Нюансы эксплуатации нового аккумулятора и использование обслуживающего заряда



Во многих отношениях можно провести параллель между поведением аккумуляторной батареи и человеческого организма. Приложенное к аккумулятору заботливое отношение, как и в случае со здоровьем человека, вернется сторицей в виде сохранения номинальных эксплуатационных характеристик и полного срока службы. Но в данном случае бывают и исключения, и, казалось бы, адекватное обслуживание не всегда приведет к ожидаемым выгодам.

Чтобы стать хорошим хозяином, вы должны понимать основные потребности аккумуляторной батареи, а это подразумевает наличие определенных знаний, которым в школе не учат. Этот раздел посвящен описанию корректной эксплуатации новых аккумуляторных батарей, нюансам их зарядных процессов и правильным действиям при необходимости длительного хранения. Также в этом разделе раскрываются моменты правильной воздушной транспортировки и нюансы утилизации.


Аккумуляторы EverExceed

 

Standard Range AGM Deep Cycle Range AGM Gellyte Range GEL
свинцово-кислотные аккумуляторы аккумуляторы для газового котла гелевые аккумуляторы 12 вольт 100 ач и 200 ач 
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

Но как и невозможно предсказать продолжительность жизни человека при его рождении, так и нет стопроцентной методики определения точного срока службы аккумуляторной батареи. Некоторые аккумуляторы служат очень долго, а некоторые перестают функционировать еще будучи относительно новыми. Неправильная зарядка, жесткие разрядные нагрузки и тепловое воздействие являются злейшими врагами аккумуляторных батарей. Хотя и существуют способы и методы защиты аккумуляторов, достижение идеальных условий не всегда возможно. В этой главе описывается, как извлечь максимум из наших аккумуляторных батарей.

1. Как правильно заряжать новую аккумуляторную батарею

Не все новые аккумуляторные батареи имеют емкость, равную номинальной, и требует определенного предварительного обслуживания - форматирования. Несмотря на то, что данная особенность свойственна большинству электрохимических систем, производители литий-ионных аккумуляторов утверждают, что эта система лишена необходимости особого предварительного зарядного режима - “тренировки”, и готова к полноценному использованию уже сразу. Хотя данное утверждение и не лишено правды, у литий-ионных аккумуляторов все же отмечается некоторый прирост емкости после долгого хранения.

По сути, можно выделить два метода предварительного обслуживания аккумулятора - форматирование и “тренировку”. Оба этих метода направлены на улучшение неоптимизированной начальной емкости путем приложения циклических зарядных и разрядных процессов. Форматирование как бы завершает процесс производства путем окончательного формирования внутреннего устройства аккумуляторной батареи, что происходит естественным образом во время циклического режима работы. Типичным примером могут служить аккумуляторы на основе свинца или никеля, которые улучшают свои характеристики вплоть до момента полного форматирования. С другой стороны, “тренировка” аккумулятора является обслуживающим режимом, призванным улучшить производительность уже во время эксплуатации или после длительного хранения. “Тренировка” главным образом применяется к аккумуляторам на основе никеля.

2. Свинцово-кислотная электрохимическая система

Форматирование свинцово-кислотного аккумулятора происходит путем применения зарядки с последующей разрядкой и перезарядкой. Этот процесс инициируется на заводе-изготовителе и завершается уже у конечного потребителя как часть обыкновенной эксплуатации. Специалисты советуют не подвергать новый аккумулятор высоким нагрузкам, рекомендуется использование умеренного разряда с постепенным его увеличением, - можно провести аналогию со спортсменом, которому изначально необходима разминка, чтобы в дальнейшем взять большой вес или преодолеть большую дистанцию. Но такой совет не применим к стартерным аккумуляторам, которые используются в автомобилях или к другим аккумуляторам со специфическими условиями эксплуатации. Свинцово-кислотный аккумулятор обычно достигает своего полного значения емкости после 50-100 циклов. На рисунке 1 показана продолжительность жизни аккумуляторной батареи свинцово-кислотной электрохимической системы.

Продолжительность жизни свинцово-кислотного аккумулятора

Рисунок 1: Продолжительность жизни свинцово-кислотного аккумулятора.

Новый свинцово-кислотный аккумулятор может быть не полностью отформатирован и достигнет полной своей производительности только после примерно 50 или больше циклов. Сам процесс форматирования происходит непосредственно во время эксплуатации, но его принудительное инициирование не рекомендуется, так как это приведет к не нужному нам износу аккумулятора.


