Как правильно заряжать свинцово-кислотные аккумуляторы

Как правильно заряжать свинцово-кислотные аккумуляторы

Современные технологии развиваются семимильными шагами, а с ними и развиваются технологии изготовления свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. На современном рынке, каких только свинцово-кислотных аккумуляторных батарей не встретишь. Попробуем разобраться, охарактеризовать и классифицировать их.

Режимы работы

Остановимся немного на режимах работы аккумуляторных батарей. Итак, принято различать следующие режимы работы:

• Циклическом режим;
• Буферный режим;
• Смешанный режим.

Циклический режим

Режим работы, при котором аккумуляторная батарея во время эксплуатации проходит цикл от полного разряда до полного заряда. Этот режим считается "жестким". Так как срок службы аккумулятора, работающего в циклическом режиме, ограничен определенным количеством циклов. И количество этих циклов не велико, в среднем 300 - 600 циклов. В циклическом режиме, такой аккумулятор проработает от 6 до 12 месяцев. Пример использования аккумулятора в циклическом режиме: детские электромобили.

Буферный режим

Режим работы, при котором аккумуляторная батарея во время эксплуатации всегда подключена к источнику питания и лишь изредка частично разряжается. Этот режим является наиболее распространённым и считается "мягким". Так как во время эксплуатации, батарея, работающая в буферном режиме, разряжается не полностью. Срок службы батареи, работающей в таком режиме, измеряется временем и составляет в среднем от 1 до 5 лет и более. Пример использования батареи в буферном режиме: бесперебойные источники энергии.

Смешанный режим

Режим работы, при котором аккумуляторная батарея во время эксплуатации в основном работает в буферном режиме, а лишь изредка в циклическом. Этот режим представляет комбинацию буферного и циклического режимов в разных пропорциях. Срок службы батареи, работающей в таком режиме, зависит от самой пропорции режима. Чем больше буферного режима - тем дольше срок службы, и наоборот. Пример использования батареи в смешанном режиме: автомобиль.

Типы аккумуляторов

Принято различать следующие типы:

• LA (Lead Acid) - Свинцово-кислотные;
• SLA (Sealed Lead Acid) - герметичные свинцово-кислотные;
• VRLA (Valve Regulated Lead Acid) - герметичные свинцово-кислотные с клапаном регулирования внутреннего давления.

Технологические и конструктивные особенности

Конструкция всех свинцово-кислотных аккумуляторов схожая и интуитивно-понятная из названия. Но все же, немного остановимся на ней. Свинцово-кислотная батарея состоит из электродов (пластин, электродных решеток), сделанных из свинца и электролита, представляющего собой раствор серной кислоты (H2SO4), кислота при этом растворяется в дистиллированной воде. Рассмотрим строение батареи более подробно.

Электроды имеют, в основном, решетчатую структуру, покрытую специальным порошком (активной массой). В современных свинцово-кислотных аккумуляторных батареях, свинец в чистом виде, почти не встречается и при их изготовлении используют дополнительные металлы.  Пластины, при изготовлении, оснащаются различным твердым веществом - активной массой, например: окислами свинца, сурьмой, кальцием. Покрытие электрода, активную массу, принято называть "намазкой". Пластины, между собой разделены разделительными решетками. Разделительные решетки принято называть "сепараторами". Подведем итог. В конструкцию, современного свинцово-кислотного аккумулятора входят следующие основные "элементы":

• Решетчатые пластины (электроды: Анод и Катод);
• Активная масса (намазка пластин);
• Сепараторы;
• Электролит.

При изготовлении "элементов", различными производителями, применяются различные материалы и технологии. Отсюда и разнообразие типов и видов современных аккумуляторных батарей. По технологическим и конструктивным особенностям, современные свинцово-кислотные аккумуляторы делятся на технологии изготовления:

• WET (Wet Cell Battery) - "мокрая" батарея со "свободной" кислотой;
• EFB (Enhanced Flooded Battery) - усиленная "мокрая" батарея;
• AFB (Advanced Flooded Battery) - усовершенствованная "мокрая" батарея;
• ECM (Enhanced Cycling Mat) - модифицированная свинцово-кислотная батарея;
• GEL (Gelled Electrolyte) - геливый электролит;
• AGM (Absorbent Glass Mat) - абсорбирующий стеклянный мат;
• AGM+ (Advanced Absorbent Glass Mat) - усовершенствованный абсорбирующий стеклянный мат;
• DRYFIT GEL - усовершенствованная геливая технология;
• CARBON GEL - (углеродная) аккумуляторная батарея.

WET (Wet Cell Battery) - "мокрая" батарея со "свободной" кислотой.

