Як правильно заряджати свинцево-кислотні акумулятори

Як правильно заряджати свинцево-кислотні акумулятори

Сучасні технології розвиваються семимильними кроками, а з ними розвиваються технології виготовлення свинцево-кислотних акумуляторних батарей. На сучасному ринку, яких тільки свинцево-кислотних акумуляторних батарей не зустрінеш. Спробуємо розібратися, охарактеризувати та класифікувати їх.

Режими роботи

Зупинимося трохи на режимах роботи акумуляторних батарей. Отже, прийнято розрізняти такі режими роботи:

• Циклічний режим;
• Буферний режим;
• Змішаний режим.

Циклічний режим

Режим роботи, при якому акумуляторна батарея, під час експлуатації, проходить цикл від повного розряду до повного заряду. Цей режим вважається "жорстким". Оскільки термін служби акумулятора, який працює в циклічному режимі, обмежений певною кількістю циклів. І кількість цих циклів невелика, в середньому 300 – 600 циклів. У циклічному режимі такий акумулятор пропрацює від 6 до 12 місяців. Приклад використання акумулятора у циклічному режимі: дитячі електромобілі.

Буферний режим

Режим роботи, при якому акумуляторна батарея, під час експлуатації, завжди підключена до джерела живлення і лише іноді частково розряджається. Цей режим є найпоширенішим і вважається "м'яким". Так як під час експлуатації, батарея, що працює в буферному режимі, не повністю розряджається. Термін служби батареї, що працює в такому режимі, вимірюється часом і становить у середньому від 1 до 5 років та більше. Приклад використання батареї у буферному режимі: безперебійні джерела енергії.

Змішаний режим

Режим роботи, при якому акумуляторна батарея, під час експлуатації, переважно працює в буферному режимі, а лише іноді в циклічному. Цей режим представляє комбінацію буферного та циклічного режимів у різних пропорціях. Термін служби батареї, що працює в такому режимі, залежить від самої пропорції. Чим більше буферного режиму - тим довше термін служби, і навпаки. Приклад використання батареї у змішаному режимі: автомобіль.

Типи акумуляторів

Прийнято розрізняти такі типи:

• LA (Lead Acid) - Свинцево-кислотні;
• SLA (Sealed Lead Acid) - герметичні свинцево-кислотні;
• VRLA (Valve Regulated Lead Acid) - герметичні свинцево-кислотні з клапаном регулювання внутрішнього тиску.

< br>

Технологічні та конструктивні особливості

Конструкція всіх свинцево-кислотних акумуляторів схожа та інтуїтивно зрозуміла з назви. Але все ж таки, трохи зупинимося на ній. Свинцево-кислотна батарея складається з електродів (анодних та катодних пластин, електродних решіток), зроблених зі свинцю та електроліту, що є розчином сірчаної кислоти (H2SO4), кислота при цьому розчиняється в дистильованій воді. Розглянемо склад батареї детальніше.

Електроди мають, в основному, решітчасту структуру, покриту спеціальним порошком (активною масою). У сучасних свинцево-кислотних акумуляторних батареях свинець у чистому вигляді майже не зустрічається і при їх виготовленні використовують додаткові метали. Пластини при виготовленні оснащуються різною твердою речовиною - активною масою, наприклад: оксидами свинцю, сурмою, кальцієм. Покриття електрода, активну масу, прийнято називати "намазкою". Пластини, між собою розділені роздільними решітками. Роздільні решітки прийнято називати "сепараторами". Підведемо підсумок. У конструкцію сучасного свинцево-кислотного акумулятора входять такі основні "елементи":

• Решітчаті пластини (електроди: Анод і Катод);
• Активна маса (намазка пластин);
• Сепаратори;
• Електроліт.

Під час виготовлення "елементів", різними виробниками, застосовуються різні матеріали і технології. Звідси і різноманітність типів та видів сучасних акумуляторних батарей. За технологічними та конструктивними особливостями, сучасні свинцево-кислотні акумулятори діляться на технології виготовлення:

• WET(Wet Cell Battery) - "мокра" батарея з "вільною" кислотою;
• EFB(Enhanced Flooded Battery) - посилена "мокра" батарея;
• AFB(Advanced Flooded Battery) - удосконалена "мокра" батарея;
• ECM(Enhanced Cycling Mat) - модифікована свинцево-кислотна батарея;
• GEL(Gelled Electrolyte) - геливий електроліт;
• AGM(Absorbent Glass Mat) - абсорбуючий скляний мат;
• AGM+ (Advanced Absorbent Glass Mat) - удосконалений абсорбуючий скляний мат;
• DRYFIT GEL - удосконалена гелива технологія;
• CARBON GEL - (вуглецева) акумуляторна батарея.

