Тема импульсного заряда свинцовых аккумуляторов (СА) и состоящих из них кислотных батарей (АКБ) в последние годы набирает актуальность. В продаже появляются инновационные зарядные устройства, публикуются статьи, на специализированных форумах идёт активная исследовательская работа с жаркими спорами на сотни страниц.
О чём спорим?
Важнейшими эксплуатационными характеристиками АКБ являются ёмкость, токоотдача, срок службы, надёжность. Новые методы заряда и реализующие их устройства призваны служить цели повышения этих характеристик. В чём суть таких методов, и почему они актуализируются именно сейчас, мы и рассмотрим.В чём сложность?
СА - сложная физико-химическая система, в которой происходят, как минимум, десятки известных процессов, испытывающих взаимовлияние и влияние внешних факторов, прежде всего, электрического воздействия и температуры. Особую сложность добавляет то, что кинетика, то есть динамика скорости развития и распространения, у процессов разная.На протяжении десятилетий исследователи изучали эти процессы и вырабатывали способы взаимодействия с ними, при помощи имевшегося в их распоряжении оборудования. Фиксировались осциллограммы, графики самописцев, таблицы результатов измерений, разрабатывались и испытывались экспериментальные установки, и вывод чаще всего был один: СА - предмет сложный для понимания и эксплуатации, многие теоретические и практические вопросы остаются открытыми.
Почему этого не придумали раньше?
Но техника и техническая культура не стоят на месте. Появились и стали доступными электронные вычислительные машины (ЭВМ), причём в виде не только персональных компьютеров, но и компактных, недорогих, экономичных микроконтроллеров (МК), представляющих собой микроЭВМ с развитой периферией, выполненную на одном кристалле кремния размером меньше тетрадной клетки, и при этом способную выполнять миллионы операций в секунду. Аналоговая микроэлектроника также не отставала в развитии, предоставив всем желающим компоненты с невиданными ранее характеристиками точности, стабильности, диапазона применений.Итак, сегодня самое время вернуться к старому доброму изобретению Гастона Планте, вот уже много десятилетий несущему верную службу во множестве отраслей бытовой и профессиональной жизни, - свинцовому аккумулятору, - на предмет поиска более адекватных методов его эксплуатации с их реализацией на современной элементной базе.
Теория двойной сульфатации
Аккумулятор, он же вторичный химический источник тока (ХИТ), осуществляет накопление электрической энергии путём обратимого преобразования химического состава электродов (пластин), для дальнейшего полезного использования. В наипростейшем грубом приближении, называемом теорией двойной сульфатации, процессы заряда и разряда СА могут быть выражены следующей формулой.PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 = PbSO 4 + PbSO 4 + H 2 O
Реакция разряда происходит слева направо, заряда - справа налево. Активная масса (АМ) заряженной плюсовой (положительной) пластины, - ПАМ, - образована оксидом свинца, минусовой (отрицательной), - ОАМ, - губчатым свинцом. Как видим, и ПАМ, и ОАМ при разряде преобразуются в сульфат свинца, при образовании которого расходуется серная кислота и образуется вода.
Концентрация серной кислоты, а соответственно, плотность электролита, снижается при разряде и повышается при заряде. Это азбука свинцовых аккумуляторов. Но далее мы увидим, что одних букв азбуки недостаточно, их ещё надо связать в слова, предложения и текст, годный в качестве руководства к действию.
Упрощённые химические формулы носят статистический характер и не учитывают множества последовательных и параллельных переходных процессов, а также модификаций участвующих в них веществ, потому должны рассматриваться лишь как вводные данные, и ни в коем случае не как исчерпывающие и закрывающие вопрос ответы.
Структуры и функции
В отличие от школьного экзамена и конкурса эрудитов, на практике необходимы действующие и доступные к повторению способы (функции) и структуры (устройства) для их реализации. Это означает необходимость определиться, (и корректировать по ходу развития темы), с приоритетами: что, в данном приложении, мы учитываем прежде всего, а чем, опять же в данном приложении, можно пренебречь. Иначе получится презентация либо энциклопедия, но никак не прикладная, реализующая функцию структура. Презентации и энциклопедии тоже нужны, но это структуры для других функций.Эта страшная сульфатация
Из рассмотрения самой упрощённой, азбучной формулы, мы уже видим, что сульфатация, да ещё и двойная, - отнюдь не побочный эффект, а самая основа процесса разряда СА, будь то саморазряд или полезный разряд, ради которого АКБ и строится. Каким образом сульфатация становится патологической и губит аккумулятор, и как этого избежать, наш текущий вопрос.Поляризующее воздействие и зарядный ток
Сульфат свинца - труднорастворимый диэлектрик. Для его растворения, точнее, преобразования в активную массу пластин, необходимо приложить поляризующее воздействие, то есть разность потенциалов, она же электрическое напряжение, а также затратить электрический заряд для его усвоения в химической форме, т.е. пропустить зарядный ток в течение какого-то времени. Таким образом, электрическая энергия будет запасена в химической форме, и совершится заряд СА.Упрощённо, напряжение (вольты), помноженное на ток (амперы), даёт мощность (вольт*амперы, ватты), ток на время - заряд (кулоны или ампер*часы, по 3600 кулон каждый), мощность на время или заряд на напряжение - энергию (джоули или ватт*часы, также равные 3.6 килоджоуля, т.к. в часе 60 минут по 60 секунд).
Что такое зарядное устройство
Поляризующее воздействие и зарядный ток образуют зарядное воздействие на АКБ, функция которого осуществляется структурой, называемой зарядным устройством (ЗУ), или встраиваемым контроллером заряда, или эксплуатационным контроллером (драйвером).Казалось бы, чего проще: приложить напряжение и создать ток. Такое любой источник питания может. Но мы воздействуем на СА - сложную структуру, и для поддержания её полезных функций должны взаимодействовать адекватно, с обратной связью. Иначе воздействие будет разрушать структуру, а её функции деградировать, и это будет нехорошо.
Проводимость-Структура-Прочность
Ёмкость, токоотдача, срок службы, надёжность, с которых мы начинали нашу беседу, являются функциями АКБ. Выполнять функции призвана структура. Для токотдачи нужны высокая проводимость активной массы и токоведущих частей конструкции, причём эта проводимость должна быть сбалансирована для равномерного распределения токов и мощностей, а также контакт АМ с электролитом, позволяющий отдавать максимум полезной ёмкости при заданном токе. Потому активной массе необходима развитая поверхность, достигаемая разными конструкциями электродов. Конечно же, эта развитая структура должна быть механически прочной и долговечной при эксплуатации, то есть, приёме, хранении и отдаче аккумулятором энергии.Формовка
Формовкой называется процесс и результат (состояние) подготовки электродов к приёму зарядного и отдаче разрядного тока, соответственно с накоплением и возвращением полезной энергии. Так как накопление и отдача энергии связаны с физико-химическими превращениями активной массы, напрашивается очевидный вывод, что формовка вторичного ХИТ, в отличие от первичного, происходит не единовременно при его производстве и вводе в эксплуатацию, а при каждом заряде.Сульфаты свинца
Как уже упрощённо говорилось, сульфат свинца - диэлектрик, то есть, имеет высокое удельное сопротивление и низкую электропроводность. При саморазряде и полезном разряде он образуется на поверхности активной массы, изолируя её участки и электрически, и механически, препятствуя доступу к ней электролита. Таким образом он вредит упомянутым критериям проводимости и структуры СА, снижая и полезную ёмкость (энергию), и способность принимать и отдавать ток (мощность).Найти общий язык с заклятым другом АКБ сульфатом представляется возможность двумя известными способами. Во-первых, снять его с активной массы возможно путём перенапряжения, или даже электрического пробоя. Последним занимаются энтузиасты экстремальной десульфатации, и эта тема, как и сомнительные, по мнению многих коллег, способы грубого разрушения сульфатной корки сверхтоками, а также химической промывки, выходят за рамки нашей беседы.
Напряжение зарядного воздействия: выше - лучше?
Пока просто отметим, что развивать повышенное напряжение между пластинами СА при заряде (обслуживании) весьма полезно для разрушения сульфата, причём при этом, (если избежать нежелательных побочных эффектов, о них ниже), он не выпадает в осадок (шлам), но возвращает свой, грубо говоря, сульфат-ион в серную кислоту электролита, а свинец, в виде металла или оксида, пластинам, то есть, совершается полезный заряд.Зарядный ток: больше - лучше??
Во-вторых, оксиды свинца на положительной пластине могут образовываться при заряде АКБ в разных модификациях, из которых известны и важны для нас две, называемые альфа и бета. Альфа-оксид имеет меньшую удельную поверхность, а также изоморфную с сульфатом кристаллическую решётку, что при разряде ведёт к образованию плотного слоя сульфата. Всё это минусы для структуры и проводимости, по сравнению с бета-оксидом. Правда, альфа-модификация механически более прочна, но практика показывает это несущественным.Итак, желательно заряжать СА таким образом, чтобы способствовать преимущественному формированию бета-оксида свинца, с более развитой поверхностью и отсутствием склонности обрастать плотным слоем сульфата. А способствует этому более высокая плотность зарядного тока.
Отметим: зарядные устройства, значительно снижающие ток к концу заряда, (а таковых большинство), и тем более «подзарядники», компенсирующие саморазряд малым током, формируют альфа-оксид, снижая эксплуатационные характеристики батареи.
Электролит и электролиз
Но мы пока начали разбираться только с пластинами, упомянув о важнейшей составляющей СА, - электролите, - лишь вскользь. Электролит свинцового аккумулятора представляет собой раствор серной кислоты в дистиллированной воде, причём и кислота, и вода, как мы видели в уравнении двойной сульфатации, расходуются и образуются при заряде и разряде. Согласитесь, эта простая уравновешенная система вызывает восхищение. Но только пока она уравновешена.Если разность потенциалов между пластинами достигнет так называемого водородного перенапряжения, в банке, т.е. ячейке АКБ, начнётся процесс электролиза воды, её разложения на кислород и водород. Этот нехитрый и почти экологически чистый процесс для СА, мягко говоря, вреден крайне и многогранно. Рассмотрим, почему.
