Основные виды АБ

Со времён изобретения первой АБ прошло не так много времени, но уже сейчас сложно представить современный мир без них. АБ применяются повсеместно, начиная от фонариков, смартфонов и ноутбуков и заканчивая электромобилями. В поисках оптимальных решений между длительностью автономной работы, увеличением количества циклов заряда/разряда и уменьшением времени, необходимого для заряда, конструкторы и инженеры разрабатывают всё новые виды и подвиды АБ.

Из всех многочисленных видов АБ наибольшее распространение получили:

— Свинцово-кислотные (Pb);

— Никель-кадмиевые (Ni-Cd);

— Никель-металл-гидридные (Ni-MH);

— Литий-ионные (Li-Ion).

Свинцово-кислотные батареи

Согласно ГОСТ Р МЭК 60896-22-2015 свинцово-кислотная батарея – это аккумуляторная батарея, в которой электроды состоят в основном из соединений свинца, а электролитом является раствор серной кислоты. В свинцово-кислотных батареях в качестве отрицательного электрода (анода) используется свинец (Pb), в качестве положительного электрода (катода) – диоксид (двуокись) свинца (PbO2), а в качестве электролита – 35% раствор серной кислоты (H2SO4), разбавленный дистиллированной водой (H2O).

Количество чистой кислоты в единице объёма электролита характеризуется понятием плотности электролита, которая для полностью заряженных свинцово-кислотных батарей составляет от 1,27 до 1,3 г/см3[5].

В водном растворе серная кислота диссоциирует, образуя катион водорода и анион кислотного остатка (сульфат-ион):

H2SO4 → 2H+ + SO42- (4)

Эти подвижные ионы и обеспечивают ионную проводимость электролита, путём взаимодействия с металлическими электродами АБ.

ЭДС в свинцово-кислотной батареи возникает в результате взаимодействия электродов с электролитом (мы об этом говорили в Части 1). Так при погружении анода в электролит катионы свинца переходят в раствор, а сам анод заряжается отрицательно относительно раствора. Погружение катода в электролит приводит к тому, что небольшое количество диоксида свинца переходит в раствор, где при взаимодействии с водой ионизируется на четырёхвалентные катионы свинца Pb4+ и одновалентные ионы гидроксильной группы OH. Четырёхвалентные катионы свинца, осаждаясь на катоде, создают положительный потенциал относительно раствора.

При подключении нагрузки R между двумя электродами свинцово-кислотной батареи, внутри АБ начинает проходить самопроизвольная химическая реакция, в результате которой на электродах образуется сульфат свинца (PbSO4), а в цепи нагрузки начинает протекать электрический ток (смотри рисунок 3, режим разряда).

а) Режим разряда б) Режим заряда

Рисунок 3 Электрохимические процессы в свинцово-кислотных батареях

Электрохимическая реакция, проходящая на катоде свинцово-кислотной батареи в режиме разряда, выражается следующим уравнением:

Pb02 + SO42- +4H+ + 2e → PbSO4 + 2H2O (5)

Электрохимическая реакция на катоде свинцово-кислотной батареи в режиме разряда определяется выражением:

Pb + SO42- — 2e → PbSO4 (6)

Как видно из электрохимической реакций (6) при разряде свинцово-кислотной батареи сульфат-ион электролита взаимодействует со свинцом анода, в результате чего образуются сульфат свинца, который осаждается на аноде АБ, и свободные электроны, которые по внешней электрической цепи, направляются к катоду.

Как видно из электрохимической реакции (5) электроны, приходящие с анода свинцово-кислотной батареи, вступают в реакцию с катодом при участии ионов электролита, в результате которой образуются сульфат свинца, который осаждается на катоде, и вода.

По мере разряда АБ всё больше сульфата свинца образуется на пластинах электродов, что усложняет взаимодействие электролита с активным веществом (свинцом и диоксидом свинца). Кроме этого, в самом электролите падает концентрация серной кислоты, которая в ходе электрохимической реакции превращается в воду (H2O). Плотность электролита падает, а вместе с ней снижается ЭДС АБ.