WET (Wet Cell Battery) - "мокрі" батареї зі "вільною" кислотою.

Акумулятори даного типу є звичайними "класичними" акумуляторами з рідким електролітом. Циклічний ресурс WET акумуляторів становить: 250-500 циклів. Робочий цикл (DOD): 50% глибини розряду. Стандартна напруга заряджання: 14,4-14,5В. Приклад використання акумулятора WET: автомобільний акумулятор. WET акумулятори поділяються на:

• Акумулятори що обслуговуються;
• Акумулятори що мало обслуговуються (гібридні);
• Акумулятори що необслуговуються.

Акумулятори, що обслуговуються. В акумуляторах, що обслуговуються, електроди виготовлені зі свинцю з додаванням сурми (PbSb). Електродні решітки при цьому поглинають електролітну речовину, тому її концентрацію та кількість необхідно періодично контролювати. Це означає, що іноді слід доливати дистильовану воду, контролюючи концентрацію сірчаної кислоти. Контроль концентрації зводиться до контролю загальної щільності електроліту через кожні 3 - 6 місяців.

Акумулятори, що мало обслуговуються (гібридні) акумулятори. У гібридних акумуляторних батареях інша структура електродів. Анодні пластини - являють собою комбінацію свинцю та сурми низького вмісту. Катодні пластини - являють собою комбінацію свинцю та кальцію. У конструкції гібридних акумуляторів знижено споживання води. Вода доливається рідко, в основному під час перезаряджання (кипіння) або при експлуатації в жарких погодних умовах.

Акумулятори, що не обслуговуються. Акумулятори, що не обслуговуються, не містять сурми. Анодні пластини - являють собою комбінацію свинцю, кальцію, олова або срібла. У конструкції акумуляторів, що не обслуговуються, споживання води ще більш знижено. Вода не доливається зовсім. Контроль стану акумулятора, що не обслуговується, здійснюється за кольором вбудованого індикатора (якщо він є). Індикатор має такі кольори:

• Зелений - Батарея заряджена;
• Червоний - Батарея розряджена;
• Білий - Малий залишок електроліту.

EFB (Enhanced Flooded Battery) - посилена "мокра" батарея.

Акумулятори даного типу, являють собою удосконалені економічні свинцево-кислотні батареї з рідким електролітом, призначені для використання в автомобілях із системою Старт/Стоп. Пластини цих батарей укріплені шарами скловолокна, що запобігає обсипанню пластин. Дані акумулятори дуже стійкі до вібрації та призначені для експлуатації у "жорстких" умовах. При цьому EFB акумулятори здатні витримувати вдвічі більше циклічне навантаження і мають на 16% більший робочий цикл (500 - 1000 циклів). Робочий цикл (DOD): 60% глибини розряду. Стандартна напруга заряджання: 14,4-14,5В. Приклад використання EFB акумулятора: акумулятор мікрогібридного автомобіля.

>

AFB (Advanced Flooded Battery) - вдосконалена "мокра" батарея.

Акумулятори даного типу, являють собою удосконалені економічні свинцево-кислотні батареї з рідким електролітом, призначені для використання в автомобілях із системою Старт/Стоп. Катодні пластини цих батарей та активна маса більш стійкі до різних корозійних процесів. Катодні пластини виготовлені з унікального сплаву. Акумулятори AFB технології мають надлишок електроліту. Сепаратори мають 2-шарові перегородки. При цьому AFB акумулятори мають збільшений термін служби в циклічному режимі і потужнішу пускову можливість. Циклічний ресурс акумулятора цього типу становить: 500 - 1000 циклів. Робочий цикл (DOD): 60% глибини розряду. Стандартна напруга заряджання: 14,4–14,5В.

ECM (Enhanced Cycling Mat) - модифікована свинцево-кислотна батарея.

Акумулятори даного типу, являють собою удосконалені економічні свинцево-кислотні батареї з рідким електролітом, призначені для використання в автомобілях із системою Старт/Стоп. Катодні пластини цих батарей виготовлені зі спіненого металу, а активна маса має більш високу щільність. Акумулятори технології ECM мають надлишок електроліту. При цьому ECM акумулятори мають збільшений термін служби в циклічному режимі і потужніші пускові можливості. Циклічний ресурс акумулятора цього типу становить: 500 - 1000 циклів. Робочий цикл (DOD): 60% глибини розряду. Стандартна напруга заряджання: 14,4–14,5В.

Акумулятори, виготовлені за EFB/AFB/ECM технологіями, мають схожі характеристики і є проміжними між класичними та AGM батареями.

