно более лёгкая вода, плотность электролита падает. При заряде происходит обратный процесс. В конце заряда, когда количество сульфата свинца на электродах снижается ниже некоторого критического значения, начинает преобладать процесс электролиза воды. Газообразные водород и кислород выделяются из электролита в виде пузырьков — так называемое «кипение» при перезаряде. Это нежелательное явление, при заряде его следует по возможности избегать, так как при этом вода необратимо расходуется, нарастает плотность электролита и есть риск взрыва образующихся газов. Поэтому большинство зарядных устройств снижает зарядный ток при повышении напряжения аккумулятора. Потери воды восполняют доливкой в аккумуляторы дистиллированной воды при обслуживании аккумуляторной батареи (некоторые автомобильные батареи не имеют открывающихся/отвинчивающихся пробок) [5] .

Устройство [ править | править код ]

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток запрессованы порошки диоксида свинца (PbO2) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах. Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит — твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при массовой доле кислоты 35% [6] , что соответствует плотности электролита 1,26 г/см³ [7] . Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако, на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29−1,31 г/см³, это связано с тем, что при снижении концентрации из-за разряда электролит может замёрзнуть, а при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора и повреждает губчатый материал пластин.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют пластинами из переплетённых нитей углеродного волокна, покрытых тонкой свинцовой плёнкой. При этом используется меньшее количество свинца, распределённого по большой площади, что позволяет изготовить аккумулятор не только компактным и лёгким, при прочих равных параметрах, но и значительно более эффективным — помимо большего КПД, заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов [8] .

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2Si2O4) до пастообразного состояния. Это так называемые гелевые аккумуляторы (GEL), имеющие длительный ресурс. Другой вариант исполнения − с пористыми сепараторами из стеклоткани (AGM), допускающими более жёсткие режимы заряда [9] .

Электрические и эксплуатационные параметры [ править | править код ]

  • Удельная предельная теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
  • Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 25—40 [10] .
  • Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250 [11] .
  • ЭДС одного заряжённого аккумулятора = 2,11—2,17 В, рабочее напряжение 2,1 В (3 или 6 аккумуляторов в итоге дают в батарее стандартные 6,3 В или 12,6 В соответственно) [3] .
  • Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75—1,8 В. Ниже разряжать их нельзя [3] .
  • Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
  • КПД: порядка 80—90 % (по току). КПД по энергии 70-80% [10] .
Читайте также:  Провод_для_теплых_полов_характеристики

Применение [ править | править код ]

Чаще всего свинцово-кислотные аккумуляторы применяются в составе аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 6, 12 вольт, реже с другим кратным 2 напряжением. Промышленностью выпускаются варианты обслуживаемых (заливание электролита, дистиллированной воды, контроль плотности электролита, его замена) и не обслуживаемых в герметичном корпусе (исключается проливание электролита при изменений положения, переворачиваний) аккумуляторных батарей. Обслуживаемые аккумуляторные батареи могут выпускаться сухозаряженными (без залитого электролита), что увеличивает их срок хранения и не требует периодического обслуживания при хранении, заливка производится перед вводом в эксплуатацию [12] .

Герметичная не обслуживаемая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея напряжением 12 В и ёмкостью 4,5 А·ч бытовой электротехники

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи напряжением 8 В и ёмкостью 3,5 А·ч ИБП

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея напряжением 12 В и ёмкостью 7 А·ч и бытовой источник бесперебойного электропитания в котором он применяется

Вариант обслуживаемой свинцово-кислотной аккумуляторной батареи для автомототракторной техники в эбонитовом корпусе, в подобных батареях была даже возможность заменить отдельный вышедший из строя аккумулятор

Вариант не обслуживаемой свинцово-кислотной аккумуляторной батареи для автомототракторной техники, нет доступа к заливным горловинам банок аккумуляторов

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи электромобиля tZero

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи подводной лодки

Эксплуатационные характеристики [ править | править код ]

  • Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной ёмкости, выраженной в А·ч) [13] .
  • Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев измеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются (главным образом, допускаемым конечным напряжением) поэтому дают различные результаты [14] .
  • Резервная ёмкость (для автомобильных аккумуляторов) — характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25 А до конечного напряжения 10,5 В согласно ГОСТ Р 53165-2008 [15] .

Эксплуатация [ править | править код ]

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми пробками на банках) на автомобиле при движении по неровной дороге неизбежно происходит просачивание электролита из-под пробок на корпус аккумулятора. Через электропроводную не высыхающую, из-за гигроскопичности, плёнку электролита происходит постепенный саморазряд аккумулятора. Во избежание глубокого саморазряда необходимо периодически нейтрализовать электролит протиранием корпуса аккумулятора, например, слабым раствором пищевой соды или разведённым в воде до консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита; также количество воды в электролите уменьшается при перезаряде аккумулятора за счёт её электролиза. Потеря воды увеличивает плотность электролита, увеличивая напряжение на аккумуляторе. При существенной потере воды могут оголиться пластины, что одновременно увеличивает саморазряд и вызывает сульфатацию батареи. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и при необходимости доливать дистиллированную воду.

Эти меры вместе с проверкой автомобиля на паразитную утечку тока в его электрооборудовании и периодической подзарядкой аккумулятора могут существенно продлить срок эксплуатации аккумуляторной батареи.