Во-первых, это потеря воды, которую в обслуживаемые наливные аккумуляторы приходится доливать, а в так называемые необслуживаемые (maintenance free, MF), особенно гелевые (с загущённым электролитом) и AGM (с абсорбирующими сепараторами из стекловолокна) это сделать несколько проблематично.
Разработчики СА прилагают немало усилий для рекомбинации кислорода и водорода обратно в воду и её возвращения в электролит. Эта функция возложена на структуры в виде клапанов в герметичных, точнее, герметизированных клапанами VRLA, загущение электролита силикагелем в GEL батареях, впитывающие стекломаты AGM, а также специальные пробки-рекуператоры, характерные для стационарных решений. Способность возвращать воду у всех этих решений, кроме, пожалуй, громоздких и недешёвых спецпробок, сильно ограничена, и избыточное давление газов, если оно образовалось, просто стравливается в атмосферу.
Во-вторых, что это за газы? Кислород, в присутствии серной кислоты агрессивно и с выделением теплоты разъедающий свинец, причём не только отрицательных пластин, но и несущих и токоведущих элементов конструкции, и водород, экологичный, но в смеси с кислородом воздуха крайне пожаровзрывоопасный. А при потере воды, к пластинам открывается доступ ещё и атмосферного кислорода.
Если газовыделение из АКБ идёт полным ходом, («кипение» электролита), экологичным данный процесс уже не назвать, так как происходит разбрызгивание и распыление капель серной кислоты, да не чистой, а с пылинками шлама, содержащими, как легко догадаться, соединения свинца, сурьмы и других материалов, употребляемых в качестве присадок при производстве СА.
Как деды аккумуляторы кипятили
«Кипение» перемешивает электролит и разрушает, в частности, слой сульфата на поверхности электродов. Потому в старые дикие времена оно было нормой эксплуатации АКБ. Изношенный верхний слой активной массы отрывался пузырьками газов и оседал в шлам, для которого внизу банок было предусмотрено место, обнажались для работы свежие слои.Критерии долговечности, экономичности и экологичности при этом страдали, зато аккумуляторы отрабатывали нормированные для них по тем временам характеристики, будучи заряжаемыми и обслуживаемыми простыми средствами. Трансформатор с диодами, хорошо, если есть амперметр и реостат или переключатель обмоток, ареометр с грушей, трубка-уровнемер, воронка да две бутыли, с раствором кислоты и дистиллированной водой, - вот и весь дедовский инструментарий. Вольтметр, нагрузочная вилка - уже роскошь. А в аккумуляторных мастерских батареи разбирали, из исправных пластин сваривали блоки, и собирали вновь.
Плотность электролита: чем выше, тем лучше???
Раз уж упомянули ареометр, или денсиметр, (один или несколько калиброванных поплавков, простейший из них - индикаторный глазок в некоторых АКБ), самое время поговорить о плотности электролита, состоящего, не забываем, из аккумуляторной кислоты и воды. Серная кислота тяжелее воды, потому плотность их смеси тем выше, чем больше её концентрация.Согласно уже знакомому нам упрощённому уравнению Гладстона и Трайба, по концентрации кислоты, т.е. плотности электролита, можно судить о степени заряженности аккумулятора. Но это не исчерпывающий критерий, ведь потери и доливки воды и кислоты точно так же влияют на плотность, как и процессы заряда-разряда.
Существует формула, связывающая напряжение разомкнутой цепи (НРЦ), оно же электродвижущая сила (ЭДС) без нагрузки, с соотношением количества кислоты и воды в электролите, а также температурой. Формула эта тоже упрощённая, так как не учитывает других свойств СА, части которых мы коснёмся ниже. И приводить её здесь не будем, она есть в книгах, а нашу беседу только перегрузит.
Чем выше концентрация кислоты, а следовательно, ЭДС, тем большую полезную работу способен произвести каждый кулон и ватт-час, отдаваемый батареей, то есть, растёт энергоёмкость. Также, избыток кислоты в электролите повышает его стойкость к замерзанию, потому в автомобилях на зиму принято устанавливать повышенные плотность электролита и напряжение заряда.
При понижении температуры полезная ёмкость АКБ снижается, при повышении - растёт. Это учитывается при зимних пусках двигателя и серьёзно ограничивает эксплуатацию транспортных средств со свинцовыми тяговыми батареями в холодное время года, ведь в автомобиле с ДВС, как только он заведён, начинает работать генератор, компенсируя разряд, а тяговой АКБ придётся отдавать ток на протяжении всего пути.
Тяговый и буферный режимы
Коль заговорили, продолжим. Режимы работы АКБ подразделяются на тяговый, или циклический (cycle use), когда происходит разряд значительной части ёмкости средним (относительно последней) по величине током, после чего следует заряд, и буферный (standby), когда разряды относительно редки, (резервные батареи бесперебойного питания), и производится тем или иным образом компенсация саморазряда.К буферному можно отнести и стартерный режим, когда за кратковременным неглубоким разрядом высоким током следует заряд в течение всей поездки автомобиля или мотоцикла. Близок к стартерному режим 15-минутного разряда резервных аккумуляторов компактных источников бесперебойного питания, служащих для безопасного завершения работы с сохранением данных, в отличие от тягового режима АКБ в мощных фонарях и ИБП для поддержания автоматики, связи, медицинского оборудования и др. в течение нескольких часов.
Характерный отличительный признак АКБ, специально предназначенных для 15-минутного разряда, - обозначение мощности в ваттах, отдаваемой одной банкой в этом режиме, маркировкой на корпусе и даже в артикуле батареи. Например, HR12-34W означает, что маленькая батарея «7-амперного» форм-фактора способна отдавать 6*34 = 204 ватта в течение четверти часа! На первый взгляд, это «всего-навсего» 4,25 ампер*часа, но знающих разрядные кривые СА и их природу такая характеристика порадует основательно, и весьма.
Накопители энергии в ветряной, и особенно солнечной энергетике, работают в тяговом, циклическом режиме. Когда энергия поступает, надо её по максимуму усвоить, чтобы затем отдавать, пока солнечные батареи и ветрогенераторы не дают ток. Габариты и масса стационарных накопителей, в отличие от транспортных, не критичны, потому стараются обеспечить по возможности избыточную их ёмкость и неглубокие циклы. Ведь чем глубже разряд, тем выше износ АКБ.
Вред перезаряда и повышенной концентрации кислоты
Если при повышенных температуре, ЭДС и концентрации кислоты аккумулятор выдаёт больше энергии и мощности, почему же его берегут, (должны, по крайней мере), от перегрева, и при наступлении тепла вручную или автоматически корректируют напряжение генератора и плотность электролита вниз?Дело в том, что повышенная химическая активность кислоты в избыточной концентрации действует на активную массу, несущие и токоведущие части СА разрушительно. Способствует этому и высокая температура. Повышаются саморазряд, сульфатация, коррозия, могущие происходить с выделением тепла и газов.
Тот же самый эффект случается при избыточных напряжении, токе, мощности, энергии зарядного воздействия. Все те лишние кулоны, киловатт-часы и рубли на оплату последних, что не усваиваются активной массой, идут на электролиз воды, нагрев и разрушение батареи, причём в любом случае, хотя и с разной скоростью.
Маленький ток «подзарядника» будет подтачивать вашу АКБ исподтишка, вы даже не заметите нагрева и газовыделения, настолько слабого, что с ним, возможно, справится штатная рекомбинация. Но формовка активной массы из свинца тоководов и несущих конструкций происходить будет. И в результате, - нет, полезная ёмкость не возрастёт, зато рассыпется внутренняя структура.
Снимали когда-нибудь крышки и колпачки клапанов с отказавшей АКБ компьютерного ИБП? Видели, во что превратились токоведущие шины? Это оно самое.
Теперь знаем об аккумуляторах всё?
Итак, слишком низкие и слишком высокие напряжения, токи, концентрации электролита, температуры для АКБ вредны. Это значит, что для циклического, буферного, стартерного и т.д. режимов работы можно определить оптимальные напряжения, токи, формализованные законы термокомпенсации, реализовать их в зарядном устройстве, реле-регуляторе, контроллере заряда, и мы тем самым повысим ёмкость, токотдачу, срок службы?Да, значит. Но опять упрощённо. Данные о термокомпенсированных параметрах заряда производители размещают в справочных листках и на корпусах АКБ. Их соблюдение в эксплуатационных контроллерах значительно улучшает практику применения СА, но не является идеалом. Можно, и нужно совершенствоваться дальше.
Взглянем на целостную картину
Подытожим изученное. СА представляет собой два блока пластин с активной массой, имеющей развитую поверхность. Пластины окружены электролитом, - водным раствором серной кислоты, - путём погружения в жидкий раствор, разделения пропитанных последним сепараторами из стекловолокна, или помещения в желеобразный, загущённый силикагелем электролит.Заряженная ПАМ образована оксидом свинца, ОАМ - свинцом. При разряде та и другая превращаются в диэлектрический и труднорастворимый сульфат свинца с затратой серной кислоты и образованием воды, при заряде - наоборот, с затратой воды и образованием кислоты. Свинец электродов, его оксид и сульфат не переходят в раствор, (по упрощённой теории; на самом деле образуют ионы, которые должны тут же осаждаться в АМ), зато из раствора берутся, и возвращаются ему ионы, а именно гидросульфат-ион и протон (ядро атома водорода).
И вот здесь начинается самое интересное. Ионы для токообразующих реакций должны поступать из электролита в активную массу, активность которой, как помним, обеспечивается структурой с развитой поверхностью, т.е. губкой. AGM-сепаратор - ещё одна впитывающая губка, служащая многим целям, в частности, повышению рекомбинации воды, а гель - вязкая субстанция, перемещения вещества в которой затруднены.
Итак, мы имеем смачивание и капиллярный эффект, как минимум, в двух губках АМ, к которому может добавляться влияние сепаратора и геля. В результате, движения вещества в банке аккумулятора замедлены, и для осуществления заряда и разряда, особенно глубинных слоёв АМ, требуется время, причём разное, зависящее от текущего состояния активной массы и электролита.
И это состояние отнюдь не исчерпывается НРЦ, плотностью и температурой! При работе СА электролит расслаивается, различные ионы движутся в электрическом поле с разной скоростью (электроосмос), встречают преграды структуры, а серная кислота ещё и тяжелее воды, за счёт чего стремится под действием силы тяжести опуститься вниз, вытеснив воду вверх!!! В случае геля и AGM этому мешает структура, а вот наливные АКБ страдают гравитационным градиентом плотности электролита в полной мере.
