Как восстановить работоспособность автомобильного аккумулятора

Восстановление ёмкости аккумуляторов

Самый простой и распространенный способ - многократной зарядки малым током с перерывами между зарядками. К концу первого и последующих зарядов напряжение на аккумуляторе повышается, и он перестаёт воспринимать заряд. За время перерыва электродные потенциалы на поверхности и в глубине активной массы пластин выравниваются, при этом более плотный электролит из пор пластин диффундирует в межэлектродное пространство и снижает напряжение на аккумуляторе во время перерывов. В процессе циклического заряда, по мере набора аккумулятором ёмкости, плотность электролита повышается.
Когда плотность станет нормальной для данного типа аккумулятора, а напряжение на одной секции достигнет 2,5-2,7 В, заряд прекращают.

Режимы многократной зарядки:
Зарядный ток 0,04-0,06 номинальной ёмкости. Время первого и последующих зарядов - 6-8 часов. Время перерыва между зарядами - 8-16 часов. Количество циклов (заряд- перерыв) - 4-6 часов.
J зар. = 0,04+0,06*Cн.

Восстановление свинцового аккумулятора, с не полной потерей ёмкости.

Чтобы восстановить аккумулятор, который потерял ёмкость - растворить сульфаты (дисульфатировать), нужно просто подать, на него, высокое напряжение, и долго, его так держать. Однако, с повышением напряжения, также и увеличивается интенсивность газовыделения. Поэтому, нам нужно делать паузы, для успокоения аккумулятора.

Берём аккумулятор, потерявший ёмкость из-за сульфатации. Наливаем в него воды, если он выкипел, но не много, примерно столько кубических сантиметров, сколько по паспорту ампер-часов. А то может и меньше. Подключаем его, через реле, времени к источнику тока, которое на 13 минут подключает аккумулятор к источнику и отключает на 13 минут. Сначала подаём 14,3-14,4 вольта, делаем полных 2 цикла. Держим под напряжением, после того, как оно достигнет настроенной величины, на аккумуляторе, в данном случае 14,3-14,4 вольта, сутки. После, чего повышаем напряжение до 14,5-14,6 в, также делаем два цикла. После чего повышаем напряжение до 14,8 В, и делаем столько циклов, пока при контрольном разряде, не обнаружите резкое сокращение прибавки ёмкости. Циклы нужны, не только для слежения, на сколько ёмкость добавляется, но и для того, чтобы электролит перемешивался, с вновь возникшей кислоте, из сульфата свинца. После того, как восстановили аккумулятор, доливаем воды, до тех пор, пока не увидите, что вода перестала впитываться, внимательно следите, чтобы не перелить. После чего, пару циклов для перемешки электролита нужно сделать, но заряжать большим напряжением не нужно.

Экспериментальные данные

Для экспериментов с процессом дисульфатации, было сделано реле времени, которое, включало подачу тока, на 13 минут и отключало на 13 минут. Условия, и время действия напряжения, примерно одинаковы. Время действия, примерно сутки.

Если подавать, на сульфатированный аккумулятор 10 ач напряжение 14,3 вольта, сутки, 13 минут, через 13 минут. После чего проводим контрольный разряд на лампочку 2 ампера, то наблюдается увеличение времени свечения этой лампочки на 6-7 минут, если при исправном аккумуляторе, такой ёмкости, она светит 5 часов. При подаче 14,5 вольта, за такой-же сеанс, добавляется 10-13 минут свечения. При подаче 14,8 вольта, добавляется 24-29 минут ёмкости. Во всех случаях, наблюдается сильное газовыделение, чем больше напряжение, тем и газовыделение больше.

Из этих данных следует, что выгоднее для дисульфатации подавать 14,8 вольт.

Добавление ёмкости происходит в момент подачи напряжения, и зависит от времени действия его.

Оптимальным временем, считаю 1 сутки время действия напряжения 14,8 вольта. То есть, после того, как достигло напряжение 14,8 вольта, нужно продержать аккумулятор сутки, через реле времени, 13 мин через 13 мин.