Работа свинцово-кислотного аккумулятора при низких температурах [ править | править код ]

По мере снижения окружающей температуры параметры аккумулятора ухудшаются, однако, в отличие от прочих типов аккумуляторов, у свинцово-кислотных аккумуляторов это снижение относительно мало, что и обуславливает их широкое применение на транспорте. Эмпирически считается, что свинцово-кислотный аккумулятор теряет

1 % отдаваемой ёмкости при снижении температуры на каждый градус от +20 °C. То есть, при температуре −30 °C свинцово-кислотный аккумулятор покажет примерно 50 % ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, снижением скорости химических реакций (закон Аррениуса). Единственным способом повышения отдаваемой ёмкости является подогрев холодной батареи, как вариант — встроенным подогревателем (6СТ-190ТР-Н).

Разряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1,10 г/см 3 ) и образования кристаллов льда, что приводит к необратимому повреждению свинцовых пластин внутри аккумулятора.

Низкие температуры электролита негативно влияют на работоспособность и зарядно-разрядные характеристики аккумулятора [16] :

  • при температуре от 0 °C до −10 °C снижение зарядных и разрядных характеристик несущественно влияют на работоспособность аккумулятора;
  • при температуре от −10 °C до −20 °C происходит снижение тока в стартерном режиме и ухудшение заряда;
  • при температуре ниже −20 °C аккумуляторные батареи не обеспечивают надежного пуска двигателя и не способны принимать заряд от генератора.

Из-за большего внутреннего сопротивления, присущего современным аккумуляторам закрытого типа (т. н. «необслуживаемым», герметичным, герметизированным) при низких температурах по сравнению с обычными аккумуляторами (открытого типа), для них эти вопросы ещё более актуальны [17] .

Для эксплуатации транспортных средств при очень низких температурах предназначены конструкции аккумулятора с внутренним электроподогревом [18] .

Хранение [ править | править код ]

Свинцово-кислотные аккумуляторы следует хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C подзаряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,45 В/элемент 1 раз в год в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/элемент в течение 6—12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи, солей и плёнки электролита на поверхности корпуса аккумулятора создаёт проводник для тока между электродами и приводит к саморазряду аккумулятора, при глубоком разряде начинается сульфатация пластин с образованием более плотного сульфида который меньше и труднее потом вступает в реакцию , чем сульфид образующиеся при нормальном рабочем разряде, что и является причиной потери ёмкости. Поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.

При подготовке аккумуляторной батареи к зимнему хранению, что актуально для автомобилей не эксплуатируемых в холодное время года специалисты старейшей лаборатории НИИАЭ рекомендуют следующие действия:

1. Правильно и до конца зарядите аккумуляторную батарею. 2. Нанесите на положительный вывод АКБ пластичную смазку (допускается только технический вазилин т.к. имеет нетральную кислотность, и не в коем случее не использовать литол, солидол и т. п. т.к. они имеют небольшую кислотность и со временем такие смазки попросту разъедают выводные клеммы АКБ), так как плёнка электролита способна абсорбировать влагу из атмосферы, что может приводить к повышенному саморазряду. 3. Хранить аккумуляторы на холоде, так как при низких температурах саморазряд намного ниже. Электролит полностью заряженного аккумулятора начинает замерзать при температуре ниже −55 С.

В случае необходимости поездки в морозы следует перенести аккумулятор в отапливаемое помещение и в течение 7—9 часов (например, за ночь) он придёт в пригодное для пуска двигателя состояние.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов [ править | править код ]

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи [19] .

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

  • сульфатация пластин [3] , заключающаяся в образовании крупных кристаллов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
  • коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения материала электродов в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
  • слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с электродными решётками, что приводит к опаданию активной массы [3][20] ;
  • оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности [3] .

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, в домашних условиях восстановить нельзя, в литературе описаны химические растворы и прочие способы, позволяющие «десульфатировать» пластины. Простой, но чреватый полным отказом аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния [3] . Раствор сульфата магния заливается в секции, после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно банок, это может привести к замыканию элемента, поэтому обработанные банки желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства.

Вторичная переработка [ править | править код ]

Вторичная переработка для этого вида аккумуляторов играет важную роль, так как свинец, содержащийся в аккумуляторах, является токсичным тяжёлым металлом и наносит серьёзный вред при попадании в окружающую среду. Свинец и его соли должны быть переработаны для возможности его вторичного использования.

Свинец из изношенных аккумуляторов используется для кустарной переплавки, например, при изготовлении грузил рыболовных снастей, охотничьей дроби или гирь. Кустарное извлечение свинца из аккумуляторов серьезно вредит как окружающей среде, так и здоровью плавильщиков, поскольку свинец и его соединения с парами и дымом разносятся по всей округе [21] [22] .

Ссылка на основную публикацию
Как_правильно_варить_яблочный_компот
Содержание Яблочный компот – вкусный напиток, сохраняющий всю пользу свежих плодов. Его варят, чтоб сразу пить и чтобы закрывать на...
Как_построить_штаб_на_дереве
Содержание Приближается пора летних каникул и возникает вполне закономерный вопрос — чем занять своих детей. Зная тягу большинства из них...
Как_постряпать_оладьи_на_воде
Оладьи на воде – весьма вкусное лакомство, не смотря на то, что почему-то принято считать, что выпечка на воде менее...
Как_правильно_вскопать_землю
Лишь с первого взгляда кажется, что копать лопатой – процесс довольно простой, но, правда, небыстрый. Но на самом деле это...
Adblock detector