Аккумуляторы EverExceed GEL

 

Marin GEL Range Deep Cycle GEL Range Solar GEL Range
аккумулятор для электромотора аккумуляторы глубокого разряда аккумуляторы для солнечных батарей
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

Новые глубоко разрядные аккумуляторы имеют порядка 85% процентов от номинальной емкости, и достигают своих 100% или около того только после полного завершения процесса форматирования. Но иногда попадаются экземпляры, стартовую емкость которых специальный аккумуляторный анализатор определяет на уровне около 65% или даже ниже. Соответственно возникает вопрос, восстановятся ли емкость данных образцов до необходимого уровня после форматирования? К сожалению, опыт показывает, что прирост емкости будет весьма ограничен и такие аккумуляторы, как правило, выходят из строя раньше других.

Основным назначением стартерного аккумулятора [BU-201] является обеспечение высоких токов нагрузки для запуска двигателя, и данное требование присутствует уже и на старте эксплуатации, не делая скидок для необходимых аккумулятору процессов форматирования или “тренировки”. Но к счастью автомобилистов, стартерный аккумулятор способен выдать необходимые разрядные токи на уровне емкости вплоть до 30%. Однако падение емкости ниже может поставить владельца автомобиля в довольно затруднительное положение. (Смотрите также BU-904: Как измерить емкость электрической батареи).

3. Электрохимические системы на основе никеля

Производители рекомендуют применять подзарядку к новым или взятым после длительного хранения аккумуляторам на основе никеля в течение 16-24 часов. Это позволяет элементам аккумулятора произвести калибровку относительно друг друга, и соответственно, привести уровень заряда к одинаковому значению. Медленный заряд также способствует перераспределению электролита и устранению сухих пятен на сепараторе.

Аккумуляторные батареи на основе никеля не всегда полностью отформатированы при выходе с завода. Применение нескольких циклов заряда/разряда при нормальной эксплуатации или с помощью аккумуляторного анализатора помогает завершить этот процесс. Количество циклов, необходимое для достижения полной мощности, бывает разным и зависит от производителя элементов. Качественно сделанные элементы достигают номинальных значений уже после 5-7 циклов, в то время как более дешевым альтернативам может понадобиться до 50 циклов, чтобы добраться до приемлемых значений емкости.

Недостаточный уровень производительности из-за незавершенности процесса форматирования может стать довольно большой проблемой в случае, если потребитель ожидает, что аккумулятор будет работать на полную мощность прямо из коробки. Соответственно в компаниях, которые используют аккумуляторные батареи в критически важных приложениях, существует специальное тестирование производительности. Используются аккумуляторные анализаторы, которые имеют встроенные программы, точно прогнозирующие необходимое для достижения полной емкости количество циклов.

Применение циклического режима эксплуатации также способно восстановить утраченную вследствие длительного хранения емкость аккумулятора на основе никеля. Способность к регенерации зависит от срока хранения, уровня заряда и температуры окружающей среды. Количество необходимых для восстановления циклов лежит в прямой зависимости от срока хранения и величины температуры. Аккумуляторные анализаторы помогают в определении правильных параметров предварительной зарядки (“тренировки”) и гарантируют достижение аккумулятором номинальной емкости.


Аккумуляторы Victron Energy

 

AGM Deep Cycle
GEL Deep Cycle Литиевые (LiFePO4)
аккумуляторы AGM аккумуляторы GEL аккумуляторы литий-железо-фосфатные
10 лет / 400 циклов 10 лет / 500 циклов 20 лет / 2200 циклов
универсальное применение для циклических разрядов для частых глубоких разрядов

4. Литий-ионная электрохимическая система

Довольно распространено мнение, что во время хранения на катоде литий-ионного элемента образуется пассивирующий слой, также известный как межфазная защитная пленка (IPF - interfacial protective film). Считается, что этот слой вызывает ограничение потока ионов, что, в свою очередь, приводит к возрастанию внутреннего сопротивления и, в худшем случае, даже к металлизации лития. Зарядка, а еще более эффективнее циклический режим, помогут растворить этот слой, и уже после второго или третьего цикла аккумулятор приобретет дополнительное время работы, хоть и в небольшом количестве.