Таким образом, можно констатировать, что сульфатация пластин электродов свинцово-кислотной батареи при разряде – это естественный процесс. Почему же сульфатацию считают основной причиной выходов из строя свинцово-кислотных батарей, и всеми способами пытаются её устранить?

Дело в том, что под термином сульфатация пластин электродов свинцово-кислотных батарей понимают такое состояние электродов, когда они не заряжаются при штатном режиме заряда. Так, если свинцово-кислотная батарея часто и длительное время находится в разряженном или полуразряженном состоянии, либо разряжается ниже предела, установленного нормативно-технической документацией (далее НТД) на неё, то сульфат свинца постепенно переходит из легко растворимого мелкокристаллического металла в труднорастворимые крупные кристаллы сульфата свинца, и обратимость электрохимического процесса нарушается. В результате чего уменьшается ёмкость АБ и снижается её ресурс.

Кроме этого за счёт большого занимаемого объёма сульфат свинца может приводить к разрушению пластин АБ и, как следствие, неисправности АБ.

Итак, мы разобрались, почему крайне нежелательно разряжать свинцово-кислотные батареи ниже предела, установленного в НТД на неё, теперь разберёмся с режимом заряда.

Если к электродам свинцово-кислотной батареи подключить внешний источник ЭДС Е, имеющий напряжение выше ЭДС АБ, с соблюдением полярности (к катоду подключаем положительную клемму источника, а к аноду – отрицательную), то АБ перейдёт в режим заряда (смотри рисунок 3, режим заряда).

В режиме заряда на электродах свинцово-кислотной батареи происходят принудительные электрохимические реакции, обратные режиму разряда. Так электрохимическая реакция, проходящая на катоде свинцово-кислотной батареи в режиме заряда, выражается следующим уравнением:

PbSO4 + 2H2O → Pb02 + SO42- +4H+ + 2e (7)

Электрохимическая реакция на аноде свинцово-кислотной батареи в режиме заряда определяется выражением:

PbSO4 → Pb + SO42- — 2e (8)

А само прохождение этих обратных электрохимических реакций происходит за счёт затраты электрической энергии внешнего источника ЭДС. При этом следует отметить, что в режиме заряда за счёт движения электронов от катода к аноду, катод принято считать отрицательной клеммой, а анод – положительной (электроны движутся от минуса к плюсу), несмотря на то, что по факту к катоду подключена положительная клемма внешнего источника ЭДС, а к аноду – отрицательная. Это объясняется тем, что при подключении к АБ внешнего источника с напряжением, превышающим ЭДС АБ, и рассмотрении получившейся электрической цепи, как цепи с распределёнными параметрами, потенциал точки 2 будет выше потенциала точки 1, а потенциал точки 3 выше потенциала точки 4 (смотри рисунок 4). Движение электронов происходит от точки с меньшим потенциалом к точке с большим потенциалом, в результате чего и получается, что катод «становится» отрицательным, а анод – положительным.

Рисунок 4 Движение электронов при заряде свинцово-кислотной батареи

Но вернёмся к режиму заряда. Как видно из выражений (7) и (8) сульфат свинца под действием внешней ЭДС начинает преобразовываться в диоксид свинца на катоде и свинец на аноде свинцово-кислотной батареи. В идеале, при длительном режиме заряда весь сульфат свинца должен перейти в активный материал, а АБ вернуться в своё исходное состояние полного заряда. На практике же этого не происходит, за счёт не идеальности условий (наличие различных примесей в металлах и электролите, особенности устройства АБ, электролиза в небольших количествах и т.д.) не весь сульфат свинца возвращается в активный материал, это и обуславливает наличие жизненного цикла АБ, выражаемого в количестве циклов заряда разряда.

Если напряжение на электродах АБ, создаваемое внешним источником ЭДС, выше напряжения полностью заряженной АБ, и этот источник остаётся подключен к электродам после окончания режима заряда, то внутри свинцово-кислотной батареи начинается процесс электролиза – электрохимического разложения воды на кислород и водород:

2H2O → 2H2 + O2 (9)

Данное явление также называют кипением свинцово-кислотной батареи, хотя оно никак не связано с температурой. Температура физического кипения (образование пузырьков, состоящих из паров выделяемых газов) электролита — свыше 100 0С, а свинцово-кислотные батареи могут закипеть даже при минусовой температуре.

