Cвинцово-кислотный аккумулятор: особенности использования

Какой тип аккумулятора выбрать — AGM, гелевый или с жидким электролитом?

Применение автомобильных стартерных батарей в системах электроснабжения может быть оправдано только в низко-бюджетных системах, которые будут под пристальным контролем обслуживающего персонала (необходимо следить за уровнем и плотностью электролита, регулярно проводить выравнивающий заряд АБ, и т.п.). Необходимо также помнить, что для эксплуатации такого типа батарей необходимо отдельное, хорошо вентилируемое помещение.

В связи с этим, в системах на базе возобновляемых источников энергии, а также в системах бесперебойного питания, целесообразно использовать, хотя и более дорогие, герметичные, необслуживаемые АБ. Солнечная батарея, термоэлектрический генератор и небольшой мощности ветроэлектрическая установка вырабатывают сравнительно небольшой ток, поэтому заряд АБ длится много часов и в этом случае подходят даже самые дешевые из необслуживаемых АБ.

Такие АБ имеют большую, по сравнению со стартерными батареями, толщину пластин электродов, поэтому срок их службы в режиме длительного разряда намного превышает срок работы стартерных батарей.

Сравнение AGM, OPzV и OPzS аккумуляторов*

N	Параметр	AGM	Гелевые трубчатые OPzV	Трубчатые с жидким электролитом OPzS
1	Газовыделение	Нет газовыделения, может быть установлена в любом месте	Нет газовыделения, может быть установлена в любом месте	Высокое газовыделение, нужно отдельное помещение с вытяжной вентилляцией для размещения батарей
2	Обслуживание электролита	Нет	Нет	Требуется часто
3	Уровень зарядного тока	высокий	средний	низкий
4	Требования к размещению	малый размер элемента, малые занимаемые площади	малый размер элемента, малые занимаемые площади	большой размер элемента, большие занимаемые площади
5	Установка	обычно горизонтально или вертикально	горизонтально или вертикально	только вертикально. Установка друг над другом обычно невозможна для больших батарей
6	Транспортировка	Может транспортироваться в заряженном состоянии	Может транспортироваться в заряженном состоянии	Транспортировка только разряженными и без электролита
7	Саморазряд и восстановление	50% саморазряд за 6 месяцев. Легкое восстановление	50% саморазряд за 6 месяцев. Легкое восстановление	Очень высокий саморазряд. Восстановить трудно
8	Срок службы (при 80% глубине разряда), циклов	500	более 1200	теоретически до 1500
9	Срок хранения при подзаряде	средний	большой	большой
10	Работа при высокой температуре	удовлетворительно, рекомендуется 20±5°С. Более высокие температуры резко снижают срок службы	Хорошо, особенно в полевых условиях	Хорошо, но требуется обслуживание
11	Работа при низкой температуре	удовлетворительно, обычно температура не должна быть ниже -15°С	хорошо, до -25°С	плохо, обычно до -5°С
12	Стратификация (разделение плотности электролита по высоте)	пренебрежимо мала, не требуется выравнивающий заряд	пренебрежимо мала, не требуется выравнивающий заряд	заметная, требуется частый выравнивающий заряд для ее предотвращения
13	Емкость при очень малых токах разряда	хорошо	очень хорошо	удовлетворительно
14	Восстановление после глубокого разряда	удовлетворительно	хорошо	плохо, сильная сульфатация препятствует восстановлению
15	Скорость заряда	Отлично, 6-8 часов для 90% восстановления	Удовлетворительно, 8-10 часов для 90% восстановления	Плохо, 12-15 часов для 90% восстановления
16	Работа при недоразряде	удовлетворительно	хорошо	плохо
17	Влияние перезаряда	плохо, выводит из строя батарею (тепловой пробой)	хорошо	хорошо
18	Работа при недозаряде	удовлетворительно, приводит к сокращению срока службы	хорошо	плохо
19	Тепловой пробой	возможен, хотя и редко	невозможен	не наблюдался
20	Цена	средняя	высокая	низкая

Золотые правила

При эксплуатации батарей нужно соблюдать следующие основные правила:

• Ни в коем случае не оставлять батарею в разряженном состоянии. После каждого разряда необходимо сразу ставить батарею на подзарядку, иначе начнется необратимый процесс сульфатации пластин. Это приводит к снижению емкости и срока службы батарей.