В связи с тем, что при дисульфатации происходит сильное газовыделение, рекомендую воды много не наливать, налить столько кубических сантиметров, сколько ампер-часов имеет аккумулятор по паспорту. Чтобы оставались поры, для выхода газа, иначе механическим газовым воздействием, может осыпать намазку.

Восстановление ёмкости аккумуляторов быстро, но не очень просто

Cпособ отличается высокой эффективностью и оперативностью (аккумулятор восстанавливается менее чем за час).
Разряженный аккумулятор предварительно заряжают. Из заряженного аккумулятора сливают электролит и промывают 2-3 раза водой. В промытый аккумулятор заливают аммиачный раствор трилона Б (ЭТИЛЕНДИАМИНТЕТРАУКСУСНОКИСЛОГО натрия), содержащий 2 весовых процента трилона Б и 5 процентов аммиака. Время десульфатации раствором - 40-60 мин.
Процесс десульфатации сопровождается выделение газа и возникновением на поверхности раствора мелких брызг. Прекращение газовыделения свидетельствует о завершении процесса. При сильной сульфатации обработку раствором следует повторить.
После обработки аккумулятор промывают не менее 2-3 раз дистиллированной водой, затем заполняют электролитом нормальной плотности.
Залитый аккумулятор заряжают зарядным током до номинальной ёмкости согласно рекомендациям в паспорте.
По вопросу приготовления раствора желательно обратиться на предприятия, имеющие химические лаборатории. Раствор хранить в затемнённом месте в сосуде с герметической крышкой во избежание испарения аммиака.

Восстановление ёмкости методом дисульфатации постоянным, стабилизированным напряжением.

Этот способ восстановления имеет 100 процентную эффективность , другими словами, если не удастся этим способом восстановить аккумулятор, то не удастся его восстановить ни каким другим способом. Я восстанавливал таким способом всякие аккумуляторы и с полной потерей ёмкости, напряжение на которых было около нуля вольт (0,5в), и не полной потерей когда напряжение менее 13,0в.

Сам способ очень простой.

Подаём 14,7 - 15 Вольт (ограничиваем ток до 1,5 ампера, если аккумулятор 10-15 ач) на потерявший ёмкость аккумулятор, и так оставляем на 12-15 часов. Батарея будет кипеть, но не пугаться, так и должно быть.
После этого, немного разряжаем, например, подключаем лампочку, чтобы электролит перемешался.

Дальше ставим на зарядку также как и первый раз: подаём 14,7-15 Вольт (напряжение просядет, но оно не должно превышать 14,7-15 Вольт, когда аккумулятор зарядится, то есть ограничить 14,7-15 В), и так оставляем еще на 12-15 часов.

После этого, отключаем стабилизатор напряжения, и даём отстояться аккумулятору где-то сутки, после чего делаем замер напряжения, который должен быть в районе 13,0-13,2 вольт при +20 градусах.
Если напряжение менее этой величины, повторяем циклы восстановления до тех пор, пока напряжение не поднимется, до указанных цифр.

Если напряжение на аккумуляторе не достигает 13,0 В, а где-то в районе 12,7 В, это тоже может быть не плохо, для слабой плотности электролита это нормальное напряжение. Если же напряжение не достигло и 10 вольт, этот аккумулятор сломан механически: замкнули пластины, обсыпались пластины и т.д. Такому аккумулятору дорога только на металлолом.

Лучше, конечно, делать контрольный разряд после каждого цикла восстановления, чтобы нам иметь представление о добавлении или не добавлении ёмкости. Для этого находим лампочку с такой нагрузкой, чтобы аккумулятор разрядился за 4-5 часов, чтоб нам много не ждать и замеряем время разряда, но учтите, напряжение батареи нельзя допустить ниже 10,5 В при разряде.

Ещё очень важное замечание. Если аккумулятор герметизированный AGM или гелевый, то не оставляйте клапаны открытыми, воздух не должен поступать в пластины, иначе ёмкость потеряется. Перед восстановлением таких аккумуляторов желательно добавить воды. Для этого отрываем верхнюю пластмассовую крышку, чтобы добраться до резиновых клапанов, поднимаем клапаны и со шприца доливаем дистиллированную воду, но не много, чтобы вода чуть чуть покрыла пластины(не наливать больше!). Чтобы увидеть воду нужно чем-то посветить, например зажигалкой-фонариком. Закрываем клапаны, сверху крышкой придавливаем и заматываем скотчем.