В результате электролиза происходит испарение воды из электролита, концентрация серной кислоты увеличивается, плотность электролита возрастает. Это приводит к следующим последствиям:

1. Повышению напряжения на электродах АБ;

2. Увеличению саморазряда АБ;

3. Возможному разрушению пластин электродов АБ.

Процесс интенсивного электролиза воды происходит и при повышенном токе заряда. Считается, что наиболее безопасным режимом заряда для большинства выпускаемых свинцово-кислотных батарей на начальной стадии зарядки является режим, при котором ток заряда не превышает 0,1С10 — 0,2С10, где С10 — ёмкость АБ при 10 ч режиме разряда.

Таким образом, мы установили причины, которые вносят ограничения по режиму заряда свинцово-кислотных батарей.

Наличие явления электролиза при перезарядке привело к разделению режима эксплуатации свинцово-кислотных АБ на буферный и циклический.

В буферном режиме эксплуатации свинцово-кислотная батарея всегда подключена к внешнему источнику ЭДС, достаточному для поддержания батареи в состоянии почти полной заряженности, и предназначена для обеспечения питания электрической цепи при временном отключении обычного электроснабжения. При этом напряжение внешнего источника ЭДС выбирается таким, чтобы, при почти полном заряде АБ, напряжение на её клеммах сравнялось с напряжением внешнего источника, и не происходило явление электролиза. Такой режим эксплуатации свинцово-кислотных батарей используется в автомобилях и ИБП. Батарея, используемая в буферном режиме заряда, называется флотирующей батареей [4].

При циклическом режиме эксплуатации внешний источник ЭДС подключается к АБ только на время заряда, и должен быть отключен после окончания режима зарядки. Повторный заряд осуществляется после разряда АБ либо через определенное время для компенсации явления саморазряда. Такой режим заряда используется для портативных устройств.

Рекомендуемые значения напряжений внешнего источника ЭДС для буферного и циклического заряда приводятся производителем в НТД на АБ.

Теперь, когда мы разобрали основные ограничения процессов зарядки и разрядки свинцово-кислотных батарей, можно перейти к конкретным числам. Поможет нам в этом ГОСТ Р МЭК 60896-2-99 на свинцово-кислотные стационарные батареи [4]. В зависимости от подтипа свинцово-кислотных батарей (стартерная, стационарная и тд), некоторые параметры АБ могут немного отличаться от указанных, но в целом характеристики свинцово-кислотных батарей всех подтипов схожи.

Согласно ГОСТ Р МЭК 60896-2-99 [4] гарантированная ёмкость свинцово-кислотной батареи (в Ач) — это исходная величина, устанавливаемая производителем, которая действительна для нового аккумулятора при эталонной температуре 20 0С, продолжительностью разряда t до конечного напряжения Uf = 1,8 В (если иное не оговорено в НТД на батарею). Значение времени t рекомендовано выбирать из ряда 20, 10, 8, 5, 3, 2, 1, 0,5, 0,25 ч. Чаще всего производители выбирают значение t, равное 10 либо 20 часам. А гарантированную ёмкость при данной продолжительности разряда считают номинальной ёмкостью АБ.

Для контроля параметров АБ при испытаниях рекомендуется выбирать приборы со следующими характеристиками [4]:

— для измерения напряжения: вольтметр с классом точности 0,5 и внутренним сопротивлением 1000 Ом/1В;

— для измерения тока: шунт или амперметр с классом точности 0,5;

— для контроля температуры: датчик температуры или термометр с классом точности 0,5.

Если иное не установлено производителем, свинцово-кислотные аккумуляторы или батареи считают полностью заряженными, когда при заряде при постоянном напряжении, рекомендуемом производителем, наблюдаемый ток остается постоянным в течение 2 ч, с учётом изменения температуры на поверхности аккумулятора [4].

Напряжение источника при буферном режиме заряда Ufl0 (когда источник постоянно подключен к АБ) рекомендуется устанавливать в пределах (2,23 — 2,3) В [4].