Аккумуляторы данного типа, представляют собой самые обычные "классические" аккумуляторы с жидким электролитом. Циклический ресурс WET аккумуляторов составляет: 250–500 циклов. Рабочий цикл (DOD) составляет: 50% глубины разряда. Стандартное напряжение зарядки: 14,4–14,5В. Пример использования WET аккумулятора: автомобильный аккумулятор. WET аккумуляторы в свою очередь делятся на:

• Обслуживаемые;
• Мало обслуживаемые (гибридные);
• Необслуживаемые.

Обслуживаемые аккумуляторы. В обслуживаемых аккумуляторах электроды изготовлены из свинца с добавлением сурьмы (PbSb). Электродные решетки при этом поглощают электролитное вещество, поэтому его концентрацию и количество необходимо периодически контролировать. Это значит, что время от времени, следует доливать дистиллированную воду, контролируя при этом концентрацию серной кислоты. Контроль концентрации сводится к контролю общей плотности электролита через каждые 3 - 6 месяцев.

Мало обслуживаемые (гибридные) аккумуляторы. В гибридных аккумуляторных батареях иная структура электродов. Анодные пластины - представляют комбинацию свинца и сурьмы низкого содержания.  Катодные пластины - представляют комбинацию свинца и кальция. В конструкции гибридных аккумуляторов, снижено потребление воды. Вода доливается редко, в основном при перезаряде (кипении) или при эксплуатации в жарких погодных условиях.

Необслуживаемые аккумуляторы. В необслуживаемых аккумуляторных батареях не содержится сурьмы. Анодные пластины - представляют комбинацию свинца, кальция, олова или серебра. В конструкции необслуживаемых аккумуляторов, потребление воды еще более снижено. Вода не доливается совсем. Контроль состояния необслуживаемого аккумулятора осуществляется по цвету встроенному индикатору (если он есть). Индикатор имеет следующие цвета:

• Зеленый - Батарея заряжена;
• Красный - Батарея разряжена;
• Белый - Малый остаток электролита.

EFB (Enhanced Flooded Battery) - усиленная "мокрая" батарея.

Аккумуляторы данного типа, представляют собой усовершенствованные экономичные свинцово-кислотные батареи с жидким электролитом, предназначенные для использования в автомобилях с системой Старт/Стоп. Пластины этих батарей укреплены слоями стекловолокна, предотвращающие осыпание пластин. Данные аккумуляторы очень стойки к вибрации и предназначены для эксплуатации в "жестких" условиях. При этом EFB аккумуляторы способны выдерживать в 2 раза большую циклическую нагрузку и имеют на 16% больший рабочий цикл (500 - 1000 циклов). Рабочий цикл (DOD) составляет: 60% глубины разряда. Стандартное напряжение зарядки: 14,4–14,5В. Пример использования EFB аккумулятора: аккумулятор микрогибридного автомобиля.

AFB (Advanced Flooded Battery) - усовершенствованная "мокрая" батарея.

Аккумуляторы данного типа, представляют собой усовершенствованные экономичные свинцово-кислотные батареи с жидким электролитом, предназначенные для использования в автомобилях с системой Старт/Стоп. Катодные пластины этих батарей и активная масса более стойки к различным коррозийным процессам. Катодные пластины сделаны из уникального сплава. Аккумуляторы AFB технологии имеют избыток электролита. Сепараторы имеют 2х слойные перегородки. При этом AFB аккумуляторы обладают увеличенным сроком службы в циклическом режиме и более мощными пусковыми возможностями. Циклический ресурс аккумулятора данного типа составляет: 500 - 1000 циклов. Рабочий цикл (DOD) составляет: 60% глубины разряда. Стандартное напряжение зарядки: 14,4–14,5В.

ECM (Enhanced Cycling Mat) - модифицированная свинцово-кислотная батарея.

Аккумуляторы данного типа, представляют собой усовершенствованные экономичные свинцово-кислотные батареи с жидким электролитом предназначенные для использования в автомобилях с системой Старт/Стоп. Катодные пластины этих батарей произведены из вспененного металла, а активная масса имеет более высокую плотность. Аккумуляторы ECM технологии имеют избыток электролита. При этом ECM  аккумуляторы обладают увеличенным сроком службы в циклическом режиме и более мощными пусковыми возможностями. Циклический ресурс аккумулятора данного типа составляет: 500 - 1000 циклов. Рабочий цикл (DOD) составляет: 60% глубины разряда. Стандартное напряжение зарядки: 14,4–14,5В.

Аккумуляторы, изготовленные по EFB/AFB/ECM технологии имеют схожие характеристики и являются промежуточными между классическими и AGM батареями.