Если аккумулятор потерял всю ёмкость, это когда напряжение менее 10 В.

Подключаем восстанавливаемый аккумулятор к стабилизированному источнику напряжения на котором должно быть настроено 15 в (ток ограничен до 1/10 от ёмкости аккумулятора). И ждать часов 15. В это время посматривать время от времени, в какое-то время аккумулятор начнёт медленный приём тока, а напряжение будет падать в этот момент, потом ток увеличится до максимального а напряжение упадёт до низшей точки (обычно это около 12,4 в), после этого момента ждём 15 часов, чтобы аккумулятор зарядился. Потом восстанавливаем аккумулятор как частично потерявший ёмкость (см. выше).

Бывают такие случаи, когда аккумулятор не начинает принимать ток и после 15 часов. Тогда следует увеличить напряжения до 20 вольт, я добавлял и больше, немного посидеть несколько минут и посмотреть по току, может пойти сразу.

Если ток сразу не пошёл, тогда нужно почаще посматривать, главное не пропустить тот момент, когда аккумулятор зарядится, чтобы напряжение на нём не превысило 15 В, то-есть нам нужно ограничить напряжение как можно быстрее до зарядки.

Да, ещё очень важное замечание, не останавливайте процесс восстановления на пол пути, обязательно закончите цикл.

Восстановление аккумулятора кратковременным импульсом тока большой величины.

Иногда случается так, что вследствие каких-либо причин, пластины одной из банок аккумулятора каким-либо образом замкнулись и их заряд становится невозможным.
Логично предположить, что причину замыкания можно устранить путём выжигания проблемного участка. Для этого аккумулятор подключают к источнику очень сильного тока, не менее 100 ампер, например, сварочный аппарат, с выпрямительным диодом на выходе. Цепь замыкается на 1-2 секунды, за это время причина замыкания должна испариться из-за сильного перегрева.

Несколько применений и эффективность данного способа на практике.
Лично мне попадался один 7 а.ч. свинцовый аккумулятор CSB с замкнутой банкой. Аккумулятор пролежал несколько лет без зарядки. Причина замыкания, скорее всего, была в том, что пластины аккумулятора из-за обильно отложившегося сульфата, были покороблены, и проткнулся сепаратор.
Подключив к сварочному аппарату на 2-3 секунды, замыкание удалось устранить, но последующие меры восстановления были безуспешными, что и неудивительно, ведь полностью потерявшие ёмкость свинцовые необслуживаемые аккумуляторы, не восстанавливаются. Но применение данного метода к другим типам аккумуляторов может быть вполне обоснованным.

Пример 2.
О своём опыте применения данного метода к никель-кадмиевому (NiCd) аккумулятору, мне поведал один знакомый, ему таким способом удалось реанимировать и ввести в эксплуатацию шахтный никель-кадмиевый аккумулятор, «KCSL 12», для коногонок.

Пример3.
Другой знакомый откачал литий-ионнный (Li-ion) аккумулятор от DVD переносного проигрывателя. В литий-ионных аккумуляторах при глубоком разряде иногда образуется медный, замыкающий шунт между пластинами. Результатом восстановления, был таков, что ёмкость аккумулятора стала выше, чем она была в тот момент, когда он был новым.

Восстановление обслуживаемых аккумуляторов в частности автомобильных.