Где в розетке плюс и минус?
Итак, существует ли такое значение тока или напряжения, которое, будучи рассчитанным исходя из НРЦ, плотности электролита, (плотности где?! она неравномерна!), температуры, и приложенным к клеммам СА, обеспечит полный заряд, компенсацию саморазряда и десульфатацию, при этом избежав и медленно убийственного сульфатирующего недозаряда, и электролиза воды, и коррозии структуры?!Нет, НРЦ, (хоть даже с таблицей замеров ЭДС под разными нагрузками), температура, (которая тоже очень даже бывает неравномерной в массивной неоднородной АКБ), и плотность электролита, хоть «средняя по больнице», хоть измеренная сверху банки или у дна, или обе разом, в статической совокупности не дают исчерпывающих данных о кинетике, динамике химических реакций в банке СА и всей батарее.
Они пригодятся для оценки состояния аккумулятора и принятия решения о его дальнейшем обслуживании, но оптимальных значений тока и напряжения, чтобы выставить на регуляторах зарядного устройства, не дадут. Потому что эти значения меняются в ходе взаимодействующих процессов, происходящих с разными скоростями!
Зато динамика изменения тока и напряжения может рассказать о ходе токообразующих реакций всё. Точнее, всё нужное для управления зарядным током и поляризующим воздействием. Если, конечно, уметь обрабатывать эти данные в реальном времени, (то есть, с нормированными задержками). Для этого и понадобится микроэлектроника, и скорее всего, даже вычислительная машина. К счастью, она бывает, как помним, размером с тетрадную клетку.
Вопрос о том, какое именно электрическое воздействие является потребностью АКБ в данный момент, сродни вопросу, где плюс и минус в розетке. Человек на него ответить не может: пока будет говорить, плюс и минус сменят друг друга 50 раз в секунду. Но для электронного прибора такое быстродействие пара пустяков. И мы можем точно определить фазы напряжения и тока, с нужной привязкой ко времени. Конечно, в СА мы увидим нечто посложней синусоид, сдвинутых друг относительно друга. И увидим уже скоро.
Повторенье - мать ученья. Это упрощёная формулировка третьего закона диалектики, частичного возврата к старому на новом уровне, и мы ею снова воспользуемся.
Имеем две губки активных масс, между которых жидкость, гель или ещё одна губка. Нам нужно, чтобы необходимые ионы для токообразующих реакций достигли каждого слоя губок, причём эти слои частично закупорены сульфатами, требующими перенапряжения для диссоциации, и без этого перенапряжения мы потеряем и ёмкость, и токоотдачу, и долговечность, вследствие хронического недозаряда, ведущего к прогрессирующей сульфатации.
Однако перенапряжение чревато перезарядом с электролизом и коррозией. Как общепринятый в седой древности дозаряд «кипячением» с терморазгоном и полезным, но слишком дорогой ценой, перемешиванием электролита, так и сменившее его снижение тока в конце заряда, смягчающее, но не исключающее вредные побочные явления, и вдобавок ведущее к замазыванию ПАМ орторомбическим оксидом свинца, нельзя считать решениями, адекватными в полной мере.
Чем заряжается аккумулятор?
И наконец, после первого знакомства с химией и физикой СА, настаёт время посмотреть на его электрические характеристики, а именно, отклик ХИТ на зарядное воздействие. Только сначала повторим характеристики самого этого воздействия: напряжение, ток, время, заряд, мощность, энергия.Так как ХИТ имеет электродвижущую силу, то есть создаёт (сам устанавливает) разность потенциалов, естественно предположить, что зарядное воздействие осуществляется током. Действительно, при приложении тока от зарядного источника к клеммам СА, напряжение на последнем начинает расти, (предполагаем, что источник способен развить нужную ЭДС, на то он и зарядный), что и является критерием оценки хода заряда.
В начале пропускания тока, разность потенциалов клемм резко подскакивает на величину падения этого тока на внутреннем сопротивлении СА или батареи. По высоте получающейся ступеньки, зная силу тока, можно вычислить внутреннее сопротивление, что очевидно, и используется в экспресс-тестах. На этом «просто вольтамперная характеристика» заканчивается, и начинается сложный процесс изменения напряжения во времени. Силу тока будем считать постоянной, стабилизированной средствами источника.
Дальше на ленте самописца, экране осциллографа с медленной развёрткой или диаграмме с логгера мы увидим суперпозицию (наложение) нескольких откликов на зарядное воздействие, главных из которых два. Очень медленная экспонента собственно полезного заряда АМ, состоящая из суперпозиции разных слоёв, и ещё одна экспонента, гораздо более быстрая, напоминающая заряд конденсатора.
Воздействие асимметричным (переменным с постоянной составляющей) током, или с применением разрядной нагрузки, включаемой только в паузах или подключенной постоянно, используется для заряда и восстановления свинцово-кислотных батарей уже давно.
При заряде никелевых аккумуляторов асимметричное воздействие настоятельно рекомендуется, а для экспериментального восстановления марганцево-цинковых элементов обязательно необходимо, так как препятствует росту дендритов, характерному для этих ХИТ, и вызывающего их аварийные отказы вследствие короткого замыкания.
Для СА активная деполяризация может обрести смысл в свете актуализации исследования полупроводниковых свойств сульфатированных пластин в поисках новых способов десульфатации и подведения теоретической базы под уже известные в течение многих лет. С другой стороны, разрядное воздействие снижает КПД заряда, а ускорение последнего таким способом может снижать срок службы АКБ, потому применимость подобных методов следует признать ограниченной.
Для восстановительного обслуживания и экспресс-заряда при нормированном износе использование принудительной деполяризации двойного слоя может быть одобрено, но не для профилактики и повседневного заряда с приоритетами энергоэффективности и продления жизни АКБ.
Волшебный ионистор
Что произойдёт с ионистором двойного слоя, если просто снять с аккумулятора внешнее зарядно-поляризующее воздействие, разорвав цепь, например, транзисторным ключом? - Он деполяризуется (релаксирует), разряжаясь и отдавая накопленные заряд и энергию активной массе, то есть, совершая полезный заряд СА!Более того, поляризация двойного слоя зарядными импульсами с последующей релаксационной паузой позволяет создать десульфатирующее перенапряжение, и если импульсы достаточно коротки, газообразование при этом не успеет начаться! Те кислород и водород, что выделились за период перенапряжения, успеют рекомбинировать и вернуться в электролит, вместо участия во вредных и опасных явлениях.
Это и есть принцип релаксационного, импульсного или прерывистого заряда, разрешающий целый клубок диалектических противоречий, например, необходимости и недопустимости перенапряжения. То же и с плотностью тока: амплитуду зарядного импульса можно (и нужно) установить равной двойному току 20-часового разряда, или даже выше, если есть уверенность в алгоритме контроллера.
Закон сохранения энергии?
Здесь вдумчивого читателя одолеют сомнения. Двойной ток 20-часового разряда - это 0.1C 20 , тот самый ток, что рекомендован для заряда СА в непрерывном режиме, и заряжает полностью разряженную АКБ за 10-12 часов.Прерывистый заряд предполагает между импульсами тока паузы для усвоения заряда активной массой, поступления ионов в её глубину, выравнивания в ней плотности электролита. Сколько же тогда ждать завершения заряда? Ведь средний ток, совокупные заряд и энергия, сообщённые аккумулятору зарядным устройством, за, например, час, при прерывании паузами окажутся ниже, чем в случае «нормальной» непрерывной подачи тока той же силы!
Продвинутое релаксационное ЗУ зарядит полностью разряженную исправную АКБ током 0.1С 20 за 8-12 часов, в зависимости от её состояния. То есть, даже быстрее, чем если бы ток не прерывался. Как такое возможно, и можно ли этому верить?
Дело всё в том, что при классической CC (constant current) зарядке «лишняя» энергия, которую не успевает усвоить активная масса, идёт в нагрев АКБ, электролиз воды, коррозию структуры. А умное ЗУ эти лишние кулоны и джоули просто не подаёт, ожидая готовности ХИТ принять новую порцию заряда, либо снижая параметры модулированного воздействия.
Это не означает КПД 100 «и более» процентов, абсолютного пресечения газообразования и нагрева, гарантии быстрого заряда при любом состоянии батареи. Изношенные, сульфатированные, предаварийные и аварийные АКБ могут немного нагреваться и шуршать пузырями при восстановлении, которое может продлиться долго или очень долго, если с одной или несколькими банками всё совсем плохо. Что совсем не означает лишних затрат времени и денег: ЗУ ведь автоматическое, и электроэнергией распоряжается добросовестно, экономно.
Зато на порядки повышается вероятность успешного восстановления аккумулятора, который в противном случае однозначно пошёл бы в утиль, создавая нагрузку на экологию и экономику, т.е. ваше здоровье и кошелёк, (а ещё точнее, ресурсы свободы плодотворной счастливой жизни). А если беречь АКБ смолоду, получим и повышение, по сравнению с традиционной практикой заряда, её эксплуатационных характеристик, (также являющихся упомянутыми ресурсами).
Так как же реализовать этот импульсный заряд?
На сегодняшний день существует множество способов осуществления импульсного или модулированного зарядного воздействия, управления им с помощью различных обратных связей, устройств для их реализации. Актуальность высока и растёт, идёт постоянное совершенствование, текущими и прекрасными результатами которого можно пользоваться уже сейчас.Выше мы упомянули о суперпозиции нескольких, (опять упрощённо, число на самом деле не целое), электрических сигнатур в сигнале напряжения с клемм аккумулятора при подаче зарядного импульса. Сигнал в паузе также образован наложением сигнатур токообразующих реакций и побочных явлений в банке СА. А таких банок в самой распространённой 12-вольтовой АКБ целых 6, соединённых последовательно, и подключиться к перемычкам между ними чаще всего невозможно или неудобно.
Добавим к этому наводки помех, прежде всего, из электросети и самого источника питания ЗУ, и мы поймём, что задача аналоговой и цифровой обработки электрического сигнала с клемм АКБ для определения амплитудных и временны́х параметров оптимального зарядного воздействия нетривиальна. Надо знать, что именно искать, и суметь научить этому автомат.