Напряжение источника при циклическом режиме заряда рекомендуется устанавливать не более 2,4 В, а начальный ток заряда ограничивать значением 0,2С10, (где С10 — ёмкость при 10 часовом разряде), опять же, если иное не рекомендовано в НТД на АБ [4].

Из различных режимов заряда разряженной свинцово-кислотной батареи рассмотрим классический двухступенчатый СС-СV режим (постоянный ток-постоянное напряжение).

Рисунок 5 Классический двухступенчатый CC-CV режим заряда свинцово-кислотной батареи

Согласно рисунку 5 при CC-CV режиме в начальной стадии процесса заряда внешний источник ЭДС переводят в режим стабилизации по току, значение которого рекомендовано изготовителем АБ. Если в НТД на АБ таковые данные отсутствуют, то лучше устанавливать ток стабилизации, равный 0,1С10 (Режим постоянного тока CC). При этом точность стабилизации постоянного тока заряда должна составлять ± 2%. По мере зарядки напряжение на клеммах АБ будет возрастать, и свинцово-кислотная батарея начнёт потреблять ток, меньший тока стабилизации внешнего источника ЭДС. В этот момент внешний источник ЭДС должен быть переведён в режим стабилизации по напряжению (режим постоянного напряжения СV), и зарядка должна продолжаться до тех пор, пока ток, потребляемый АБ от внешнего источника ЭДС, не будет изменяться в течение 2 часов. При этом точность стабилизации постоянного напряжения заряда должна составлять ± 1%, а на заключительной стадии заряда нужно контролировать, чтобы температура АБ не превышала значений, указанных в НТД на АБ, чаще всего не более 45 0С [6].

Одной из причин широкого использования свинцово-кислотных батарей является их неприхотливость к внешним воздействиям. В таблице 1 приведена примерная зависимость температуры замерзания электролита свинцово-кислотной батареи от его плотности [7].

Таблица 1 Температура замерзания электролита различной плотности

Плотность электролита, г/см3 при температуре 25 0С Температура замерзания, 0С Уровень заряда, % Плотность электролита, г/см3 при температуре 25 0С Температура замерзания, 0С Уровень заряда, %
1,09 минус 7 0 1,22 минус 40 69
1,10 минус 8 1,23 минус 42 75
1,11 минус 9 1,24 минус 50 81
1,12 минус 10 6 1,25 минус 54 87,5
1,13 минус 12 12,6 1,26 минус 58 94
1,14 минус 14 19 1,27 минус 68 100
1,15 минус 16 25 1,28 минус 74
1,16 минус 18 31 1,29 минус 68
1,17 минус 20 37,5 1,30 минус 66
1,18 минус 22 44 1,31 минус 64
1,19 минус 25 50 1,32 минус 57
1,20 минус 28 56 1,33 минус 54
1,21 минус 34 62,5 1,40 минус 37

Примечание — номинальное напряжение 12 В получается путём последовательного соединения 6-ти свинцово-кислотных батарей. Таким образом для сравнения характеристик, указанных в НТД на АБ, с установленными ГОСТом характеристиками, нужно последние умножать на 6.

Как видно из данных таблицы 1 свинцово-кислотные батареи могут успешно эксплуатироваться при низких температурах от минус 60 0С. При эксплуатации АБ в условиях низкой температуры нужно учитывать два ограничения:

1. Нельзя подвергать АБ сильному разряду, чтобы не заморозить электролит (смотри таблицу 1);

2. Ёмкость, отбираемая нагрузкой от АБ при номинальном токе разряда 0,1С10, снижается приблизительно на 1% относительно номинальной ёмкости С10 при уменьшении температуры на 1 0С относительно температуры 20 0С. Это связано с замедлением протекания электрохимических реакций в АБ. Так при температуре, равной минус 20 0С отдаваемая ёмкость снизится приблизительно на 40% относительно номинальной ёмкости АБ.

Что касается вибрационных воздействий, то в зависимости от типа свинцово-кислотной батареи они могут достигать следующих характеристик: ускорения 147 м/с2 (15g) при длительности импульсов 2 — 15 мс и числе ударов 40 – 80 в минуту [5].