• Разряжать батарею не более чем на 80% (для гелевых АКБ – 60%). Как правило, за это отвечает датчик разряда, установленный на машине, однако его поломка, отсутствие или неправильная настройка может также привести к сульфатации пластин, перегреву батарей при заряде и в конечном итоге сокращению срока их службы.

• В АКБ можно доливать только дистиллированную воду. В обычной воде содержится множество примесей, оказывающих негативное влияние на аккумуляторную батарею. Долив электролита в АКБ для увеличения плотности запрещен: во-первых, это не даст прироста емкости, а во-вторых, вызовет необратимую коррозию пластин.

Чистка АКБ

Чистота абсолютно необходима не только для хорошего внешнего вида батареи, но в значительно большей степени – для предотвращения несчастных случаев и ущерба, уменьшения срока службы, а также для того, чтобы АКБ находилась в состоянии, пригодном к эксплуатации. Аккумуляторные корпуса, ящики, изоляторы необходимо чистить для обеспечения требуемой изоляции элементов по отношению один к другому, по отношению к земле («массе») или внешним проводящим частям. Кроме того, очистка позволяет избежать коррозионных повреждений и возникновения блуждающих токов. Вне зависимости от времени работы и места на АКБ неизбежно оседает пыль.

Небольшое количество электролита, выступающего из батареи во время заряда после достижения напряжения газообразования, образует более-менее токопроводящий слой на крышках элементов или блоков, по которому протекают блуждающие токи. Результатом является повышенный и неоднородный саморазряд элементов или блоков. Это одна из причин того, почему операторы электрических машин жалуются на упавшую емкость батареи после того, как техника не эксплуатировалась в течение выходных дней.

Аккумуляторный журнал и организация работы

При использовании парка электропогрузчиков целесообразно закреплять за каждым погрузчиком свои АКБ. Для этого их нумеруют: 1а, 1б, 2а, 2б и т. д. (батареи с одинаковым номером используются на одном и том же погрузчике). После этого заводят журнал, в котором о каждой АКБ ежедневно отражается информация, проиллюстрированная на примере.

Пример 1

Номер батареи	Установлена на погрузчик	Поставлена на заряд
Дата	Время	Плотность (средняя по трем элементам выборочно)	Показания счетчика, машино-ч	Дата	Время	Плотность (средняя по трем элементам выборочно)	Показания счетчика, машино-ч
1а
1б
2а
и т.д.

Таким образом, с помощью данного мероприятия можно избежать использования недозаряженных батарей, а также спрогнозировать и спланировать замену АКБ до полного выхода ее из строя. Помимо этого по каждой батарее целесообразно вести еще один журнал, в котором раз в месяц отражается информация о батарее, перечисленная в примере 2. Эти данные являются основным источником информации для сервисной службы, поэтому зачастую ведение такого журнала является обязательным условием гарантийного обслуживания. За все аккумуляторное хозяйство должен быть ответственен один или два (в случае двухсменной работы) человека. В их обязанности по данной зоне ответственности должны входить прием и выдача АКБ, их обслуживание и заряд, ведение аккумуляторных журналов, прогнозирование выхода АКБ из строя.

