Как устроена свинцово-кислотная батарея?

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям

Опубликовано 22.03.2016 11:11

Автор: Abramova Olesya

• 1. Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы
• 2. Стартерные аккумуляторы
• 3. Аккумуляторы глубокого разряда

Изобретенная французским физиком Гастоном Планте в далеком 1859 году, свинцово-кислотная батарея стала первым коммерчески используемым аккумулятором. Несмотря на преклонный возраст, эта электрохимическая система широко используется и сегодня. И для этой популярности есть веские причины - надежность и стоимость поставляемого электричества. Другие типы аккумуляторов не могут обеспечить подобную дешевизну, так что это делает свинцово-кислотный источник питания рентабельным для использования в автомобилях, гольф-карах, автопогрузчиках, водном транспорте и в качестве источника бесперебойного питания.

Решеточная структура свинцово-кислотного аккумулятора выполнена из свинцового сплава. Чистый свинец слишком мягкий и не может сам себя поддерживать, поэтому в него добавляют небольшие количества других металлов для придания механической прочности и для улучшения электрических свойств. Наиболее распространенными добавками являются сурьма, кальций, олово и селен. Такие аккумуляторы иногда называют “свинцово-сурьмянистыми”, “свинцово-кальциевыми”, в зависимости от сплава.

---

Аккумуляторы EverExceed

 

Standard Range AGM	Deep Cycle Range AGM	Gellyte Range GEL
10 - 12 лет / 600 циклов	10 - 12 лет / 700 циклов	10 - 12 лет / 750 циклов
универсальная серия AGM	для глубоких разрядов AGM	универсальная серия GEL

---

Добавление сурьмы и олова улучшает переносимость глубоких разрядов и добавляет способность выдерживать более сильные циклические нагрузки, но вместе с этим увеличивается потребление воды в электролите, но также появляется необходиомсть в уравнительном заряде. Использование кальция уменьшает саморазряд, но имеет недостаток в виде окисления положительной свинцово-кальциевой пластины при глубоком разряде или перезаряде. В современных свинцово-кислотных батареях также применяются такие легирующие примеси как селен, кадмий, олово и мышьяк.

Свинцово-кислотные аккумуляторы тяжелее и менее долговечны при систематических глубоких разрядах, чем батареи на основе никеля или лития. Полный разряд вызывает деформацию и каждый цикл разряда/заряда лишает батарею небольшого количества емкости. Эта потеря невелика, и батарея остается в хорошем рабочем состоянии долгое время, но при падении уровня емкости до половины номинального значения, скорость деградации увеличивается. Стоит сказать, что такой износ в той или иной мере присущ всем типам аккумуляторов.

В зависимости от глубины разряда, свинцово-кислотные батареи обеспечивают от 200 до 300 циклов заряда/разряда. Основными причинами такого относительно небольшого количества циклов является коррозия положительного электрода, истощение активного вещества и расширение положительных пластин. Эти процессы приводят к старению батареи и ускоряются при повышенных рабочих температурах и при высоких разрядных токах. (Смотрите также: Как продлить жизнь свинцово-кислотному аккумулятору).

Процесс зарядки свинцово-кислотного аккумулятора достаточно прост, необходимо лишь соблюдать правильные пределы напряжений. Пониженное напряжение более бережно к аккумулятору, но требует больше времени и может вызывать сульфатацию на отрицательной пластине. Повышенное же повышает эффективность зарядки, но приводит к коррозии решетки отрицательной пластины. В то время как сульфатация обратима при правильном обслуживании, коррозия – это необратимый процесс. (Смотрите также: Как правильно заряжать свинцово-кислотный аккумулятор).