GEL (Gelled Electrolyte) - гелевый электролит

Необслуживаемые гелевые аккумуляторы VRLA типа, представляют собой усовершенствованные экономичные свинцово-кислотные батареи с силикагелем, в качестве электролита, предназначенные для использования в системах бесперебойного питания, инверторах, солнечных накопителях и пр. и являются тяговыми аккумуляторами. Силикагель позволяет увеличить емкость батареи, так как препятствует испарению. Гелевые аккумуляторы относятся к VRLA типу. Внутри, гелевые аккумуляторы, имеют похожее строение с аккумуляторами на жидком электролите. Гелевые аккумуляторы не содержат сурьмы. В активной массе используется кальций. Желеобразность электролита достигается за счет добавления соединения кремния. Гелевые аккумуляторы обеспечивают меньшее испарение электролита, увеличенный циклический ресурс (300 - 500 циклов) и повышенную устойчивость к ударам, вибрациям и стратификации кислоты. Рабочий цикл (DOD) составляет: 50% глубины разряда. Стандартное напряжение зарядки: 14,2–14,3В. Гелевые аккумуляторы все еще имеют коммерческое применение, однако используются ограничено из-за стремительного развития AGM технологии.

AGM (Absorbent Glass Mat) - абсорбирующий стеклянный мат

Аккумуляторы данного типа, представляют собой необслуживаемые аккумуляторы VRLA типа предназначенные для работы в системах бесперебойного питания, инверторах, солнечных накопителях и пр. и являются тяговыми аккумуляторами. Вместо геля в AGM батареях используются сепараторы из абсорбирующего стекловолокна, что повышает их эффективность по сравнению с жидкостными и гелевыми. AGM аккумуляторы имеют более низкое внутреннее сопротивление, что позволяет обеспечивать больший ток. Циклический ресурс аккумулятора данного типа составляет: 400 - 600 циклов. Рабочий цикл (DOD) составляет: 80% глубины разряда. Стандартное напряжение зарядки: 14,7–14,8В. Заряд AGM батареи протекает в 5 раз быстрее.

Примечание: как и все VRLA батареи, AGM аккумуляторы чувствительны к неправильной зарядке.

AGM+ (Advanced Absorbent Glass Mat) - усовершенствованный абсорбирующий стеклянный мат

AGM+ или улучшенные AGM аккумуляторы представляют собой необслуживаемые тяговые аккумуляторы VRLA типа. По своим характеристикам AGM+ схожи с традиционными AGM аккумуляторами, однако имеют увеличенный циклический ресурс и уменьшенное внутреннее сопротивление, благодаря чему подходят для микрогибридных автомобилей с системой Старт/Стоп. Циклический ресурс аккумуляторов данного типа составляет: 800 - 1200 циклов. Рабочий цикл (DOD) составляет: 80% глубины разряда. Стандартное напряжение зарядки: 15,2–15,3В.

DRYFIT GEL - усовершенствованная гелевая технология

Аккумуляторы данного типа, представляют собой необслуживаемые аккумуляторы VRLA типа с желеобразным электролитом, предназначенные для использования в системах бесперебойного питания, сигнализациях, медицинской технике, инверторах, солнечных накопителях, речном и морском транспорте, измерительных приборах и пр. Анодная пластина произведена по трубчатой технологии. Желеобразность электролита достигается за счет добавления в него специального загустителя. В качестве сепаратора используется микропористый материал. DRYFIT батареи не содержат сурьмы. Сурьма заменена кальцием. Аккумуляторы по технологии DRYFIT стойки к глубоким разрядам, очень быстро заряжаются, долговечны по сравнению с классическими батареями со свободной кислотой. DRYFIT батареи имеют больший циклический ресурс (1200 - 2000 циклов) по сравнению с AGM батареями. Рабочий цикл (DOD) составляет: 80% глубины разряда.

CARBON GEL - (углеродные) аккумуляторные батареи

Аккумуляторы данного типа, представляют собой необслуживаемые аккумуляторы VRLA типа с желеобразным электролитом и являются тяговыми аккумуляторами. Карбоновые аккумуляторные батареи являются универсальными, с повышенной цикличностью, и соответственно сфера их применения - это накопители энергии, электротранспорт, инвалидные коляски, гольф-кары, складская и другая техника. А вот в устройствах бесперебойного питания их использование - не рекомендовано. Электроды в таких аккумуляторах изготовлены по нано трубчатой технологии. В пластины добавлен углерод. В качестве электролита используется коллоидный электролит с добавлением диоксида кремния. В активную массу пластин также добавлен углерод, что значительно снижает процесс сульфатации. Циклический ресурс аккумуляторов данного типа составляет: 3000 - 4800 циклов. Рабочий цикл (DOD) составляет: 30% - 70% глубины разряда. Стандартное напряжение зарядки: 14,4–15,0В. В настоящее время выпущены карбоновые аккумуляторы: I и II поколения.