Продолжить чтение

• Руководство покупателя АКБ для систем электроснабжения
  69

  Аккумуляторы для систем электроснабжения. Руководство покупателя В интернете есть много разрозненной информации по разным типам аккумуляторов, их возможностям, характеристикам, областям применения, достоинствам и недостаткам. При этом во многих случаях информация эта однобокая — связано это бывает или с недостаточными знаниями…

• Литиевые против свинцовых: какая батарея лучше?
  56

  Какая батарея лучше для автономной энергосистемы — литиевая или свинцовая?  Выдержки из новой книги: Off Grid Solar: A handbook for Photovoltaics with Lead-Acid or Lithium-Ion batteries. Перевод: «Ваш Солнечный Дом». При полном и частичном копировании перепечатке ссылка обязательна. Мы видели множество…

• Аккумуляторные батареи. Ликбез
  53

  Как продлить срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов? Зачастую представляет определенные трудности использовать напрямую энергию, генерируемую солнечными, ветровыми или микрогидроэлектрическими установками. Поэтому электричество обычно сохраняется в специальных аккумуляторных батареях для последующего использования. Эти батареи очень часто работают по тому же принципу, что…

• Типы аккумуляторов
  50

  Типы аккумуляторных батарей и области их применения В этой заметке содержатся общие советы по выбору аккумуляторов для систем с возобновляемыми источниками энергии. В заметке затронуты 3 основные технологии: литий-ионные, никель-металл-гидридные и свинцово-кислотные (AGM, или Gel). Мы постараемся избегать формул и…

Виды и классификация, характеристики свинцовых анодов

Зависимо от выполняемой функции, свинцовые аноды подразделяют на две категории:

— растворимые аноды из свинца;

— нерастворимые свинцовые аноды.

По химическому составу аноды классифицируют на:

— свинцовые (свинец марок С1, С2, С3);

— свинцово-сурьмянистые (ССу2, ССу7, ССу5, ССу10, ССуА).

Нерастворимые свинцовые аноды применяются в процессах гальванического хромирования. Нерастворимые аноды из свинца выступают в качестве проводника тока, т.к. хром в процессе гальванического хромирования, оседает из электролита. Использование нерастворимых свинцовых электродов способствует равномерному осаждению хрома. В качестве нерастворимых свинцовых анодов чаще применяется свинцово-сурьмянистый свинцовый прокат марок ССу10, ССу2, ССу5. Свинцово-сурьмянистая продукция изготавливается согласно ГОСТ 1292-81 (стандарт регламентирует химический состав сплава).

Растворимые свинцовые аноды (электроды) применяются в гальваническом свинцевании. В процессе нанесения покрытия свинец из анода переходит в электролит и равномерно осаждается на поверхности покрываемой детали. Анод при этом «растворяется», расходуется на покрытие. Производятся по ГОСТ 3778 -98 из первичного свинца марок С3, С2, С1 и С0.

Хранение свинцовых анодов должно осуществляться под навесом, в следуемой упаковке, либо в помещениях, надежно защищенных от воздействия химически активных компонентов среды и влаги. Допускается транспортировка без дополнительной упаковки проката.

Свинец – токсичный металл, поэтому при производстве анодов и дальнейшем их применении следует обязательно помнить об индивидуальной защите в условиях вредного производства.

Размер и форма анода может быть совершенно разной. Часто применяют электроды в виде прутка (катаные) или свинцового листа (пластины). Листы изготавливаются по ГОСТ 9559-89 (технические условия на свинцовые листы). Купить можно аноды из свинца размером 10*500*1000 миллиметров и другие. Вес одного стандартного листа, учитывая плотность свинца 11,34 г/см3,  будет составлять 56,7 килограмм. Толщина составляет от 0,5 мм. Катаные аноды могут производиться с диаметрами 12, 25, 40, 70 мм и другими.

Для получения высококачественного гальванического покрытия важно использовать первичные марки свинца высокой химической чистоты

Базовые понятия о работе аккумуляторов

2.1 Базовые понятия для свинцово-кислотных аккумуляторов

Рис 3: Состояния свинцово-кислотного аккумулятора

Полностью заряженный элемент имеет разность потенциалов между анодом и катодом около 2 В. Во время разряда электроны проходят через внешнюю электрическую цепь, одновременно химические реакции внутри аккумулятора обеспечивают баланс зарядов . На рис. 3 показаны химические состояния полностью заряженного и полностью разряженного свинцово-кислотного аккумулятора.