---

Аккумуляторы EverExceed GEL

 

Marin GEL Range	Deep Cycle GEL Range	Solar GEL Range
10 - 12 лет / 800 циклов	10 - 12 лет / 800 циклов	10 - 12 лет / 800 циклов
для электромоторов лодок и катеров	для глубоких циклических разрядов	для солнечных электростанций

---

Для большинства свинцово-кислотных аккумуляторов время зарядки составляет порядка 14-16 часов. Хранить аккумуляторы всегда необходимо только в заряженном состоянии, так как при низком уровне заряде могут происходить процессы сульфатации, которые негативно влияют на производительность аккумулятора. Сульфатации можно противостоять добавляя углерод в состав анода, но это снижает удельную энергоемкость батареи.(Смотрите также: Новые свинцово-кислотные электрохимические системы).

Несмотря на умеренную продолжительность жизни свинцово-кислотных батарей, они лишены такого присущего батареям на основе никеля недостатка как “эффект памяти”, и имеют лучшие показатели хранения энергии среди всех аккумуляторных батарей. В то время как никель-кадмиевый аккумулятор теряет около 40 процентов запасенной энергии в течение трех месяцев, свинцово-кислотному для такого же саморазряда требуется один год. Свинцово-кислотные батареи хорошо работают при низких температурах и превосходят литий-ионные при минусовых ее значениях.

1. Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы

Первые герметичные, или необслуживаемые, свинцово-кислотные батареи были разработаны в середине 1970-х годов. Инженеры утверждают, что термин “герметичный” в этом случае используется некорректно, так как свинцово-кислотная батарея технически не может быть полностью герметичной. При зарядке большим напряжением или при подключении нагрузки, которая потребляет высокие показатели силы тока, в свинцово-кислотном аккумуляторе происходит выработка газов, что приводит к повышению давления внутри корпуса батареи. И для решения данной проблемы в конструкцию “герметичной” батареи добавляют клапан, который способен самостоятельно нормализировать давление. Также существует конструктивное решение, похожее на применяемое в батареях на основе никеля и лития. Оно заключаются в замене жидкого электролита на влажный сепаратор, пропитанный этим самым электролитом. Это позволяет эксплуатировать аккумулятор в любом положении без риска утечки электролита.

Герметичный аккумулятор содержит в себе гораздо меньшее количество электролита, чем затопленный. Возможно, наиболее значительным преимуществом герметичного свинцово-кислотного аккумулятора является способность к рекомбинации кислорода и водорода обратно в воду, что и позволяет ему быть необслуживаемым, то есть не зависеть от добавления воды в электролит извне. Рекомбинация происходит при умеренном давлении в 0,14 бар (2 кПа), а клапан выполняет предохранительную функцию при излишнем повышении давления. При этом следует избегать чрезмерного удаления воздуха из батареи, так как это в конечном итоге приводит к обезвоживанию электролита.

Существует несколько видов герметичных свинцово-кислотных батарей, и наиболее распространенными среди них являются гелевые, также известные как свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном (Valve Regulated Lead Acid Battery или сокращенно VRLA) и батареи с технологией AGM (Absorbent Glass Mat), которая использует в качестве сепаратора пористый сорбент из стекловолокна, который впитывает жидкий электролит. Гелевые же аккумуляторы называются так из-за пастообразной консистенции используемого электролита. Герметичные аккумуляторы емкостью менее 30 ампер-часов часто называют SLA (от английского Sealed Lead Acid). Доступная цена, надежный сервис и низкие эксплуатационные расходы позволяют SLA батареям быть лучшим решением для небольших ИБП, обеспечения аварийного освещения или для использования в медицинском оборудовании. Более крупноразмерные VRLA батарее используются в качестве резервных источников питания для вышек мобильной связи, дата-центров, банков, аэропортов и т. д.

---

Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)

 

Flooded 6V	Flooded 8V	Flooded 12V
10 - 12 лет / 600 циклов	10 - 12 лет / 600 циклов	10 - 12 лет / 600 циклов
для тяжелых условий работы с электромотрами в составе лодок, погрузчиков, подъемников, поломоечных машин и т.д.