GEL (Gelled Electrolyte) - гелевий електроліт

Акумулятори даного типу є акумуляторами VRLA типу, що не обслуговуються. Акумулятори являють собою вдосконалені економічні свинцево-кислотні батареї з силікагелем, в якості електроліту. Акумулятори призначеныі для використання в системах безперебійного живлення, інверторах, сонячних накопичувачах, тощо і є тяговими акумуляторами. Силікагель дозволяє збільшити ємність батареї, оскільки перешкоджає випаровуванню. Гелеві акумулятори відносяться до типу VRLA. Всередині гелеві акумулятори мають схожу структуру з акумуляторами на рідкому електроліті. Гелеві акумулятори не містять сурми. У активній масі використовується кальцій. Желеподібність електроліту досягається за рахунок додавання з'єднання кремнію. Гелеві акумулятори забезпечують менше випаровування електроліту, збільшений циклічний ресурс (300 - 500 циклів) та підвищену стійкість до ударів, вібрацій та стратифікації кислоти. Робочий цикл (DOD): 50% глибини розряду. Стандартна напруга заряджання: 14,2-14,3В. Гелеві акумулятори все ще мають комерційне застосування, проте використовуються обмежено через стрімкий розвиток AGM технології.

AGM (Absorbent Glass Mat) - абсорбуючий скляний мат

Акумулятори даного типу є акумуляторами VRLA типу, що не обслуговуються. Акумулятори призначені для роботи в системах безперебійного живлення, інверторах, сонячних накопичувачах тощо і є тяговими акумуляторами. Замість гелю в AGM батареях використовуються сепаратори з скловолокна, що абсорбуються. Це підвищує їх ефективність в порівнянні з рідинними і гелевими. AGM акумулятори мають нижчий внутрішній опір, що дозволяє забезпечувати більший струм. Циклічний ресурс акумулятора цього типу становить: 400 - 600 циклів. Робочий цикл (DOD): 80% глибини розряду. Стандартна напруга заряджання: 14,7-14,8В. Заряджання батареї AGM протікає в 5 разів швидше.

Примітка: як і всі VRLA батареї, AGM акумулятори чутливі до неправильної зарядки.

AGM+ (Advanced Absorbent Glass Mat) - вдосконалений абсорбуючий скляний мат

AGM+ або покращені акумулятори AGM типу являють собою тягові акумулятори VRLA типу, що не обслуговуються. За своїми характеристиками AGM+ схожі з традиційними акумуляторами AGM, однак мають збільшений циклічний ресурс і зменшену внутрішню протидію, завдяки чому підходять для мікрогібридних автомобілів з системою Старт/Стоп. Циклічний ресурс акумуляторів даного типу становить: 800 - 1200 циклів. Робочий цикл (DOD) становить: 80% глибини розряду. Стандартна напруга заряджання:: 15,2–15,3В.

DRYFIT GEL - удосконалена гелева технологія

Акумулятори даного типу, являють собою акумулятори VRLA типу з желеподібним електролітом, що необслуговуються. Акумулятори призначені для використання в системах безперебійного живлення, сигналізаціях, медичній техніці, інверторах, сонячних накопичувачах, річковому та морському транспорті, вимірювальних приладах та ін. Желеподібність електроліту досягається за рахунок додавання до нього спеціального загусника. У якості сепаратора використовується мікропористий матеріал. DRYFIT батареї не містять сурми. Сурма замінена кальцієм. Акумулятори за технологією DRYFIT стійкі до глибоких розрядів, дуже швидко заряджаються, довговічні, порівняно з класичними батареями з вільною кислотою. DRYFIT батареї мають більший циклічний ресурс (1200 – 2000 циклів) порівняно з AGM батареями. Робочий цикл (DOD) складає: 80% глибини розряду.

CARBON GEL- (вуглецеві) акумуляторні батареї

Акумулятори даного типу є акумуляторами VRLA типу з желеподібним електролітом і є тяговими акумуляторами що не обслуговуються. Карбонові акумуляторні батареї є універсальними, з підвищеною циклічністю, і відповідно сфера їх застосування – це накопичувачі енергії, електротранспорт, інвалідні коляски, гольф-кари, складська та інша техніка. А ось у пристроях безперебійного живлення їх використання – не рекомендовано. Електроди в таких акумуляторах виготовлені за трубчастою технологією. У пластини додано вуглець. У якості електроліту використовується колоїдний електроліт з додаванням діоксиду кремнію. В активну масу пластин також додано вуглець, що значно знижує процес сульфатації. Циклічний ресурс акумуляторів цього типу становить: 3000 - 4800 циклів. Робочий цикл (DOD) становить: 30% – 70% глибини розряду. Стандартна напруга заряджання: 14,4-15,0В. На даний час випущені карбонові акумулятори: І та ІІ покоління.

CARBON I покоління: не можна розряджати великими струмами, але можна повністю розряджати.