Свинцово-кислотные аккумуляторы могут быть разделен на 2 категории: с жидким электролитом и герметизированные (SLA или VRLA). По своей химии эти категории идентичны (см. рис.3).  Различия — в технологии исполнения, которая влияет и на эксплуатационные характеристики. Аккумуляторы с жидким электролитом требуют следующих 3 условий, которые не требуются герметизированным аккумуляторам:

1. Определенное положение для предотвращения вытекания электролита
2. Вентилируемое помещение для удаления газов, образующихся во время заряда и разряда
3. Регулярное обслуживание электролита.

Ввиду этих различий, необходимо учитывать сложность и стоимость технического обслуживания АКБ с жидким электролитом, которая может нивелировать их более низкую стоимость. Герметизированные аккумуляторы делятся на 2 группы: гелевые и AGM (Absorbed Glass Mat). Они различны по состоянию электролита. В гелевых аккумуляторах в электролит добавлено загущающее вещество, которое превращает электролит в гель. В AGM аккумуляторе используется стеклянная «губка» для связывания жидкого электролита.

Внутри каждой категории свинцово-кислотных аккумуляторов различаются аккумуляторы “глубокого циклирования” и аккумуляторы для “буферного режима” с небольшой глубиной разряда. «Буферные» герметизированные аккумуляторы обычно используются в автомобилях в качестве стартерных — они должны выдавать мощные импульсы энергии в течение короткого времени. В стационарных системах электроснабжения применяются аккумуляторы «глубокого разряда», которые обычно разряжаются относительно небольшими токами, но в течение длительного времени. 

2.2 Литиевые аккумуляторы

Концепция литий-ионных аккумуляторов была разработана в 1970-х годах. Широкое распространение они получили в 1990-х годах. Принцип работы заключается в том, что ионы лития курсируют туда-сюда между анодом и катодом во время заряда и разряда. На рис.4 показано устройство разновидности литий-ионного оаккумулятора  LiCoO₂.

Рис 4: Реакции в литий-ионном аккумуляторе

Особенности химических процессов на аноде, катоде и в электролите влияют на эффективность работы аккумулятора. Также влияет конструкция элемента литий-ионного аккумулятора. Наиболее часто производитель меняет форму и состав катода:  они могут быть LFP, NCM, NCA, Cobalt, или Manganese.  Более 90% литиевых анодов состоят из графита; кремний и титан используются гораздо реже.

Электролит обычно находится в жидкой форме, но в «литий-полимерных» аккумуляторах электролит находится в абсорбированном виде в полимерной мембране. Это позволяет для ограничения объема аккумулятора использовать «мешочек»  вместо металлического корпуса, который обычно используется с жидким электролитом в цилиндрических и призматических элементах.

Несмотря на различия в химических процессах, литий-ионные аккумуляторы могут быть разделены на 2 групы: литий-железо-фосфатные (LFP, LiFePO₄) и металл-оксидные (NCM, NCA, Cobalt, Manganese — Оксид марганца лития (LiMn₂O₄) и оксид лития никеля и марганца кобальта (LiNiMnCoO₂)). БатареиLiMn₂O₄и LiNiMnCoO2 относятся к литиевым батареям среднего размера по размеру, весу, безопасности, сроку службы и стоимости.

В таблице 1 показаны различия между этими 2 химическими процессами. Значения отражают среднюю величину, возможны флуктуации в ту или другую сторону.

Таблица 1: Сравнение литий-ионных технологий аккумуляторов

RC литий-полимерные батареи (RC LiPo). LiPo — это самые маленькие, самые дешевые, легкие и мощные литиевые батареи. К их недостаткам относятся короткая продолжительность жизни и склонность к возгорания в гигантские огненные шары, поэтому мы в данной статье их не рассматриваем.

Все литий-ионные аккумуляторы выдерживают глубокий разряд. Срок службы аккумулятора существенно возрастает, если глубина разряда не более 80% от номинальной емкости.