Можно просто приобрести современное зарядно-восстановительное устройство, но даже в этом случае желательно иметь представление о сути его работы, без которого трудно выбрать наиболее подходящий для себя инструмент и пользоваться им по максимуму. А можно поставить собственные эксперименты, на радость и пользу себе и окружающему миру. В любом случае не помешает составить краткую классификацию зарядных методов и устройств.
CC/CV
Constant current, constant voltage - стабилизация или ограничение тока и/или напряжения на заданных уровнях. Может дополняться термокомпенсацией, а также реализацией многоступенчатого заряда, с переключением критериев стабилизации по достижении некоторых условий, таких как: напряжение или ток на клеммах, время с начала заряда, сообщённые АКБ количество электричества или энергия, а в эксплуатационных контроллерах учитывать и предшествовавший разряд АКБ.Усложнение логики работы таких устройств может (должно) давать лучшие, по сравнению с простой зарядкой от стабилизированного или нестабилизированного блока питания, однако не разрешает в полной мере упомянутых выше диалектических противоречий, не учитывает тонкостей кинетики и не даёт гарантии адекватности зарядного воздействия текущим потребностям АКБ, то есть способности принимать полезный заряд, не говоря уже о десульфатации.
Качели
Если добавить к CC/CV ЗУ критерии окончания и возобновления заряда, например, по напряжению на клеммах, получится один из простейших способов и приборов прерывистого заряда, называемый «качелями», «двухпороговым компаратором» или «компаратором с гистерезисом», в честь основных управляющих элементов. По достижении, например, 14.22 вольта, ЗУ отключает заряд, а при падении НРЦ до, например, 13.1В, возобновляет. Получается релаксационный генератор.Так должны достигаться и неснижение зарядного тока в конце, компенсация саморазряда при хранении, и оптимизирующий дозаряд глубинных слоёв АМ («добивка ёмкости»), и десульфатирующее перенапряжение, причём со значительным снижением (предотвращением) нагрева, газовыделения и коррозии.
Периодичность качелей может быть от секунд до часов и более, и они нуждаются в ручной или автоматизированной, например, запоминанием достигнутых данной АКБ уровней, подстройке, а также и термокомпенсации. Без чуткого контроля компетентным человеком, (который вынужден следить за процессом), или цифровой обработки электрических сигнатур происходящих в СА процессов, опираясь на одно лишь напряжение или ток, простые качели зачастую не дают того эффекта, который могли бы при лучшем управлении.
Неподходящие для данной конкретной АКБ настройки прерывистого и/или модулированного (см. ниже) заряда могут не замедлить или обратить вспять, а напротив, ускорить, усугубить её деградацию, например, короткое замыкание (КЗ) отдельных банок.
Моргалка
Одной из проблем качелей является слишком быстрое достижение или слишком долгое, (вплоть до бесконечности), ожидание неверно установленного, или переставшего быть верным в ходе процессов, порога, что может вести как к затягиванию обслуживания и недозаряду, так и перезаряду, со всеми вытекающими. Вариант решения этой проблемы - отведение для импульса и паузы определённого времени.Простейшие устройства прерывистого заряда вообще имеют только таймер (мультивибратор, прерыватель) включения и отключения зарядного тока, и носят название мигалок или моргалок, хотя моргалкой иногда называют любое импульсное ЗУ, в том числе реализующее сложный алгоритм при помощи микроконтроллера.
Использование автомобильного реле поворотов для подачи зарядного воздействия импульсами известно давно, и многим помогло осуществить восстановительный предзаряд аварийно разряженных и сильно засульфатированных АКБ. Это и были первые моргалки.
Модуляция
А вот устройствами модулированного заряда, как ни странно, являются и дедовский выпрямитель, и автомобильный или мотоциклетный генератор, опять же с выпрямителем, дающим несглаженный пульсирующий ток. Чем же прерывистый заряд отличается от модулированного? - Терминологическим критерием. Там, где частоты ниже нескольких герц, говорят о прерывистом заряде, выше - модулированном. Тот и другой относят к импульсным, пульсирующим.Одно не исключает другого, и в циклах с периодом единицы-сотни секунд импульс зарядного воздействия может представлять собой пачку импульсов более высокой частоты. Это может создавать как дополнительные возможности для дозаряда глубинных слоёв, выравнивания концентрации реактивов и десульфатации, так и сложности, связанные, например, с электромагнитными помехами, влиянием проводов и разъёмов, побочные явления, которые ещё предстоит исследовать и научиться применять или предотвращать. Разные авторы пишут о разных частотах, принимая во внимание кинетику разных процессов, составляющих заряд АМ или влияние на него.
Уже дедовский выпрямитель и генератор авто создают возможности для релаксационных явлений в СА, улучшающих его характеристики в сравнении с насильственной подачей стабилизированного сглаженного тока или, того хуже, удержанием сглаженного напряжения, (причина, по которой в недалёком прошлом некоторые пришли к выводу о непригодности импульсных источников питания, не путать с импульсными ЗУ, для заряда АКБ).
Выводы и перспективы
Исследование реактивных характеристик СА и их откликов на всё совершенствующиеся методы воздействий продолжает открывать перед нами всё расширяющийся и углубляющийся спектр релаксационных, квазирезонансных, резонансных и волновых явлений. Всё это просто захватывающе интересно и приносит полезные плоды.Сегодня является актуальным, к примеру, изучение явления задержки распространения электричества в свинцовом аккумуляторе, ведущего к часто наблюдаемому многими усиленному износу крайних (электрически) банок и батарей, причём это нельзя списать на одну лишь неравномерность температуры. Пора вырабатывать методы и устройства для обслуживания СА с АМ, легированной углеродными нанотрубками, а также исследовать возможности создания на её основе компактных «сухих» аккумуляторов для лёгких мобильных применений.
В краткой беседе мы так и не коснулись разрядных характеристик, а ведь режимом разряда можно тоже управлять. Предстоит в скором времени испытать возможности рекуперативного торможения с возвратом энергии в тяговую свинцовую батарею, изучить, насколько значительную мощность при продвинутом управлении процессом она способна принять без вреда для себя, а также проверить гипотезу о том, что импульсы зарядного воздействия могут позволить использовать больше полезной ёмкости, скомпенсировав известный эффект снижения последней при повышении тока разряда.
Свинец и серная кислота - наши добрые друзья, если обращаться с ними чутко и добросовестно. Волшебный мир свинцово-кислотных аккумуляторов ждёт своих исследователей, изобретателей и просто всех тех, кому скромные массивные ящички принесут пользу, свободу и радость!
Любой автомобильный аккумулятор имеет свойство терять свой заряд со временем. Происходит это по многим причинам, и не важно, пользуетесь ли Вы аккумулятором или нет, а заряд будет уходить.
Таким образом, зарядка свинцово кислотных аккумуляторов – это совершенно необходимое действие в процессе их эксплуатации .Конечно, в автомобиле есть бортовой генератор, который и восполняет затраченный батарее заряд. Однако автомобильный генератор не зарядит Вашу батарею полностью, обычно батарея работает в промежуточном, средней заряженности режиме. Это скорее плохо, чем хорошо. Все дело в том, что такой режим может быть хорош летом, а вот с наступлением холодов заряд батареи резко падает. И если летом при заряженности батареи 60% Вы могли без каких-либо проблем завести машину, то зимой Вы после одной-двух неудачных попыток прокрутить стартер разрядите батарею полностью.
Таким образом, автомобильную аккумуляторную батарею время от времени нужно подзаряжать стационарным зарядным устройством. Тем самым Вы доведете заряд батареи практически до 100%, и Ваша батарея будет чувствовать себя явно лучше. При желании Вы также можете прогнать аккумуляторную батарею циклами заряд-разряд несколько раз, тем самым восстановив её полную емкость – со временем при использовании батарею в этом самом промежуточном состоянии заряда её емкость падает. И если у Вас батарея на 60 Ач, то после полугода такого использования в автомобиле, без стационарной подзарядки, Вы можете уже в процессе заряда обнаружить, что емкость снизилась, скажем, до 45 Ач. В таком случае батарею нужно восстанавливать, «раскачивать» циклами заряд-разряд.
Как заряжать свинцово кислотные аккумуляторы? Для этого понадобится зарядное устройство и базовые знания по самому процессу зарядки.
Зарядные устройства бывают импульсные и трансформаторные. Первые более современные, они компактны и дешевы – хотя технически они более сложны. Трансформаторные же устройства потихоньку уходят с массового рынка из-за своего большого веса, габаритов и цены. Но, тем не менее, если у Вас есть трансформаторное зарядное устройство, то не спешите менять его на импульсное – они, как правило, надежнее, да и само их изготовление более качественно.
Зарядные устройства делятся также на автоматические и не автоматические. Первые делают все сами, Ваши участие минимально, вторые же, соответственно, требуют
Вашей серьезной вовлеченности. Перед тем, как начать процесс зарядки, Вам необходимо решить, будете ли Вы снимать батарею или зарядка будет происходить прямо в автомобиле. Сняв батарею, Вы получаете к ней больший доступ, её удобнее почистить, удобнее выкрутить пробки и так далее. Но отсоединив батарею от машины, у Вашего бортового компьютера, скорее всего, собьются все настройки.Так или иначе, зарядка свинцово кислотных аккумуляторов должна происходить в максимальной безопасности. Такие батареи имеют свойство выделять при зарядке газ, и он взрывоопасен. Вполне может случится ситуация, когда Вы слышите, что электролит начинает закипать – процесс срочно нужно прекратить. Таким образом, к батарее нужно иметь свободный доступ, будете Вы её вынимать или нет. А теперь рассмотрим сам процесс, как заряжать свинцово кислотные аккумуляторы.
Поверхность батареи нужно очистить, клеммы затереть до блеска. Откручиваем пробки, если таковые имеются, и замеряем уровень электролита. Если уровень ниже меток – восполняем электролит. Проверить нужно каждую банку. Если уровень будет ниже – будет осыпаться оголенная батарея, а это ускоренная смерть аккумулятора. К тому же, на зиму электролит нужно делать более плотным – так он лучше будет держать заряд на холоде. Если же у Вас батарея необслуживаемая, понятно, ничего Вы сделать не сможете.