Ресурс свинцово-кислотной батареи определяется количеством циклов разряда-заряда и зависит от глубины разряда батареи (DOD – Depth Of Discharge). На рисунке 6 приведена типичная зависимость срока службы свинцово-кислотной батареи от глубины её разряда при эксплуатации.

Рисунок 6 Зависимость срока службы свинцово-кислотной батареи от глубины разряда

Как видно из рисунка 6 чем меньше раз разряжается АБ и чем менее глубоким является каждый отдельно взятый её разряд, тем большим будет срок её службы. Поэтому свинцово-кислотные батареи чаще всего используют в буферном режиме эксплуатации.

Завершая ознакомление со свинцово-кислотными батареями, рассмотрим ещё две важные характеристики, которые пригодятся нам при сравнении АБ различных типов:

Удельная энергоёмкость – это количество энергии (Втч), которую АБ способна аккумулировать на единицу веса (кг);

Удельная мощность – это мощность (Вт), которую АБ способна аккумулировать на единицу веса (кг);

Для свинцово-кислотных батарей удельная энергоёмкость составляет порядка 20 – 40 Втч/кг, а удельная мощность – порядка 100 – 300 Вт/кг.

Все основные характеристики свинцово-кислотной батареи представлены в таблице 2. Для удобства в таблице представлены значения параметров для 12 В (состоящей из 6-ти последовательно соединённых элементов) и 24 В (состоящей из 12-ти последовательно соединённых элементов) АБ.

Таблица 2

Наименование параметра Значение параметра Примечание
1 Напряжение отсечки при разряде, В 1 эл. 6 эл. 12 эл. При достижении нужно отключить АБ от нагрузки
1,8 10,8 21,6
2 Номинальное напряжение АБ, В 1 эл. 6 эл. 12 эл.
2,0 12,0 24,0
3 Напряжение отсечки при заряде, В 1 эл. 6 эл. 12 эл. При достижении нужно отключить АБ от зарядного устройства
2,4 14,4 28,8
4 Напряжение источника питания при буферном режиме заряда, В 1 эл. 6 эл. 12 эл. АБ может находиться при данном напряжении сколь угодно долго
2,23 – 2,30 13,38 – 13,80 26,76 – 27,60
5 Напряжение источника питания при циклическом режиме заряда, В 1 эл. 6 эл. 12 эл. АБ нужно отключить от зарядного устройства при достижения данного напряжения
2,4 14,4 28,8
6 Температурная компенсация зарядного напряжения при увеличении температуры Буферный режим Циклический режим Относительно температуры 20 0С
-15…-20 мВ/0С -20…-30 мВ/0С
7 Рекомендуемый ток заряда, А 0,1С10 – 0,2С10
8 Пиковый ток нагрузки, А 10 – 8С10 Кратковременное 3-5 секунд
9 Циклический ресурс, DOD=80% 250 — 350 Циклов заряда-разряда
10 Саморазряд в месяц, % 5 Требуют периодической подзарядки при хранении
11 Диапазон рабочей температуры при заряде, 0С от минус 20 до плюс 45
12 Диапазон рабочей температуры при разряде, 0С от минус 40 до плюс 50 Снижение ёмкости на 1% при уменьшении температуры на 1 0С относительно 20 0С
13 Обслуживание Доливка воды раз в 3-6 месяцев для обслуживаемых АБ
14 Требования безопасности Термическая стабильность, проветриваемое помещение Выделяет незначительное количество водорода и паров серной кислоты
15 Стоимость Низкая

Список литературы

  1. ГОСТ 53165-2008 Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники – Национальный стандарт Российской Федерации 01.07.2009 г.
  2. varta-automotive.ru/ru-ru/varta-battery-support/charging/how-to-charge-a-car-battery — Советы по безопасной зарядке
  3. avtonov.svoi.info/akb2.php#sthash.oa0dUGTF.dpbs — Влияние условий эксплуатации на работоспособность аккумуляторных батарей

Похожий бред:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Protected by WP Anti Spam