Принцип функционирования

Разобравшись в строении аккумулятора автомобиля, намного проще понять принцип работы аккумулятора в автомобиле. В современной свинцово-кислотной батарее происходят процессы, которые объясняются такими реакциями. Разряд описывается реакцией справа налево, а заряд, наоборот, слева направо.

1. Анод (представляет положительный электрод): PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e− -> PbSO4 + 2H2O
2. Катод (представляет отрицательный электрод): Pb + SO42- − 2e− ->PbSO4

Разряд устройства аккумулятора автомобиля начинается при включении электротока, в таком случае губчатый свинец (имеющийся в составе отрицательных электродов) и диоксид свинца (составляющий положительные электроды) вступают в реакцию с электролитом. Результатом такого процесса является выделение воды и сульфата свинца. Плотность жидкости (электролита), заполняющей аккумулятор, снижается в зависимости от разрядки батареи.

В период зарядки АКБ сульфат свинца и вода превращаются в PbO2, Pb, H2SO4. Показатель плотности аккумуляторной жидкости увеличивается, вместе с чем и растет уровень заряда автомобильной батареи.

Заряд и разряд АКБ

Устройство автомобильного аккумулятора позволяет заряжаться батарее не только от сети, но и во время поездки при правильной работе генератора. В целом работа АКБ зависит от температуры воздуха: высокая температура обеспечивает увеличение мощности и токоотдачи, но в таких условиях увеличивается расход воды и ускоряется процесс саморазряда.

При минусовой температуре химические процессы внутри устройства аккумуляторной батареи автомобиля замедляются, уровень пускового тока падает и снижается уровень разрядной емкости. В условиях сильного мороза и при недостаточной зарядке АКБ электролит может замерзнуть, соответственно, запустить двигатель не получится.

Чистка АКБ

Чистота абсолютно необходима не только для хорошего внешнего вида батареи, но в значительно большей степени – для предотвращения несчастных случаев и ущерба, уменьшения срока службы, а также для того, чтобы АКБ находилась в состоянии, пригодном к эксплуатации. Аккумуляторные корпуса, ящики, изоляторы необходимо чистить для обеспечения требуемой изоляции элементов по отношению один к другому, по отношению к земле («массе») или внешним проводящим частям. Кроме того, очистка позволяет избежать коррозионных повреждений и возникновения блуждающих токов. Вне зависимости от времени работы и места на АКБ неизбежно оседает пыль.

Небольшое количество электролита, выступающего из батареи во время заряда после достижения напряжения газообразования, образует более-менее токопроводящий слой на крышках элементов или блоков, по которому протекают блуждающие токи. Результатом является повышенный и неоднородный саморазряд элементов или блоков. Это одна из причин того, почему операторы электрических машин жалуются на упавшую емкость батареи после того, как техника не эксплуатировалась в течение выходных дней.

Аккумуляторный журнал и организация работы

При использовании парка электропогрузчиков целесообразно закреплять за каждым погрузчиком свои АКБ. Для этого их нумеруют: 1а, 1б, 2а, 2б и т. д. (батареи с одинаковым номером используются на одном и том же погрузчике). После этого заводят журнал, в котором о каждой АКБ ежедневно отражается информация, проиллюстрированная на примере.

Пример 1

Номер батареи	Установлена на погрузчик	Поставлена на заряд
Дата	Время	Плотность (средняя по трем элементам выборочно)	Показания счетчика, машино-ч	Дата	Время	Плотность (средняя по трем элементам выборочно)	Показания счетчика, машино-ч
1а
1б
2а
и т.д.

Таким образом, с помощью данного мероприятия можно избежать использования недозаряженных батарей, а также спрогнозировать и спланировать замену АКБ до полного выхода ее из строя. Помимо этого по каждой батарее целесообразно вести еще один журнал, в котором раз в месяц отражается информация о батарее, перечисленная в примере 2. Эти данные являются основным источником информации для сервисной службы, поэтому зачастую ведение такого журнала является обязательным условием гарантийного обслуживания. За все аккумуляторное хозяйство должен быть ответственен один или два (в случае двухсменной работы) человека. В их обязанности по данной зоне ответственности должны входить прием и выдача АКБ, их обслуживание и заряд, ведение аккумуляторных журналов, прогнозирование выхода АКБ из строя.