---

AGM технология подразумевает использование абсорбированного электролита в специально разработанном сепараторе. Это дает ряд преимуществ свинцово-кислотной электрохимической системе, в их числе – более быстрая зарядка и мгновенное обеспечение большой силой тока мощной нагрузки. AGM-технология наиболее практична для использования в аккумуляторах средней емкости, от 30 до 100 ампер-часов. AGM батареи чаще всего применяются в качестве стартерных аккумуляторов для мотоциклов, для функционирования системы “старт-стоп” в гибридных автомобилях, как источник питания в трейлерах и т. д.

В течение жизни емкость AGM аккумулятора постепенно уменьшается, гелевый же имеет куполообразную кривую производительности - то есть его емкость с течением времени стабильна, но к концу жизни резко падает. AGM аккумулятор дороже обычного затопленного, но дешевле гелевого (использование гелевого аккумулятора для системы “старт-стоп” в автомобилях непрактично из-за его стоимости.)

В отличие от затопленного свинцово-кислотного аккумулятора, герметичный разработан с более низким потенциалом перенапряжения для предотвращения газообразования при зарядке. Если допустить перезарядку, газообразование все же происходит и приводит к обезвоживанию аккумулятора. Следовательно, гелевые, а отчасти и AGM аккумуляторы, не могут быть заряжены до полного потенциала, и их предел напряжения должен быть установлен меньшим, чем у затопленного. Это также относится и к режиму подзарядки. С точки зрения процесса зарядки, гелевые и AGM аккумуляторы не являются прямой заменой затопленным. Если же приходится использовать обычное зарядное устройство для AGM аккумулятора с более низким пределом напряжения, необходимо отсоединить его после 2-4 часов зарядки. Это предотвратит газообразование вследствие более высокого значения напряжения подзарядки. (Смотрите: Как правильно заряжать свинцово-кислотный аккумулятор).

Оптимальная рабочая температура для VRLA батареи составляет 25°С; повышение температуры всего на 8°С сокращает срок службы аккумулятора в два раза. (Смотрите: Влияние температуры и нагрузки на срок службы аккумулятора). Свинцово-кислотные батареи рассчитаны на 5-ти часовой (0,2С) или 20-ти часовой (0,05С) цикл разряда. Именно при медленном разряде показатели мощности самые эффективные. Тем не менее, они отлично справляются и с высокими импульсными токами на протяжении нескольких секунд. Именно поэтому они используются для запуска стартера двигателя внутреннего сгорания. Но с точки зрения утилизации, наличие в составе свинца и серной кислоты делает эти аккумуляторы довольно неэкологичными.

Свинцово-кислотные аккумуляторы обычно разделяют на три подвида: автомобильные (стартерные или SLI), движущей энергии (тяговые или глубокого разряда) и стационарные (ИБП).

---

Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)

 

Trojan Marine RV	AGM Deep Cycle	Trojan GEL Deep Cycle
10 - 12 лет / 700 циклов	10 - 12 лет / 600 циклов	10 - 12 лет / 800 циклов
для речного и морского траспорта	для электромоторов, солнечных электростанций, высоких нагрузок

---

2. Стартерные аккумуляторы

Стартерные аккумуляторы предназначены для запуска двигателя внутреннего сгорания и способны выдерживать очень мощную нагрузку в течение секунды или около того. Относительно своих размеров, стартерный аккумулятор способен генерировать большие показатели силы тока, но следует внимательно контролировать степень заряда такого аккумулятора, так как глубокий разряд для него крайне вреден. Стартерные аккумуляторы оцениваются по номинальной или резервной емкости (reserve capacity или RC), для указания способности аккумулировать энергию, а также по пусковому току или току холодной прокрутки (cold cranking amps или CCA), указывающему на максимальное значение силы тока, которое способен отдавать аккумулятор при холодной температуре. Международный стандарт SAE J537 регламентирует 30-ти секундную работу аккумулятора при -18°С до снижения напряжения на клеммах до 7,2 вольта. Резервная емкость указывает на время работы аккумулятора при токе разряда 25 ампер без подзарядки генератором. (Смотрите: Как измерить пусковой ток).