Есть один способ способный восстановить ваш аккумулятор.
Суть способа.
Выливаем весь электролит. Заливаем в аккумулятор дистиллированную воду до уровня покрытия пластин. Подключаем к аккумулятору постоянное напряжение около 14 вольт и оставляем на 1-2 часа. После чего прислушиваемся к аккумулятору, если слышим, что он бурлит, немного снижаем напряжение. Оставляем на полчаса и прислушиваемся снова: наша задача держать такое напряжение на аккумуляторе, чтобы газовыделение было минимальным, но чтобы оно было.
Держим, под таким напряжением, аккумулятор неделю, а лучше две. После этого дистиллированная вода в аккумуляторе превратится в электролит слабой плотности, за счёт растворения сульфата свинца и его превращения в молекулы серной килоты, в результате химической реакции. Сливаем весь электролит, и заливаем снова дистиллированную воду. Также, подключаем напряжение, следим, чтобы аккумулятор немного, иногда пускал пузырьки, и держим 1-2 недели.
Если электролит больше не меняет плотность, то можно прекращать дисульфатацию.
После этого сливаем образовавшийся слабый электролит и вливаем электролит нормальной плотности. Подключаем ваше зарядное устройство и заряжаем аккумулятор как обычно, до состояния полной заряженности.
После этого нужно померить плотность электролита и выровнять до нормальной плотности во всех банках.
Всё ваш аккумулятор восстановлен.
Если вам нечем померить уровень электролита низкой плотности, то, на всякий случай, можете выполнить ещё один, третий, такой цикл.

Указанные процедуры применять имеет смысл, если пластины аккумулятора ещё целые, если в вашем аккумуляторе явно просматривается осадок особенно с кусками пластин свинца, то оно того явно не стоит.

Эксплуатация аккумуляторов

Можно ли утверждать, что время работы портативного оборудования питающегося от аккумуляторной батареи напрямую зависит от емкости аккумулятора?
Да, в большинстве случаев это так. Однако, применительно к переносной медицинской аппаратуре, зависимость времени работы от объема запасенной в батарее энергии, может быть нелинейной.
Ниже исследуются причины, из-за которых время работы портативной аппаратуры (в частности дефибрилляторы и кардиографы с аккумуляторным питанием) зачастую оказывается меньше указанного в инструкции, особенно при использовании аккумуляторов бывших некоторое время в употреблении:

1. Причины уменьшения емкости батареи и действия, необходимые для ее восстановления;
2. Внутреннее сопротивление аккумулятора и его влияние на время работы;
3. Саморазряд и причины отключения портативного оборудования при заряженной батарее.
4. Напряжение батареи и его изменение в период эксплуатации батареи.

1. Уменьшение емкости батарей в процессе эксплуатации.

Объем энергии, запасаемой батареей (емкость), постепенно сокращается в процессе использования, старения, и неправильного обслуживания аккумуляторных батарей. Новая батарея со 100% емкостью постепенно теряет первоначальную емкость и по достижении значений емкости в 70 - 60% такую батарею желательно заменить. Как правило типовой порог работоспособности батареи в части емкости составляет 80%.
Примечание: на практике остаточный ресурс по емкости NiCd батарей питающих переносную медицинскую аппаратуру (дефибрилляторы и кардиографы) составляет еще меньшую величину - 20…30%. Это связано с дефицитом денежных средств на тестирование, восстановление и замену батарей.

Общая емкость батареи может быть разделена на три воображаемые зоны:
1. Зона, содержащая энергию.
2. Незаполненный объем, который можно дозарядить.
3. «Камень» - часть батареи непригодная к использованию.
В никель-кадмиевых и металл-гидридных аккумуляторах «камнем» именуются крупнокристаллические образования (откуда и взялся термин), не принимающие заряд. Иначе это явление называется «эффектом памяти».
Емкость никель-кадмиевых и металл-гидридных батарей, как правило, можно восстановить путем тренировки, то есть проведением нескольких циклов заряд/разряд по специальной методике на анализаторах батарей.
На данный момент существуют методы более эффективные, нежели простое проведение циклов заряд /разряд.
Один из них заключается в том что, разряд батареи происходит в два этапа: сначала батарея разряжается номинальным током до 1В на ячейку, а затем происходит медленный разряд ячеек практически до нуля (обычно до 0,4В на элемент). Этот метод применяется для разрушения кристаллических формаций и восстановления первоначальной структуры ячеек.
Применяя этот метод восстановления можно восстановить, от 60% до 70% NiCd батарей, направляемых на утилизацию, до их первоначальной емкости. Все же необходимо отметить, старая восстановленная батарея может иметь высокий ток саморазряда, возникающий из-за повреждений сепаратора отдельных ячеек. Такое повреждение может иметь место, когда аккумулятор находится в эксплуатации длительное время без проведения периодического обслуживания.