CARBON II покоління: можна розряджати великими струмами, але не можна повністю розряджати. Гранично допустимий розряд: 30%.

Примітка: кількість циклів карбонових батарей відповідає кількості циклів літієвих акумуляторів.

Примітка: на даний час на ринку з'являються карбонові акумулятори, здатні забезпечити високі стартерні струми, а це означає, що батареї даного типу стають придатними для використання в автомобілях.

Як видно, з вище сказаного, технологій виготовлення сучасних акумуляторів досить багато. Кожна "технологія" має свої вимоги до процедури заряджання та вимоги до параметрів заряджання. Деякі параметри заряджання ми торкнулися вище, торкнемося трохи процедури заряджання. Усю процедуру заряджання сучасного акумулятора прийнято розбивати на етапи. Набір процедур та кількість етапів у кожного типу акумулятора свій. Наприклад, у VRLA акумуляторів немає етапу "Десульфатації", а також немає етапу "Відновлення". Нижче наведено найбільш поширені етапи заряджання. Розглянемо ці етапи на прикладі 12В батарей.

Етапи заряджання

Етап 1 (Desulfatation)- Десульфатація

Визначення сульфатованих батарей LA, SLA типів. Десульфатація VRLA батарей не потрібна через високу якість металу. Заряджання відбувається шляхом подачі імпульсної напруги, дозволяючи видалити сульфати з поверхні решітчатих пластин, тим самим відновлюючи ємність батареї. Імпульсна напруга: 15.6В

Етап 2 (Soft Start старт) - Плавний старт

На даному етапі відбувається тест батареї щодо сприйнятливості заряду. Тест відбувається при напрузі 12.6В зі струмом 0.1C

Етап 3 (Bulk)- Основний заряд

На цьому етапі відбувається зарядка LA, SLA, VRLA батарей до 80% номінальної ємності максимальним постійним струмом (CC). Струм заряджання 0.1C. Напруга заряджання постійно підвищується, доходячи до максимально допустимого значення в циклічному режимі. Максимально допустиме значення напруги в циклічному режимі – у кожного типу акумулятора своє. Воно вказується на акумуляторі. Наприклад, для LA, SLA типів воно у середньому становить 14.4В, а для батарей AGM воно в середньому становить 14.7В.

Етап 4 (Absorption)- Поглинання

На даному етапі відбувається зарядка LA, SLA, VRLA батарей до 100% номінальної ємності максимальною постійною напругою (CV) у циклічному режимі. Струм заряджання в цьому режимі постійно знижується.

Етап 5 (Analyse) - Діагностика

На даному етапі проводиться тестування акумулятора щодо утримання заряду. Суть тестування зводиться до виміру напруги батареї протягом 3 хвилин. Напруга батареї не повинна просідати нижче 12В (залежить від напруги акумулятора). Якщо батарея не проходить тест на 5 етапі, така батарея вважається непридатною для використання.

Етап 6 (Recond)- Відновлення

Цей етап підходить тільки для батарей LA, SLA типів. VRLA батареям цей етап протипоказаний. У ході виконання цього етапу, напруга заряджання батареї збільшується до 15.8 з струмом не більше 1.5А з метою появи контрольованого газовиділення (кипіння). Газовиділ сприяє перемішування електроліту, тим самим відновлюючи розшарування електроліту і збільшуючи ємність батареї. Розшарування електроліту (стратифікація) може відбуватися або з об'єктивних причин або після обслуговування (доливки дистильованої води).

Етап 7 (Float)- Режим насичення або Буферний режим

На даному етапі відбувається підтримка напруги LA, SLA, VRLA батареї на максимально допустимому значенні в буферному режимі за рахунок подачі постійної напруги. Значення максимальної підтримуючої напруги в середньому становить 13.6В

Етап 8 (Pulse)- Профілактична зарядка

На даному етапі відбувається підтримка заряду LA, SLA, VRLA батареї на рівні 95% - 100%. Зарядний пристрій у цьому режимі постійно контролює заряд батареї і за потреби дозаряджає її, тим самим утримуючи батарею повністю зарядженою та готовою до роботи.

Підсумок

Можна підвести підсумок: сучасний акумулятор практично неможливо зарядити класичним зарядним пристроєм старого зразка, з ручним регулюванням струму заряджання. Необхідно використовувати сучасні імпульсні зарядні пристрої з повною автоматизацією зарядних процесів. У таких зарядних пристроях етапи та параметри вже прописані виробником. Отже, ймовірність зіпсувати акумулятор - знижена до мінімуму.

Абревіатура, що зустрічається

DOD — Depth of Discharge — глибина розряду акумуляторної батареї;

С – номінальна ємність батареї при 10-ти годинному розряді та температурі 25°C;