Ученые еще не в полной мере понимают природу этого слоя, и немногочисленные опубликованные исследования в этой сфере только предполагают, что прирост производительности благодаря циклическому режиму эксплуатации связан с удалением пассивирующего слоя. Некоторые ученые даже отрицают существование слоя, акцентируя внимание на том, что эта идея является спекулятивной и не согласуется с существующими исследованиями. Независимо от факта существования этого пассивирующего слоя в литий-ионных элементах, нельзя проводить параллели между этим свойством и “эффектом памяти” [BU-807] никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, которые схожи тем, что также требуют периодической циклической эксплуатации для предотвращения потери емкости. Симптомы могут казаться аналогичными, но сама механика процесса будет иная. Также нельзя сравнивать вышеописанные эффекты с эффектом сульфатации [BU-804b] свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Довольно распространенным является применение твердого электролита (SEI - solid electrolyte interface) в виде пленки, которая обволакивает анод. Слой SEI является электрическим изолятором, но обладает достаточной ионной проводимостью, что позволяет аккумулятору нормально функционировать. В то время как слой SEI несколько понижает показатель емкости, его защитные свойства позволяют обеспечить значительное долголетие литий-ионному элементу. (Смотрите BU-307: Для чего в электрической батарее нужен электролит).

Слой SEI формируется в процессе изготовления аккумуляторного элемента, и производители уделяют большое внимание этому моменту, так как некорректное формирование может привести к потере емкости и повышению внутреннего сопротивления. Процесс включает в себя несколько циклов подзарядки при повышенных температурах с периодами покоя, и суммарно может длиться несколько недель. Этот процесс формирования дополнительно обеспечивает контроль качества и помогает в согласовании отдельных элементов, а также позволяет контролировать саморазряд путем измерения напряжения после периодов отдыха. Высокий саморазряд будет свидетельствовать о наличии примесей, что, в свою очередь, укажет на факт производственного дефекта.

Также на катоде может происходить процесс окисления электролита. Это приводит к постоянной потере емкости и увеличению внутреннего сопротивления. Не существует ни одного способа удаления такого слоя после формирования, но существуют специальные добавки в электролит, которые уменьшают его негативное воздействие. Следует помнить, что поддержание в элементе напряжения выше 4,10 В вкупе с повышенной температурой способствует окислению электролита. Опыт использования литий-ионных аккумуляторов показывает, что это сочетание высокого напряжения и тепла более вредно в сравнении с просто высокими зарядными и разрядными циклическими нагрузками.

Литий-ионная электрохимическая система является очень чистой системой, которая не нуждается в дополнительной “тренировке” после выпуска с завода и также ей не нужно техническое обслуживание, как системам на основе никеля. Необходимость в окончательном форматировании не особо важна и заметна, максимальная емкость доступна уже сразу (исключением может быть эффект небольшого прироста емкости после длительного хранения). Полная разрядка после старта угасания емкости аккумулятора не приведет к ее восстановлению, в литий-ионной системе такое угасание лишь свидетельствует о необратимой деградации, которая в конце концов приводит к выходу из строя аккумулятора. Зарядные и разрядные характеристики поможет откалибровать контроллер “умного” аккумулятора, но эта калибровка не может повлиять на электрохимические процессы внутри самой батареи. (Смотрите BU-601: Принцип действия “умного” аккумулятора).

5. Неперезаряжаемые литиевые батареи

Первичные литиевые электрические батареи, такие как литий-тионилхлоридные (LTC), способны извлекать выгоду из возникающей при хранении пассивации. В нашем случае пассивация представляет собой тонкий слой, образовывавшийся вследствие реакции между электролитом, литиевым анодом и углесодержащим катодом. Обратите внимание, что анод первичной литиевой батареи состоит из лития, а катод является графитовым, что противоположно конструкции литий-ионного источника питания.

Без этого слоя большинство литиевых батарей просто не сможет функционировать, потому что присутствие лития вызывает быстрый саморазряд и деградационные процессы протекают довольно быстро. Некоторые ученые даже утверждают, что такие электрические батареи без формирования слоя из хлорида лития просто взорвутся, и именно благодаря пассивирующему слою возможно существование батареи и возможность ее хранения в течение 10 лет.

Температура и уровень глубины заряда имеют непосредственное влияние на рост пассивирующего слоя. Полностью заряженную литий-тионилхлоридную батарею труднее депассивировать после длительного хранения в сравнении с батареей с низким уровнем заряда. В то время как батареи этой электрохимической системы необходимо хранить при низких температурах, депассивация лучше работает при тепле, так как ей способствуют такие эффекты как повышенная теплопроводность и подвижность ионов.