У стартерных аккумуляторов очень низкое внутреннее сопротивление, что достигается путем добавления дополнительных пластин для обеспечения максимальной площади поверхности (см. рисунок 1). Эти пластины очень тонкие и делаются из губчатого свинца, который имеет пенообразную структуру, что позволяет еще более увеличить площадь. Для стартерных аккумуляторов толщина пластины не так важна как для аккумуляторов глубокого разряда, так как стартерный предназначен для работы в режиме подзарядки и его разряд, как правило, неглубокий; акцент делается на мощности, а не на емкости.

Рисунок 1: Стартерный аккумулятор

Стартерный аккумулятор состоит из множества тонких пластин для достижения низкого внутреннего сопротивления с помощью большой площади поверхности. Стартерные аккумуляторы не предназначены для глубокого разряда.

3. Аккумуляторы глубокого разряда

Аккумуляторы глубоко разряда разработаны, чтобы обеспечивать непрерывное питание инвалидных колясок, гольф-каров, погрузчиков и т. д. Данные аккумуляторы оптимизированы под максимальную емкость и достаточно большое количество циклов заряда/разряда. Это достигается путем увеличения толщины свинцовых пластин (см. рисунок 2). Хотя эти аккумуляторы и предназначены для циклического режима работы, полный разряд вреден для них и число возможных циклов зависит от глубины разряда. Аккумуляторы глубокого разряда оцениваются по емкости в ампер-часах или по времени работы при определенной силе тока (обычно это 5-и или 20-и часовой показатель разряда).

Рисунок 2: Аккумулятор глубокого разряда

Аккумуляторы глубокого разряда оборудованы толстыми свинцовыми пластинами для улучшения характеристик. Как правило, их срок службы составляет до 300 циклов разряд/заряд.

Стартерный аккумулятор не может быть заменен аккумулятором глубокого разряда или наоборот. Неплохая на первый взгляд идея заменить аккумулятор глубокого разряда в инвалидном кресле на более дешевый стартерный приведет к порче последнего в следствие быстрой деградации тонких пластин.

Существуют и комбинированные стартерно/глубокоразрядные аккумуляторы, разработанные для грузовых автомобилей, автобусов, спецтранспорта и военной техники, но конструктивно они очень большие и тяжелые. Чем тяжелее аккумулятор, тем больше свинца он содержит и, соответственно, аккумулирует больше энергии. В таблице 3 сравнивается срок службы стартерных аккумуляторов и аккумуляторов глубокого разряда при различных величинах разряда.

Таблица 3: Производительность стартерных аккумуляторов и аккумуляторов глубокого разряда. Глубина разряда в 100% подразумевает полный разряд, 50% - разряд половины емкости, а 30% - легкий разряд с сохранением 70% номинальной емкости.

Свинец является токсичным материалом, и экологами принимаются усилия для замены свинцово-кислотной электрохимической системы альтернативной. В случае с никель-кадмиевыми батареями подобная инициатива привела к запрету их использования в потребительских устройствах. В качестве возможных вариантов замены рассматриваются никель-металл-гидридные и литий-ионные батареи, но у них слишком высокая стоимость и плохие низкотемпературные характеристики. При соблюдении правил утилизации показатель рециркуляции свинца составляет 99%, что не представляет большой опасности для окружающей среды, и этот факт оставляет свинцово-кислотную электрохимическую систему оптимальным решением и с точки зрения экологии.

В таблице 4 перечислены преимущества и недостатки наиболее распространенных свинцово-кислотных аккумуляторов. Новейшие экспериментальные модели этой электрохимической системы в таблицу не включены. (Смотрите: Новые свинцово-кислотные электрохимические системы).

Таблица 4: Преимущества и недостатки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Последнее обновление 2016-02-16

---

Контроль и защита аккумуляторов

 

Батарейный монитор	Защита от глубокого разряда	Батарейный балансир
контроль более 25 параметров, история и синхронизация	защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки	для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения

---