Далее нужно подсоединить зарядное устройство. И выставить зарядный ток. Сила тока вычисляется из расчёта, что в амперах численно она должна быть равна одной десятой емкости батареи в Ач. Например, батарея на 60 Ач должна заряжаться током 6 А.
Процесс зарядки будет длится примерно 20 часов. Если у Вас автоматическое зарядное устройство, то оно само будет следить за процессом заряда и само его прекратит – а Вы будете проинформированы лампочкой, индикатором и тд.Если же у Вас зарядное устройство не автоматическое, то Вам придется больше контролировать процесс. После выставления зарядного тока через 20 часов его значение нужно уменьшить вдвое и так заряжать еще 2 часа. В последние часы нужно особенно внимательно следить за батареей, чтобы в ней не закипел электролит. Собственно, для этого и понижается сила тока в конце процесса – чтобы смягчить зарядку.
Герметичные необслуживаемые батареи обычно заряжают постоянным напряжением. В таком случае выставляется напряжение 14,4-14,5 В. А ток заряда в процессе будет падать – так как внутреннее сопротивление батареи будет расти.
Стоит также сказать, что очень важно соблюдать температурный режим. Батарею нужно заряжать, когда её температура около 20 градусов. Нельзя заряжать батарею на морозе. В то же время если Вы видите, что температура батареи при зарядке начинает доходить до 50 градусов, то это уже должно настораживать – может закипеть электролит.
Стационарную зарядку батареи рекомендуется делать хотя бы раз в сезон. Регулярная подзарядка продлевает срок службы аккумулятора, раскачивает его емкость. Проделав стационарную зарядку, Вы будете уверены, что сможете без проблем завестись, а Ваша батарея прослужит Вам дольше. При правильном уходе даже обычные кислотно-свинцовые батареи служат 5 лет и более.
Читайте так-же, другие обзоры
Использованы материалы с сайтов www.jaycar.com, www.at-systems.ru, www.slt.ru. Графики и цитаты курсивом - www.at-systems.ru. Все остальное (c) klausmobile 2002. Повторение всех конструкций на страх и риск повторяющего...
1. Сначала пряники, кнуты потом…
Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA) – наиболее доступные по цене вторичные (перезаряжаемые) источники тока. Доступные, в нынешней экономике, означает, во-первых, наличие в продаже типовых батарей напряжением 6В и 12В, емкостью от одного до тысячи А*ч, во-вторых, то, что за 1 вечнозеленый у.е. можно купить от 1.5 до 6 Вт*ч номинальной емкости. Меньшая цифра соответствует малым батареям, большая – большим.
Что еще в плюсе? Относительно медленный саморазряд (не более 5% емкости в месяц при комнатной температуре), относительная долговечность при условии неглубоких циклов разряда. Отсутствие «памяти» (свойственной никель-кадмиевым аккумуляторам). Допускается постоянный «плавающий» подзаряд в дежурном режиме (именно так работают автомобильные аккумуляторы).
По сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами с жидким электролитом, герметичные аккумуляторы, естественно, выигрывают в эксплуатационной безопасности (нет вредных испарений, допустима работа в любом положении). А еще – герметичная батарея менее критична к условиям заряда, ее сложнее убить неграмотным зарядом. Дело в том, что гелевый электролит подобран так, что батарея никогда не заряжается полностью (с точки зрения химика). Стало быть, выделение газа при перезаряде не происходит, так как перезаряда просто нет. Это не значит, что о контроле режима заряда можно забыть. Нельзя. Об этом далее.
Что в минусе? Во-первых, низкая удельная емкость – 25..35 Вт*ч на килограмм массы, или 60..100 Вт*ч на литр объема. Во-вторых, существенное сокращение жизни батарей при глубоких циклах разряда, а также при систематическом разряде большими токами. В-третьих, существенная зависимость напряжения и внутреннего сопротивления от глубины цикла.
2. О преждевременной старости .
Терминология: в практике принято обозначать интенсивность разряда в виде безразмерных «единиц С». 1С (один-це) численно равен емкости батареи при разряде постоянным током в течении 20 часов. Полный разряд определяется как разряд до 1.8В на банку при комнатной температуре (т.е. до 5.4 и 10.8В для 6В и 12В батарей). Величина 1.8В установилась опытным путем как нижняя граница, при разряде ниже которой током 0.05С начинается необратимое преждевременное старение батареи.
Таким образом, если опытным путем для батареи определено, что для того, чтобы за 20 часов разрядить ее от полностью заряженного состояния (2.1-2.3В на банку) до 1.8В на банку, требуется разрядный ток 150мА, то номинальная емкость батареи устанавливается равной 3.0 А*ч (=0.15А * 20ч).
Интенсивность тока 1С для данной батареи соответствует току разряда 3А, 2С – току разряда 6А и т.п. Если ограничить разряд достижением заданного минимума напряжения, тех же 10.8В – окажется, что реальная емкость на токе 1С сократится примерно вдвое по сравнению с номинальной (cм.график). А вот порог необратимого старения при большой интенсивности разряда (1C и выше), наоборот, существенно снижается – до 8В.
Многократный разряд батареи до напряжений, находящихся ниже штриховой линии приводит к выходу батареи из строя.
На практике, SLA работают в двух режимах – буферном и циклическом. При буферном режиме работы батарея постоянно подключена к зарядному устройству. Если в электрической сети есть напряжение, то после заряда батарея в течение длительного времени находится под действием конечного напряжения заряда. Слабый ток, протекающий через батареи, компенсирует саморазряд батареи и постоянно поддерживает батарею в полностью заряженном состоянии. В случае отключения напряжения в электрической сети, батарея разряжается на подключенную к ней нагрузку. Буферный режим работы характерен для систем бесперебойного питания постоянного и переменного тока, которые широко применяются для компьютеров, коммуникаций и непрерывных производств. А также - автомобильных аккумуляторов при регулярной эксплуатации машины.
При циклическом режиме работы батарею заряжают, а затем отключают от зарядного устройства. Разряд батареи производится по мере необходимости. Циклический режим работы используется при работе различных переносных или перевозимых устройств: электрических фонарей, средств коммуникаций, измерительных приборов. Производители аккумуляторов обычно указывают в перечне технических характеристик, для какого режима работы предназначен тот или иной аккумулятор.
Стало быть, если Вы решили запитать от батарей накалы в ламповом усилителе, то это циклический режим (как приятно узнать, что всю жизнь говорил прозой…). Но значит ли это, что можно просто разряжать батарею до предельно допустимых лампами 5.7 или 11.4В? На деле, пусть этот режим заведомо безопаснее разряда до «аварийных» 5.4 или 10.8В, он при неверном выборе батареи приведет к достаточно глубоким циклам разряда, и тем самым сократит срок ее службы.
Глубина цикла разряда определяется как отношение реально отданных в нагрузку ампер-часов к ампер-часам, соответствующим разряду до порога необратимого старения. Ампер-часы в знаменателе будут совпадать с номинальной емкостью только для интенсивности разряда 0.05С. На практике, в качестве знаменателя используется именно номинальная емкость (тем более, что и постоянный ток разряда – не более, чем идеальное приближение).
Глубина цикла (если она повторяется от цикла к циклу) определяет срок службы батарей. При 100% глубине циклов срок службы SLA не превысит 200-300 циклов. Справочно, автомобильные аккумуляторы с жидким электролитом редко выдерживают более 20 глубоких циклов. При 30% глубине циклов количество их утраивается. Знаменитая Оптима гарантирует выживание при 100 циклах "в ноль" (у автора такая батарея служит четвертый год, но ни одного глубокого цикла "в ноль" так и не было...).
3. Пример из жизни
Теперь давайте считать. В каждом канале усилителя –пара ламп 6С4С (6В, 2А). Необходимо обеспечить минимальное время работы между зарядами 8 часов. При этом напряжение не должно опускаться ниже 5.7В (по ТУ лампы), глубина цикла не более 50%. Из последнего требования следует, что емкость батареи – не менее 32А*ч на канал (= 2А * 8ч / 50%) . Интенсивность разряда такой батареи 0.06С (= 32А*ч / 2). Из графика следует, что за 8 часов ее напряжение упадет всего-навсего до 12.0-12.2В. Есть запас! Но только у свежей батареи. Если Вы не забудете ее вовремя заряжать, то примерно через 500 циклов (полтора года ежедневного удовольствия) напряжение за 8 часов будет падать до тех самых 5.7В, если не хуже… Ставьте автоматику на отключение при недостаточном напряжении, обязательно ставьте! Кстати, 32А*ч подозрительно близко к значению емкости автомобильного аккумулятора (50-65 А*ч). Так что для токов 2А и выше необслуживаемый автомобильный аккумулятор – вполне обоснованная (по цене) альтернатива. Вот с экологией и безопасностью у них проблемы. С другой стороны, если большая АКБ не вписывается в конструктив, то можно совершенно без опаски запараллелить несколько меньших батарей (желательно, но не обязательно – одной серии, одного производителя, одного «возраста» с начала эксплуатации).
А может, попробовать буферный (дежурный) режим, чтоб заряжать постоянно, без какой-либо автоматики? Тумблер вверх – батарея разряжается, лампы играют, тумблер вниз – идет заряд, лампы… отключены от батарей! Нормальный режим заряда – заряд постоянным напряжением 2.4-2.5В на банку, на зажимах 6В батареи будет до 7.5В – лампы так недолго протянут (особенно если анодное питание выключено).
При буферном режиме эксплуатации ресурс батареи сильно зависит от температуры. Наиболее благоприятной температурой для батареи считается температура 15-20 градусов Цельсия. Увеличение температуры на 10 градусов уменьшает ресурс батареи вдвое. На рисунке представлена типичная зависимость ресурса от температуры для аккумуляторов с расчетным ресурсом 5 -7 лет. Резюме – не ставьте батареи в одном корпусе вместе с лампами, пентиумами и т.п. горячими объектами. Вы спросите - а как же под капотом в машине... ну, во-первых, автомобильный аккумулятор специально рассчитан на широкий диапазон температур, во-вторых, теплоемкость АКБ настолько велика, что существенно прогреть ее, даже под капотом, непросто.