2.1.5 Серия Modular Max

Особенности:

• Срок службы до 20 лет;
• Ёмкость 200Aч~3000Aч;
• Технология высокой степени сжатия AGM обеспечивает эффективность рекомбинации более 99%, способствует минимальной потери воды и длительному сроку службы;
• Состав пластины содержит сплав с оптимизированным содержанием олова, кальция, алюминия, который обеспечивает высокие показатели в режиме работы при глубоком разряде, значительно повышает коррозионную стойкость пластины;
• Увеличенная толщина положительных пластин 6.2мм, сверхмощная решетка и специальные активные материалы обеспечивают отличную производительность и длительный срок службы батарей.
• Пластины с нано-карбоновым покрытием для максимальной производительности в циклическом режиме.
• Низкий уровень саморазряда (менее 3%/мес при 20oC, длительный срок хранения до 12 месяцев;
• Отвечают требованиям стандартов UL

Преимущества АКБ серии Modular Max:

• Самый большой циклический ресурс и самый длительный срок службы в буферном режиме среди батарей VRLA;
• Большая отдаваемая ёмкость и надёжность при высоких температурах;
• Обладает высокой эффективностью зарядки, на 25-30% выше, чем у батарей AGM в тех же условиях;
• Отличная способность восстановления зарядки после глубокого разряда, может восстановить первоначальную ёмкость после 2 недель хранения при 100% разряде;
• Гелевый электролит: отсутствие утечек, препятствование стратификации. Это позволяет избежать коррозии и сульфатации пластин, значительно увеличивая срок службы батарей;
• Очень низкая скорость саморазряда, <2% в месяц. Батарея хранится при 20oC в течение двух лет, и при этом оставшаяся ёмкость всё ещё превышает 60%;
• Высокопрочные олово-свинцово-кальциевые сплавы и утолщённые пластины обеспечивают производительность при глубоких циклах разряда.

Особенности батарей EverExceed GEL

Сепаратор PVC SiO2 от AMER-SIL Europe – лучший сепаратор для гелевых аккумуляторов в мире.

Высокая пористость и низкое электрическое сопротивление; В 5-6 раз дороже, чем другие типы сепараторов.

В основе технологии – гелевый электролит

В качестве гелевого электролита используют немецкий материал – EVONIK – AEROSIL 200. Это лучший гелевый электролит в мире;

Трубчатая положительная пластина для батарей Tubular OPzV/OPzS. Расчетный срок службы более 20 лет.

Пластина с наибольшей толщиной в мире – 9,7 мм по немецкой технологии.

Гелевый электролит. Преимущества:

• Мелкопористая трубчатая структура положительных пластин эффективно удерживает активный материал и значительно увеличивает срок службы в циклическом режиме.
• Большая ёмкость и быстрый заряд благодаря низкому электрическому сопротивлению.
• Минимальные потери активного материала.
• Постоянное плотное взаимодействие активного материала со свинцовыми пластинами даже в циклическом режиме работы;
• Максимальный перенос ионов через поры сепаратора;
• Реализовано эффективное решение (трубка с боковой защитой) для предотвращения коротких замыканий по причине трения.

Выводы: какой аккумулятор лучше

Даже при внушительном количестве достоинств и отличных характеристиках, гелевые и AMG батареи не способны сместить с пьедестала свинцово-кислотных «собратьев». Последние имеют приятную стоимость и полностью справляются с возложенными задачами. Заряда 400 А, выдаваемого аккумулятором, вполне достаточно, чтобы запустить двигатель даже в сильные морозы.

AMG и гелевые модели востребованы в том случае, когда автомобиль напичкан разнообразной электроникой. Именно поэтому современные разновидности чаще применяются в качестве накопителя напряжения, получаемого ветровыми станциями, солнечными батареями или в качестве источника в различных переносных гаджетах.