2. Внутреннее сопротивление и его влияние на эксплуатационные характеристики батарей.

Одна из основных характеристик аккумуляторной батареи это внутреннее сопротивление.
Внутреннее сопротивление по большому счету определяет производительность батареи. Если при работе с аккумулятором с высоким внутренним сопротивлением потребуется обеспечить большой ток нагрузки, то выходное напряжение аккумулятора будет падать за счет большого падения на внутреннем сопротивлении батареи.
Поскольку потребление тока дефибрилляторами и кардиографами носит импульсный характер, то в пиковые моменты потребления тока напряжение аккумулятора может упасть до нижнего предела напряжения питания и прибор сообщит (если конечно такая функция имеется), что аккумулятор разряжен не смотря на то, что до полного разряда еще далеко. Более того, иногда можно наблюдать картину, когда прибор выдает сообщение о разряде батарей с полностью заряженным аккумулятором со 100% емкостью. Батарея с высоким внутренним сопротивлением может нормально функционировать при небольшой DC нагрузке аналогичной нагрузке карманного фонарика или портативного CD проигрывателя. С подобной нагрузкой основная часть заряда батареи будет использована, так как высокое внутреннее сопротивление не играет особой роли в данном случае.
Рост внутреннего сопротивления у батарей разного типа химии вызван разными причинами. У никель-кадмиевых и металл-гидридных аккумуляторов он напрямую связан с эффектом памяти. Рекомендуется раз в месяц проводить циклы тренировки или хотя бы полностью разряжать никель-кадмиевые и металл-гидридные аккумуляторы. Если подобное обслуживание не проводится в течение трех-четырех месяцев, емкость аккумулятора может упасть на треть или более, при этом восстановление подобного аккумулятора сильно затрудняется. Регулярно проводимые циклы тренировок понижают внутренне сопротивление батареи.
Однако, не рекомендуется полностью разряжать батарею перед каждой подзарядкой, как это делают некоторые зарядные устройства, т.к. это приводит к преждевременному изнашиванию ячеек и уменьшению срока службы аккумулятора. Так же не рекомендуется оставлять батарею в зарядном устройстве после подзарядки.

2.1.Методы измерения внутреннего сопротивления.

Существует несколько способов измерить внутреннее сопротивление батареи.
Один из самых распространенных - метод постоянной нагрузки заключающийся в измерении падения напряжения относительно номинального напряжения батареи в процессе ее разряда. Падение напряжения, деленное на ток, дает внутреннее сопротивление.
Метод переменного тока, так же известный как тест проводимости, измеряет электрохимические характеристики батареи при воздействии на нее переменного тока. Дефекты батареи, вызывающие потерю емкости, влияют на проводимость аккумулятора, что считывается измерителем анализатора батарей.

3.Высокий ток саморазряда и его влияние на долговечность батарей.

Ток саморазряда - это параметр присущий аккумуляторным батареям любого типа. Аналогично сжатой пружине, батарея стремится вернуться в разряженное состояние. NiCd и NiMH батареи обладают наиболее высоким током саморазряда в сравнении с другими типами батарей. NiCd батарея теряет в среднем 10% заряда в течение первых 24 часов после окончания заряда. По прошествии одних суток потеря емкости составляет порядка 10% месяц.
Саморазряд, может происходить из-за повреждения сепаратора, когда крупнокристаллические формации слипшихся кристаллов пробивают его. Сепаратором принято называть тонкую пластину, разделяющую положительный и отрицательный электроды.
Этого можно избежать, нанося меньше активного материала на пластинки электродов при производстве. В этом случае ухудшается емкость, но улучшаются показатели расширения/ сжатия пластин при заряде /разряде, характеристики нагрузки и увеличивается ресурс - количество циклов заряд /разряд.
Поврежденный сепаратор невозможно восстановить проведением циклов заряд /разряд даже на анализаторах батарей. Причинами этого являются неправильное обслуживание, его отсутствие или применение некачественных зарядных устройств.
Другая причина, вызывающая потерю заряда, это истощение ресурса батареи. У изношенной батареи пластинки электродов разбухают, слипаясь, друг с другом, что приводит к повышению тока саморазряда.
График тока саморазряда не линеен и достигает максимального значения сразу после окончания заряда, когда батарея полностью заряжена. Высокопроизводительные батареи с увеличенной площадью электродов и высокопроводящим электролитом подвержены саморазряду в большей степени, чем менее производительные модели.
При повышении температуры, ток саморазряда увеличивается у всех типов аккумуляторов.
Считается, что при повышении температуры на 10°С ток саморазряда увеличивается вдвое. Например, потери энергии очень велики у батареи оставленной в закрытом автомобиле жарким летом. Выглядит впечатляюще, когда в течение суток батарея, за счет саморазряда теряет больше энергии, чем от прямого использования.
Ток саморазряда постепенно увеличивается с возрастом батареи и количеством отработанных циклов заряд/разряд. К примеру, возрастающий ток саморазряда делает непригодной к использованию NiMH батарею после 300-400циклов заряд/разряд, а NiCd - после 1000 циклов.
Проведение циклов заряд/разряд или процедура восстановления не помогут в этом случае, единственной альтернативой остается заменить поврежденные ячейки или саму батарею.