В упомянутом примере, срок службы накальной батареи при ежедневных 50% циклах – полтора года. А больше можно? В реальных условиях эксплуатации стационарных аккумуляторов нужно учитывать уменьшение ресурса батареи в случае большого числа испытанных ее разрядов. Для 5-летних батарей, реальный ресурс будет не более 3-х лет, если батарея будет испытывать в среднем один 30-процентный разряд в день или один полный разряд в неделю.
4. Поподробнее о заряде
Наилучший режим заряда батареи при небольшой (не выше 75%) глубине разряда – заряд постоянным напряжением. Разные производители дают незначительно различающиеся значения, общеприемлемым является напряжение 2.4В на банку при циклическом заряде (14.4В для 12В батареи). В буферном режиме напряжение может быть меньшим, 2.3В на банку.
При заряде полностью разряженной батареи этот режим приводит к перегрузке по начальному току, поэтому используется комбинированный режим ограничения по току и напряжению. Обычно он называется режимом заряда I-U. Разряженную батарею сначала заряжают постоянным током, численно (в амперах) не превышающим 0.1-0.3 номинальной емкости батареи (в ампер-часах). Например, для батареи емкостью 100 А*час ток заряда не должен превышать 10-30 ампер. По мере заряда батареи напряжение на батарее увеличивается (при постоянном токе). После того, как напряжение на батарее достигнет конечного напряжения заряда, ток заряда начинают уменьшать, сохраняя напряжение неизменным.
Конечное напряжение заряда при температуре 20 градусов Цельсия равно 2.25-2.3 вольта на элемент батареи. Для батареи с номинальным напряжением 12 В (6 элементов) конечное напряжение заряда равно 13.5-13.8 В. Если батарея эксплуатируется при других температурах, то для увеличения ресурса батарей рекомендуется уменьшать конечное напряжение заряда до 2.2-2.25 В/эл при температуре 40 градусов и увеличивать напряжение до 2.35-2.4 В при температуре 0 градусов. Применение такой температурной компенсации зарядного напряжения позволяет увеличить ресурс батареи при 40 градусах Цельсия на 15 %.
Для полного заряда разряженной батареи рекомендуется проводить заряд в течение 24 часов. Если необходим более быстрый (в течение 8-10 часов) заряд батареи в случае циклического режима эксплуатации, конечное напряжение заряда увеличивают до 2.4-2.48 В/эл (при 20 градусах Цельсия) и обязательно ограничивают время заряда в соответствии с остаточным зарядом батареи перед зарядкой.
Зарядное устройство с постоянным напряжением тока заряда Относительно большой ток применяется на начальной стадии заряда батареи. Когда напряжение батареи достигнет установленного уровня, зарядное устройство переключается с режима постоянного тока на режим постоянного напряжения. В течение этой фазы величина зарядного тока начинает уменьшаться до уровня минимального зарядного тока, известного как поддерживающий ток.Значения, приведенные в таблице, приняты как стандартные.
Нормативные значения электрических величин для зарядного устройства с постоянным зарядным напряжением
Примечания: Для батарей, используемых в цикличном режиме, рекомендуется использовать датчик, позволяющий прервать процесс заряда по достижении предварительно заданной величины напряжения, или таймер.Температурный коэффициент необходимо принимать в расчет, если заряд батареи происходит при температурах ниже +10 0 С или выше +30 0 С
Система ускоренного заряда (только для батарей, работающих в цикличном режиме) При ускоренном заряде батареи необходимо использовать устройства, укомплектованные блоком температурной компенсации и термическим предохранителем, позволяющие предотвратить недостаточный заряд батареи при низкой температуре или ее перегрев при высокой температуре окружающей среды
Нормативные значения электрических величин для режима ускоренного заряда батареи приведены в таблице:
Примечания: На батарее должен быть установлен термостат или термический предохранитель, или необходимо использовать таймер, позволяющий вовремя прекратить процесс заряда. Максимальная величина начального зарядного тока для батарей, емкостью более 10 Ач, должна соответствовать следующему соотношению: I = C максимум
Обратите внимание на последний абзац. Он того стоит. Особенно если много батарей замурованы в плохо вентилируемом ящике – перегрев возможен даже при обычном (не ускоренном) заряде, пусть не катастрофический, но все равно сокращающий жизнь батарей.
5. Простое зарядное устройство (медленный заряд I-U)
Для заряда небольших батарей наиболее удобна типовая схема на ИС семейства LM117, LM 196, LM317 (142ЕН12, 1151ЕН1, 1157ЕН1). Источник - "Микросхемы для линейных источников питания", М, Додэка, 1998, стр.97, 122 и др.).
Порог ограничения тока задается R4 (с учетом допустимого тока и мощности рассеяния микросхемы). На практике, когда источник питания для конкретного типа батарей встраивается непосредственно в аппаратуру - регулировка предельного тока не нужна, можно вообще исключить цепь ограничения тока (Т2), передав эту функцию выходному сопротивлению фильтра источника питания.
При больших токах удобнее использовать дискретные стабилизаторы с проходными N-МДП или составными NPN транзисторами, управляемые интегральным стабилизатором. Неудобство МДП - относительно высокое пороговое напряжение - в маломощных ЗУ решается повышением напряжения основного (единственного) источника питания, в мощных (см. рисунок) - удвоителем напряжения.
Номиналы делителей стабилизатора напряжения (IC1) указаны для 6В батарей, номиналы емкостей фильтра и резисторов стабилизатора тока (Т2) - для зарядных токов не более 2.5А, что достаточно для батарей емкостью до 10-15 А*ч. Трансформатор на выходное напряжение 9В хх, ток 5А. Переключаемые шунты в цепи база-эмиттер Т2 задают предельный ток заряда. Диод D11 - диод Шоттки на ток не менее 10А - защищает от переполюсовки батарей. Настройка сводится к заданию напряжения стабилизации на эквиваленте нагрузки 10 Ом (R6) и подбору шунтов R5.
6. Источник отрицательного напряжения в автомобиле
Для питания кроссоверов и т.п. устройств на ОУ с непосредственной связью можно поставить простой импульсный источник отрицательного напряжения. А лучше - батарею. Намного лучше! Вот только батарея эта должна быть не на 12, а на 6 Вольт. Поясню. Скорее всего, батарея эта будет отдавать ток практически всегда, когда работает двигатель. А заряжаться сможет только на стоянке. Но зарядить 12В свинцовую батарею от другой 12В батареи - невозможно. Это даже не буферный режим, а голодовка. Нужен генератор, выдающий 14В, но где же его взять, на стоянке...
Для питания кроссовера с током потребления 20мА достаточно батарейки на 6В, 1.2Ач (размером чуть более пачки сигарет). Режим заряда I-U (200мА, 7.2 В). При выключенном сигнале REMOTE батарея постоянно заряжается от бортсети (минус на землю, плюс на выход стабилизатора - состояние оптронов как показано на схеме). При включении сигнала REMOTE батарея коммутируется плюсом на землю, минусом на нагрузку (шину питания ОУ). Ток заряда ограничен резистором R3 на уровне 75 мА. Полностью заряженная батарея Fiamm 10121 в таком режиме отнимает у бортсети примерно 15мА при комнатной температуре. Цепочка R7-T1 блокирует разряд батареи на делитель R5-R6 при отключении от бортсети (предполагается, конечно, что REM IN при этом снят и нагрузка от батареи отключена). Потребляемый ток по шине REMOTE 20mA. Таймер D1-C1-R1-IC1-IC2-FU1 задерживает на 2 секунды передачу сигнала REM IN на выход. Резистор R0 нужен только для разряда емкости таймера, в практических схемах его можно исключить или заменить на индикаторную цепь со светодиодом. Диоды D1-3 - любые на постоянный ток 1А.
Оптроны КР293КП9А, КР293КП3А можно заменить любыми МДП оптронами на ток не менее 200мА (293КП с литерой А). При коммутации батареи оптроном КР293КП9А с "противофазными" ключами в одном корпусе сквозного тока при коммутации я не наблюдал, при замене на другие оптроны - следует убедиться, что его нет. Предохранители FU1, FU2 - самовосстанавливающиеся на ток срабатывания 200мА. В фильтре питания на выходе источника -6В следует ограничиться минимальной емкостью, чтобы не перегрузить оптроны при коммутации они, кстати, добавляют 10 Ом к выходному сопротивлению батареи). 293 серия не для амперных токов! Это для "взрослых" реле. Это тема следующего проекта - ЦАП с полностью батарейным питанием... но об этом еще рано...
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Простое зарядное устройство (схема 1) | |||||||
| IC1 | Линейный регулятор | LM117 | 1 | 142ЕН12 | В блокнот | ||
| T1 | Биполярный транзистор | КТ3102 | 1 | В блокнот | |||
| С1 | 1000 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
| R1 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R2 | Переменный резистор | 470 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R3 | Резистор | 1.5 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R4 | Резистор | 1 Ом | 1 | для 600 мА | В блокнот | ||
| АКБ | 6 В | 1 | В блокнот | ||||
| Простое зарядное устройство (схема 2) | |||||||
| IC1 | ИС источника опорного напряжения | TL431 | 1 | В блокнот | |||
| T1 | MOSFET-транзистор | IRFP054 | 1 | В блокнот | |||
| T2 | Биполярный транзистор | КТ3102 | 1 | В блокнот | |||
| D1-D4 | Диод | КД213А | 4 | В блокнот | |||
| D5, D6 | Диод | 2 | В блокнот | ||||
| D7 | Стабилитрон | 20 В | 1 | В блокнот | |||
| D8 | Стабилитрон | 8 В | 1 | В блокнот | |||
| D11 | Диод Шоттки | 10 А | 1 | В блокнот | |||
| С1, С3, С6 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ | 3 | В блокнот | |||
| С2 | Электролитический конденсатор | 10000 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С4 | Конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С5 | Электролитический конденсатор | 22000 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| R1 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R2 | Резистор | 2 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R3, R4, R8 | Резистор | 4.7 кОм | 3 | В блокнот | |||
| R5 | Резистор | 0.2 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R6 | Переменный резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R7 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | |||
| Резистор | 1 | В блокнот | |||||
| Резистор | 1 | В блокнот | |||||
| Резистор | 1 | В блокнот | |||||
| D9, D10 | Светодиод | 2 | В блокнот | ||||
| L1 | Катушка индуктивности | 2 мГн | 1 | В блокнот | |||
| TP1 | Трансформатор | 1 | В блокнот | ||||
| GB1 | АКБ | 1 | В блокнот | ||||
| Переключатель | 1 | ||||||
Аккумуляторная батарея – именно то, что встречается на абсолютно всех современных транспортных средствах. Основное предназначение данного узла всегда заключалось и заключается на сегодня в подаче электроэнергии на электронные устройства машины, если таковая им требуется в обход генератора . Вообще, первые аккумуляторы появились несколько сотен лет назад. Начиная с 1800-х годов, конструкционное и техническое развитие аккумуляторных батарей привело к созданию одного из самых известных в мире видов узла – свинцово-кислотному аккумулятору. Взяв в расчёт востребованность подобных батарей для автомобилистов, наш ресурс решил более детально рассмотреть именно их.