Осторожно! Не допускайте применения физического напряжения или избыточного тепла к электрической батарее. Взрыв из-за неосторожного обращения может привести к серьезным травмам.

Пассивирующий слой вызывает задержку возникновения потенциала напряжения при первом подключении нагрузки к батарее. На рисунке 2 видно проседание и восстановление напряжения батарей с различными степенями пассивации. Батарея “А” демонстрирует минимальное падение напряжения, в то время как батарее “С” необходимо некоторое время для восстановления.

Поведение напряжения батарей с различными степенями пассивации при подключении нагрузки.

Рисунок 2: Поведение напряжения батарей с различными степенями пассивации при подключении нагрузки.


Контроль и защита аккумуляторов

 

Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Батарейный балансир
Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Стабилизатор тока заряда аккумулятора
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

Батарея “А” имеет небольшую степень пассивации, “В” - большую и, соответственно, ей требуется большее время для восстановления напряжения, а степень пассивации батареи “С” является довольно значительной.

Если литий-тионилхлоридные батареи используются в устройствах с очень низкими разрядными токами, например, в датчиках или системах индикации, то в них могут развиться довольно значительные процессы пассивации, которые, в свою очередь, могут привести к поломке батареи. К слову, высокая температура окружающей среды способствует этим процессам. Данная проблема решается путем подключения большого конденсатора параллельно батарее. Такая батарея с высоким внутренним сопротивлением все еще способна зарядить конденсатор случайными высокими импульсами, а в периоды покоя происходит подзарядка конденсатора.

Для помощи в предотвращении сульфатации во время хранения, в некоторые литиевые батареи встраивается резистор номиналом 36 кОм, который служит в качестве паразитной нагрузки. Устойчивый низкий ток разряда препятствует излишнему увеличению толщины пассивирующего слоя, но в то же время приводит к снижению срока хранения. После двухлетнего хранения батареи с 36 кОм резистором сохраняют вплоть до 90% емкости. Другим методом, помогающим литиевым батареям, является применение периодических разрядных импульсов во время хранения.

Не все первичные литиевые батареи восстанавливаются при подключении к устройству и приложении нагрузки. Разрядный ток может быть слишком низким, чтобы устранить пассивацию. Также возможна ситуация, когда само подключенное устройство определяет нашу пассивированную батарею как неисправную или как батарею с низким уровнем заряда, и просто отклоняет ее. Большинство таких батарей могут быть подготовлены к эксплуатации с помощью функции контролируемой нагрузки аккумуляторного анализатора, которая приведет характеристики к необходимым значениям.

Требуемый разрядный ток для депассивации составляет 1С-3С (С - номинальная емкость). Напряжение элемента должно восстановиться до 3,2 В при приложении такой нагрузки, а время самого приложения составляет, как правило, около 20 секунд. Этот процесс может быть повторен при необходимости, но он должен занимать не более 5 минут времени. При нагрузке в 1С напряжение исправного элемента должно остаться выше 3,0 В. Падение ниже 2,7 В будет свидетельствовать об окончании срока их использования. (Смотрите BU-106: Первичные электрические батареи).

Литий-металлические электрические батареи имеют более высокое содержание лития и на них распространяются более строгие правила транспортировки в сравнении с литий-ионными аккумуляторами той же емкости. (Смотрите BU-704a: Ограничения воздушной транспортировки батарей на основе лития). Данные ограничения вызваны более высокой удельной энергоемкостью.

Осторожно! Следует помнить о необходимости ограничения зарядных токов при работе с литиевыми батареями. Всегда устанавливайте предел тока к самому низкому практическому уровню и следите за напряжением и температурой аккумулятора. В случае разрыва, утечки электролита или при любом другом случае воздействия электролита немедленно промойте место поражения водой. При попадании электролита в глаза промывайте их в течение 15 минут и немедленно обратитесь к врачу.
Используйте защитные перчатки для работы с электролитом, свинцом и кадмием.

Последнее обновление 2016-04-02


Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)

 

Trojan Marine RV AGM Deep Cycle Trojan GEL Deep Cycle
тяговые лодочные аккумуляторы 12 вольт Тяговые аккумуляторы agm Аккумуляторы для поломоечных машин
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


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 5/5 на основе 3 голосов