CARBON I поколения: нельзя разряжать большими токами, но можно подвергать полному разряду.

CARBON II поколения: можно разряжать большими токами, но нельзя подвергать полному разряду. Предельно-допустимый разряд: 30%.

Примечание: количество циклов карбоновых батарей соответствует количеству циклов литиевых аккумуляторов.

Примечание: в настоящее времени на рынке появляются карбоновые аккумуляторы способные обеспечить высокие стартерные токи, а это значит, что батареи данного типа, становятся пригодными для использования в автомобилях.

Как видно, из выше сказанного, технологий изготовления современных аккумуляторов довольно много. Каждая "технология" имеет свои требования к процедуре зарядки и требования к параметрам зарядки. Некоторые параметры зарядки мы затронули выше, коснемся немного процедуры зарядки. Всю процедуру зарядки современного аккумулятора принято разбивать на этапы. Набор процедур и количество этапов у каждого типа аккумулятора свой. Например, у VRLA аккумуляторов нет этапа "Десульфатации", а также нет этапа "Восстановления". Ниже перечислены наиболее распространенные этапы зарядки. Рассмотрим эти этапы на примере всё тех же 12В батарей.

Этапы зарядки

Этап 1 (Desulfatation) - Десульфатация

Определение сульфатированных батарей LA, SLA типов. Десульфатация VRLA батарей не нужна по причине высокого качества металла. Заряд происходит путем подачи импульсного напряжения, позволяя удалить сульфаты с поверхности решетчатых пластин, тем самым восстанавливая емкость батареи. Импульсное напряжение: 15.6В

Этап 2 (Soft Start старт) - Плавный старт

На данном этапе происходит тест батареи на предмет восприимчивости заряда. Тест происходит при напряжении 12.6В с током 0.1C

Этап 3 (Bulk) - Основной заряд

На данном этапе происходит зарядка LA, SLA, VRLA батарей до 80% номинальной емкости максимальным постоянным током (CC). Ток зарядки 0.1C Напряжение зарядки постоянно повышается, доходя до максимально допустимого значения в циклическом режиме. Максимально допустимое значение напряжения в циклическом режиме - у каждого типа аккумулятора свое. Оно указывается на аккумуляторе. Например, для LA, SLA типов оно в среднем составляет 14.4В, а для батарей AGM оно в среднем составляет 14.7В

Этап 4 (Absorption) - Поглощение

На данном этапе происходит зарядка LA, SLA, VRLA батарей до 100% номинальной емкости максимальным постоянным напряжением (CV) в циклическом режиме. Ток зарядки в этом режиме постоянно снижается.

Этап 5 (Analyse) - Диагностика

На данном этапе производится тестирование аккумулятора на предмет удержания заряда. Суть тестирования сводится к замеру напряжения батареи в течении 3 - минут. Напряжение батареи не должно просидать ниже 12В (зависит от напряжения аккумулятора). Если батарея не проходит тест на 5 этапе - такая батарея считается непригодной для использования.

Этап 6 (Recond) - Восстановление

Данный этап подходит только для батарей LA, SLA типов. VRLA батареям этот этап противопоказан. В ходе выполнения этого этапа, напряжение зарядки батареи увеличивается до 15.8В с током не более 1.5А с целью появления контролируемого газовыделения (кипения). Газовыделение способствует перемешиванию электролита, тем самым восстанавливая расслоение электролита и увеличивая емкость батареи. Расслоение электролита (стратификация) может происходить либо по естественным причинам, либо после обслуживания (доливки дистиллированной воды).

Этап 7 (Float) - Режим насыщения или Буферный режим

На данном этапе происходит поддержание напряжения LA, SLA, VRLA батареи на максимально допустимом значении в буферном режиме, за счет подачи постоянного напряжения. Значение максимального поддерживающего напряжения в среднем составляет 13.6В

Этап 8 (Pulse) - Профилактическая зарядка

На данном этапе происходит поддержание заряда LA, SLA, VRLA батареи на уровне 95% - 100%. Зарядное устройство в этом режиме постоянно контролирует заряд батареи и при необходимости производит её дозаряд, тем самым удерживая батарею полностью заряженной и готовой к работе.

Итог

Можно подвести итог: современный аккумулятор, практически невозможно зарядить классическим зарядным устройством старого образца, с ручной регулировкой тока зарядки. Необходимо использовать, современные импульсные зарядные устройства с полной автоматизации зарядных процессов. В таких зарядных устройствах этапы и параметры уже прописаны производителем. А следовательно, вероятность испортить аккумулятор - снижена к минимуму.

Встречающаяся аббревиатура

DOD — Depth of Discharge — глубина разряда аккумуляторной батареи;

С – номинальная емкость батареи при 10-ти часовом разряде и температуре 25°C;