Саморазряд может быть вычислен с помощью анализатора аккумуляторных батарей по следующему алгоритму:
1 . Батарея полностью заряжается и измеряется ее емкость (номинальным током и измеряется время разряда).
2. Батарея заново заряжается и оставляется в покое в течение 24 часов, после чего измеряется емкость.
Более точные показатели величины саморазряда могут быть получены, если оставить батарею в покое на 72 часа или более. Больший период покоя компенсирует относительно высокий саморазряд в первые сутки после полной зарядки батареи. После 72 часов потеря емкости не должна превышать 15-20%. Наиболее точные результаты величины саморазряда могут быть получены после семи дней покоя батареи.
4.Напряжение питания и его изменение.

Любая грамотно разработанная портативная техника должна быть рассчитана на использование полного объема энергии батареи. Это означает, что если в процессе разряда батарея обеспечивает напряжение в диапазоне, например 6,0В -7,5В, то и питаемое ей устройство должно быть рассчитано на этот диапазон напряжений. Тем не менее, порог напряжения питания в технике некоторых хорошо известных на рынке производителей, значительно выше, чем минимальное напряжение в батарее.
Можно сказать, что проблема завышенного порога отключения питания в большей степени касается разработчика оборудования, чем проблем пользования аккумулятора. Но пока производитель решает эту проблему, подобное оборудование будет появляться на рынке и соответственно покупаться. Необходимо обратить внимание возможного пользователя на то, что портативная аппаратура с завышенным порогом отключения питания еще более требовательна к аккумуляторной батарее, ведь ее успешная эксплуатация возможна только при использовании качественной батареи с высоким максимальным напряжением.
Причины пониженного, относительно номинала, напряжения аккумуляторных батарей это:
1. Короткое замыкание в ячейках батареи
2. Эффект памяти (только у никелевых аккумуляторов при отсутствии правильного обслуживания).
3. Повышение температуры так же может привести к понижению напряжения на батарее. Эффект понижения напряжения в этом случае временный, напряжение вернется к номинальному когда батарея остынет.

Выводы:

1. Состояние аккумулятора необходимо оценивать комплексно. Как минимум по трем параметрам: внутреннему сопротивлению, емкости и току саморазряда.

2. Аккумуляторные батареи необходимо регулярно обслуживать на специализированной аппаратуре - анализаторах батарей (например, BA402).

3. В случае невозможности такого обслуживания, к сожалению, необходимо заменять парк аккумуляторных батарей, находящихся в эксплуатации раз в 2-3 года на 100%.

Исследователи батарей настолько фокусируются на литиевых аккумуляторах, что кто-то может вообразить, что будущее исключительно за ними. Для оптимизма, действительно, есть веские причины, поскольку литий-ионные аккумуляторы во многих отношениях превосходят другие типы. Количество устройств растет, и они вторгаются на рынки, которые ранее прочно удерживались свинцово-кислотными аккумуляторами. Многие спутники в качестве источника питания также используют литий-ионные аккумуляторы.