История появления подобных АКБ
Первым, кто создал и спроектировал реально рабочую свинцово-кислотную АКБ, был французский ученый – Гастон Планте. Этот человек был всерьез заинтересован в создании универсальных на тот момент аккумуляторных батарей, так как имел не только научный интерес, но и отчасти финансовый. Согласно историческим сводкам, Гастону Планте производители аккумуляторов, коих на тот момент было немного, предлагали немалые деньги за создание нового вида аккумулятора и удобной зарядки к нему.
В итоге, французскому учёному частично удалось достичь поставленной цели. Если быть точнее, Планте создал конструкцию АКБ с использованием свинцовых электродов и 10-% раствором серной кислоты. Несмотря на инновационность кислотного аккумулятора в те года, недостаток у него был существенный – необходимость прохождения огромного количества циклов «заряд-разряд» для зарядки батареи «на полную». К слову, количество данных циклов было настолько велико, что для полного вмещения в АКБ электроэнергии могло потребоваться несколько лет. Во многом это происходило из-за используемой в батареях конструкции свинцовых электродов и сепараторов, вследствие чего последующие несколько десятилетий умы «аккумуляторного дела» боролись именно с этим недочётом батарей.
Так, в период с 1880-1900 годов такие учёные как Фор и Фолькмар спроектировали чуть ли не идеальный среди всех типов конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов. Суть такой батареи заключалась в использовании не цельных пластин из свинца, а лишь его окисла, объединённого с сурьмой и нанесённого на специальные пластины. Позже, Селлон запатентовал наиболее удачный вид конструкции данной АКБ, внедрив в неё намазанную окислами свинца и сурьмы металлическую решётку, что в итоге:
- увеличило ёмкость аккумуляторов в несколько раз;
- усилило коммерческий интерес со стороны компаний к АКБ;
- и, в целом, совершило некоторый эволюционный скачок в аккумуляторном деле.
Отметим, что с начала 1890 года свинцово-кислотные батареи пошли в серийный выпуск и стали широко применяться повсеместно.
В 1970 годов произошла герметизация аккумуляторов, вследствие замены в них стандартных кислотных электролитов , на усовершенствованные газы и гели. В итоге, АКБ стала отчасти герметична. Однако полной герметизации добиться не удалось, так как, в любом случае, при зарядке и разрядке батареи образуются некоторые газы, которые важно выпускать из внутренностей аккумулятора для его же блага. Именно с тех пор герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы стали использоваться в огромнейших масштабах и практически не изменялись, за исключением незначительных усовершенствований электролитов и электродов, используемых в их конструкции.
Устройство свинцово-кислотного аккумулятора
По своей общей конструкции свинцово-кислотные АКБ уже более 110 лет неизменны. В общем виде батарея состоит из следующих элементов:
- пластмассовый или резиновый корпус в форме призмы;
- металлическая решётка, имеющая соответствующую намазку из свинца и подразделения на положительный, отрицательный электроды;
- клапан для сброса газов;
- области для наполнения электролитом, иначе — сепараторы;
- межпространственные области, заполненные мастикой;
- крышка.
Все элементы как стационарного свинцово-кислотного аккумулятора, так и нестационарной батареи подобного вида представляют собой герметизированный комплекс. Частично-полная герметизация имеется у большинства современных АКБ, ибо имеет системы отвода излишне давящих газов. Полная же герметизация конструкционно предусмотрена только в высоких аккумуляторах с использованием особой конструкции электродов, что позволяет совершенно не добавлять электролит в процессе эксплуатации и не выводить газы отработки. В любом случае, что АКБ с частично-полной герметизацией, что с совершенно полной изоляцией принято называть герметизированными свинцово-кислотным аккумуляторы, поэтому в этом плане между разными типами батарей различий не имеется.
Разновидности АКБ и принцип их работы
Ранее уже было упомянуто, что свинцово-кислотные АКБ подразделяются на разные виды. Вне зависимости от типа их организации работают они по принципу электролитических химических реакций. В основе таковых лежит взаимодействие свинца (или иного металла), оксида свинца (с сурьмой) и серной кислоты (или иного электролита). Именно такой тип взаимодействия в кислотных батареях был признан наилучшим, так как при гидролизе кислоты другие комбинации взаимодействия веществ приводят либо к низкому ресурсу аккумуляторов (при добавлении кальция), либо к чрезмерному «кипению» внутри детали (при отсутствии сурьмы), либо к недостаточной мощности (при использовании только свинца пластин).
На сегодняшний день имеется три основных разновидности свинцово-кислотных аккумуляторов, а точнее:
- Свинцово-кислотные аккумуляторы 6V. Построены по принципу использования 6 элементов, то есть, АКБ изнутри разделён на 6 работающих вместе блоков, каждый из которых в общем случае вырабатывает порядка 2,1 Вольт напряжения, что в итоге даёт 12,6 Вольт на целую батарею. На данный момент свинцово-кислотные аккумуляторы 6V наиболее используемые в сфере автомобилестроения, так как выполнены качественней всего со всех сторон рассмотрения их работы;
- Гибридные АКБ. Эти «звери» представляют собой смесь, где используется один электрод (зачастую положительный) со свинцово-сурьмистым оксидом, а другой (как правило, отрицательный) со свинцово-кальциевым. Такие АКБ из-за использования кальция в их конструкции менее долговечны;
- Гелевые свинцово-кислотные батареи. Слегка отличаются от конструкции описанных выше видов АКБ, так как имеют гелеобразный электролит, что позволяет их использовать в любой положении. По характеристикам гелевые аккумуляторы схожи с обычными свинцово-сурмистыми батареями и уже сегодня активно завоёвывают рынок автоиндустрии в своём сегменте.
Как показывает практика, наиболее удачные конструкции свинцово-кислотных АКБ – это стандартная с наличием сурьмы на электродной сетке и гелевая, относительно молодая. Что касается гибридных, то в силу своих особенностей спроса на рынке они так и не имеют, поэтому практически не продаются и встретить их можно крайне редко.
Правила эксплуатации
По сравнению с другими типами АКБ, свинцово-кислотные аккумуляторы менее прихотливы к использованию. Общие требования к эксплуатации батарей предъявляют специальные организации и непосредственно их производителя. К слову, требования различны для стационарных и нестационарных АКБ. Для первых видов аккумуляторов они таковы:
- Проверка и осмотр – еженедельно, специализирующимся на этом персоналом;
- Текущий ремонт – не менее раз в 1 год;
- Капитальное восстановление – не менее раза в 3 года, и только если это возможно;
- Надёжное крепление АКБ при эксплуатации на специальных стендах;
- Обязательное наличие освещения в месте хранения;
- Покраска поверхности, на которой стоит аккумулятор, в кислостойкую краску;
- Поддержание в сепараторах батареи электролита на должном уровне (проверка/долив ежемесячные);
- Наличие зарядных устройств и соблюдение правил зарядки;
- Номинальное напряжение в сети на 5 % большее, чем выдают заряжаемые в ней АКБ;
- Недопущение хранения батареи в разряженном состоянии более 12 часов;
- Температура хранения от -20 до +45 градусов по Цельсию, для заряженных на 50 % АКБ – от -20 до +30. Незаряженные батареи хранить недопустимо.
В случае не со стационарными свинцово-кислотными аккумуляторами условия хранения заключаются лишь в своевременной их подзарядке, контроле электролита (при необходимости) и использовании батареи строго по назначению.
Правила зарядки
Зарядка любого аккумулятора – именно та процедура, которая должна проводиться в единственно верном режиме. В противном случае парочка неправильных операций по зарядке АКБ сделает из него либо маломощный источник тока, либо вовсе «убьёт» деталь. Зная подобную особенность аккумуляторных батарей, их владельцы нередко задаются двумя вопросами:
- Как правильно заряжать АКБ?
- Какое зарядное устройство для свинцово-кислотной аппаратуры лучше всего использовать?
Относительно второго вопроса можно однозначно сказать, что заряжать АКБ допустимо любой аппаратурой, главное – чтобы она была исправна. А о том, как заряжать свинцово-кислотный аккумулятор, поговорим более детально. В общем виде правильный порядок зарядки таков:
- Аккумулятор ставится в специально оборудованное для зарядки место: поверхность покрашена в антикислотную краску, открытых источников воды и огня нет, доступ к территории ограничен;
- После этого АКБ согласно всем нормам подключается к зарядному устройству;
- Затем на зарядной аппаратуре выставляется режим зарядки с соблюдением двух основных условий:
- напряжение постоянно и равно порядка 2,35-2,45 Вольт;
- ток по началу заряда самый высокий, к концу — постепенно и заметно понижается.
Непосредственно процесс зарядки батареи в стандартном режиме длится около 3-6 часов, за исключением случаев с использованием дешёвой и слабой аппаратуры, а также при восстанавливающей зарядке «убитой» АКБ.
Восстановление аккумулятора
В завершение сегодняшнего материала обратим внимание на процесс восстановления свинцово-кислотных АКБ. Принято считать, что при глубоком разряде данный тип аккумуляторов либо вовсе «мертвеет», либо держит очень слабый заряд. На самом деле ситуация иная.
Согласно многочисленным исследованиям, свинцово-кислотные батареи способны не потерять номинальную ёмкость даже после 2-4 полных разрядов. Для этого достаточно грамотного проведения процедуры их восстановления. Как восстановить данный АКБ? В следующем порядке:
- Аккумулятор ставится в специально подготовленное место с температурой воздуха около 5-35 градусов выше по Цельсию;
- Происходит соединение АКБ и зарядного устройства;
- На последнем выставляются такие показатели как:
- напряжение – 2,45 Вольт;
- сила тока – 0,05 СА.
- Происходит цикличный заряд с небольшими перерывами порядка 2-3 раз;
- Батарея восстановлена.
Отметим, что далеко не в каждой ситуации подобная процедура заканчивается успехом, но, если правила восстановления АКБ соблюдены и сама батарея выполнена из качественных материалов, то в успешности мероприятия сомневаться не стоит.
На этом, пожалуй, наиболее важная информация по свинцово-кислотным аккумуляторам подошла к концу. Надеемся, сегодняшний материал был для вас полезен и дал ответы на интересующие вопросы.
Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
Зарядка свинцово-кислотного аккумулятора должна состоять из трех этапов - режима зарядки постоянным током , режима насыщения и режима поддержания заряда . Заряд постоянным током поставляет большую часть энергии и занимает около половины времени от всего процесса зарядки; заряд насыщения использует более низкую силу тока и необходим для достижения полной зарядки, а режим поддержания компенсирует потери, вызванные саморазрядом.
Во время зарядки постоянным током аккумулятор получает около 70 процентов своего заряда в течение 5-8 часов; заполнение оставшихся 30 процентов лежит на режиме насыщения, который длится еще 7-10 часов. Режим насыщения является очень важным для аккумулятора, и если им пренебрегать, то это чревато сульфатацией , которая приводит к потере производительности или даже к выходу из строя. Режим поддержания на третьем этапе призван сохранять аккумулятор в заряженном состоянии. На рисунке 1 показаны три этих этапа.
Рисунок 1: Этапы зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов. Аккумулятор считается полностью заряженным, когда его напряжение достигает определенного установленного уровня. Режим поддержки компенсирует саморазряд, который в той или иной степени присутствует во всех электрических батареях.
Переход от стадии 1 к стадии 2 происходит, когда напряжение аккумулятора достигает определенного предела. Зарядный ток начинает плавно понижаться, и это понижение происходит во время всего режима насыщения. В конце, когда аккумулятор полностью заряжен, значение зарядного тока составляет примерно 3-5 процентов от его емкости. Неисправный аккумулятор с большими потерями никогда не сможет достигнуть этого низкого тока насыщения, поэтому в зарядных устройствах есть встроенный таймер, который принудительно завершает зарядку.
Правильная установка зарядного напряжения аккумулятора является крайне важной и должна составлять от 2,30 до 2,45 вольт на элемент. Выбор значения зарядного напряжения из этого диапазона лежит на совести производителей, и отдать преимущество какому-либо определенному значению весьма непросто. С одной стороны, аккумулятор должен быть полностью заряжен, чтобы использовать максимальную емкость и избежать сульфатации на отрицательных пластинах; а с другой стороны, излишнее перенасыщение и несвоевременное переключение в режим поддержания заряда вызывает коррозию положительных пластин, а также приводит к излишнему газообразованию и потерям воды из электролита.
Температура может оказывать влияние на напряжение и вследствие этого выбор зарядного напряжения может быть несколько затруднен. Более жаркое состояние окружающей среды требует немного низшего напряжения, а более холодное - немного большего. Продвинутые зарядные устройства имеют температурные датчики для контроля и регулировки зарядных характеристик, чтобы достигнуть оптимальной эффективности зарядки.
Температурный коэффициент зарядки свинцово-кислотных элементов составляет -3мВ/°С. Смысл состоит в том, что устанавливается некое значение напряжения для усредненной температуры 25°С, и это зарядное напряжение должно быть уменьшено на 3 мВ за каждый градус выше 25°С, и соответственно, увеличено на 3 мВ за каждый градус ниже 25°С. Если такие возможности с измерением температуры невозможны, то лучше выбрать более низкое зарядное напряжение из соображений безопасности. В таблице 2 сравниваются преимущества и недостатки выбора различных пиковых значений зарядного напряжения для свинцово-кислотного аккумулятора.
Таблица 2: Влияние зарядного напряжения на свинцово-кислотные аккумуляторы небольшой емкости. Цилиндрические свинцово-кислотные элементы имеют более высокое значение напряжение в сравнении с VRLA и стартерными аккумуляторами.
После полной зарядки с помощью режима насыщения аккумулятор не должен находиться в режиме поддержания заряда более 48 часов. Это особенно важно для герметичных версий, поскольку они более чувствительны к перезаряду в сравнении с затопленными моделями. Перезаряд приводит к излишнему тепло- и газообразованию.
Рекомендуемое значение напряжения поддержания заряда для большинства затопленных свинцово-кислотных аккумуляторов составляет 2,25-2,27 В на элемент. К большим стационарным аккумуляторам при температуре окружающей среды 25°С, как правило, применяется напряжение 2,25 В на элемент. Производители рекомендуют понижать напряжение поддержания заряда в случае, если температура окружающей среды превышает 29°С.
Не все зарядные устройства имеют функцию поддержания заряда, а в транспортных средствах это вообще редкость. Если зарядное устройство остается в режиме поддержания заряда и напряжение не опускается ниже 2,30 В на элемент, то не допускайте, чтобы аккумулятор оставался подключенным к такому зарядному устройству более 48 часов. Если аккумулятор не эксплуатируется, лучше хранить его отдельно, подвергая зарядке каждые 6 месяцев (аккумулятор системы AGM – каждые 6-12 месяцев).
Вышеописанные параметры напряжений применяются и к затопленным, и к аккумуляторам с клапаном сброса давления (около 34 кПа). Цилиндрические герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы, такие как Hawker Cyclon, требуют более высоких напряжений, точное значение которых следует узнавать из спецификаций производителя. Приложение неправильного зарядного напряжения вызовет постепенное уменьшение емкости аккумулятора вследствие сульфатации. В аккумуляторных элементах Hawker Cyclon установлен специальный клапан сброса давления 345 кПа, что позволяет иметь место процессу рекомбинации газов, которые образуются во время зарядки.
Возможны трудности при применении режима поддержания заряда на возрастные аккумуляторы, так как каждый элемент в них имеет свое уникальное состояние. Элементы, будучи соединены последовательно, получают одинаковый зарядный ток, и практически невозможно отслеживать состояние каждого. Возможна ситуация, когда присутствуют “слабые” элементы, которые уже подвергаются перезаряду, и в то же время другие еще полностью не зарядились. Ток поддержания заряда, который является слишком высоким для элемента с ухудшенными характеристиками, может вызвать сульфатацию более сильного соседнего элемента. Существуют специальные устройства балансировки элементов аккумулятора, которые могут компенсировать разницу напряжений, вызванную дисбалансом элементов.
Колебание зарядного напряжения также является одной из проблем зарядных устройств. Пик такого напряжения принимает слишком высокое значение, вызывая выделение водорода, а во время его проседания происходит краткий период разряда аккумулятора, что вкупе приводит к истощению электролита. Производители стараются ограничивать колебания напряжения разбросом максимум в 5 процентов.
Колебания зарядного напряжения могут нести не только проблемы - изучается его влияние на уменьшение сульфатации в аккумуляторе. Но этот эффект еще не до конца изучен, и не все производители используют пульсацию в своих зарядных устройствах.
Большинство стационарных аккумуляторов эксплуатируются в режиме поддержания заряда, который неплохо себя рекомендует. Другим решением может быть режим гистерезиса, который подразумевает отключение поддержания заряда, когда аккумулятор находится в режиме ожидания. Суть этого режима состоит в том, что аккумулятор просто подзаряжается время от времени, восполняя потери энергии от саморазряда или от приложенной нагрузки. Этот режим хорошо подходит для установок, не подключенных к нагрузке во время режима ожидания.
Свинцово-кислотные аккумуляторы всегда должны храниться в заряженном состоянии. Их необходимо заряжать каждые 6 месяцев, чтобы предотвратить падение напряжения ниже 2,05 В на элемент, что вызывает сульфатацию. Свинцово-кислотные аккумуляторы, использующие технологию AGM , могут храниться без зарядки несколько дольше.
При измерении напряжения холостого хода учитывайте температуру окружающей среды. Холодный аккумулятор имеет слегка пониженное напряжение, а теплый - повышенное. Измерять напряжение разомкнутой цепи лучше всего после нескольких часов покоя аккумулятора, так как зарядные или разрядные процессы вносят искажения.
Существует некоторое предубеждение против покупки нового аккумулятора, если его напряжение составляет меньше 2,10 В на элемент. Такое низкое напряжение может быть вызвано потерей заряда из-за длительного хранения или высокого саморазряда вследствие короткого замыкания. И в самом деле, статистические исследования показали, что такие аккумуляторы с пониженным начальным напряжением имеют большее количество отказов. Стоит отметить, что пороговое значение напряжение в 2,10 В относится не ко всем типам свинцово-кислотных аккумуляторов.
Долив воды в электролит
Долив воды в электролит является единственным крайне важным аспектом в обслуживании затопленных свинцово-кислотных аккумуляторов, которым, к сожалению, часто пренебрегают. Частота долива зависит от условий эксплуатации, методов зарядки и рабочей температуры. Перезаряд также приводит к увеличенному расходу воды из электролита.
Новые аккумуляторы должны проверяться каждые несколько недель на необходимость долива воды. Это позволит уберечь верхнюю часть пластин от попадания на воздух, что может привести к необратимым повреждениям вследствие окисления, что, в свою очередь, приводит к снижению емкости и производительности аккумулятора.
При низком уровне электролита необходимо немедленно добавить дистиллированную или де-ионизированную воду. Добавлять воду до требуемого уровня необходимо не перед зарядкой (это может привести к переполнению), а после зарядки. Никогда не добавляйте готовый электролит, так как это приведет к увеличению удельной плотности и будет способствовать коррозии. Некоторые аккумуляторы оборудованы специальной доливочной системой, которая контролирует уровень и плотность электролита.
Рекомендации по зарядке свинцово-кислотных аккумуляторов
Выберите соответствующую программу зарядки для затопленной, гелевой или AGM версии аккумулятора. Проверьте спецификации производителя о рекомендуемых пороговых значениях напряжения.
Дозаряжайте свинцово-кислотные аккумуляторы после каждого использования во избежание сульфатации . Не храните батареи с низким зарядом.