Литий-ионные аккумуляторы еще не достигли полной зрелости, и работы по улучшению их характеристик продолжаются. Очевиден значительный прогресс в долговечности и безопасности, в то время как емкость растет постепенно. Сегодня литий-ионный аккумуляторы соответствуют ожиданиям большинства потребительских устройств, однако аккумуляторы для электротранспорта нуждаются в дальнейшем совершенствовании, прежде чем этот источник питания станет общепринятой нормой.

Каковы причины старения литий-ионного аккумулятора?

Принцип работы литий-ионного аккумулятора основан на перемещении ионов между положительным и отрицательным электродами. В теории такой механизм должен работать вечно, но циклы заряда-разряда, повышенная температура и старение со временем ухудшают рабочие характеристики. Производители придерживаются осторожного подхода и для большинства потребительских продуктов указывают срок службы литий-ионных аккумуляторов между 300 и 500 циклами заряда/разряда.

Однако оценку срока службы аккумулятора на основании подсчета циклов нельзя считать бесспорной, поскольку глубина разряда может варьироваться, и четких стандартов, определяющих, что представляет собой цикл, не существует (см. ). Вместо подсчета циклов некоторые производители устройств предлагают заменять аккумулятор, ориентируясь на маркировку даты выпуска, но этот метод не принимает во внимание интенсивность его использования. Аккумулятор может выйти из строя раньше отведенного времени из-за активного использования или неблагоприятных температурных условий. Тем не менее, большинство аккумуляторов служит значительно дольше, чем показывает маркировка даты.

Характеристики аккумулятора определяются емкостью - основным показателем его здоровья. Внутреннее сопротивление и саморазряд тоже играют роль, но не столь значимую для предсказания конца срока службы современного литий-ионного аккумулятора.

Рисунок 1 иллюстрирует снижение емкости 11 литий-ионных аккумуляторов, протестированных в лаборатории Cadex. Пакетные элементы для мобильных телефонов емкостью 1500 мА×ч первоначально были заряжены током 1500 мА (1C) до напряжения 4.2 В на элемент, после чего подзаряжались до полного насыщения током 75 мА (0.05C). Затем током 1500 мА аккумуляторы были разряжены до 3 В на элемент, и цикл повторялся. Потеря емкости происходила равномерно на протяжении всех 250 циклов, и поведение аккумуляторов соответствовало ожиданиям.

Несмотря на то, что в течение первого года службы аккумулятор должен обеспечивать 100-процентную емкость, совершенно обычной является ситуация, когда фактическая емкость оказывается ниже указанной, и время хранения на складе может вносить в эту потерю свой вклад. В дополнение, производители склонны давать завышенную оценку своим аккумуляторам, заведомо зная, что очень немногие потребители будут делать выборочные проверки и предъявлять претензии, если емкость окажется низкой. Не обладающие потребительским опытом пользователи могут приобрести аккумуляторы с пониженной емкостью.

Аналогично тому, как механическое устройство изнашивается быстрее при интенсивном использовании, глубина разряда определяет количество циклов перезаряда аккумулятора. Чем меньше глубина разряда, тем дольше прослужит аккумулятор. По возможности следует избегать полных разрядок и чаще заряжать аккумулятор между использованиями. Неполный разряд полезен для литий-ионного аккумулятора. У него отсутствует эффект памяти, поэтому циклы полного разряда для продления жизни аккумулятору не нужны. Исключением может быть периодическая калибровка измерителя уровня заряда на «умной батарее» или интеллектуальном устройстве.

В Таблице 1 показана зависимость от глубины разряда количества циклов перезаряда, за которые емкость аккумулятора упадет до 70 процентов. Все остальные параметры, такие как напряжение заряда, температура и общие токи по умолчанию установлены в средние значения.

Таблица 1.	Зависимость количества циклов перезаряда от глубины разряда. Неполный разряд продлевает срок службы аккумулятора. Повышенная температура и высокие токи также оказывают негативное влияние на ресурс аккумулятора.
Глубина разряда Циклы разряда 100% 300 … 500 50% 1,200 … 1,500 25% 2,000 … 2,500 10% 3,750 … 4,700

Высокая температура, так же как и высокое напряжение заряда, оказывают неблагоприятное воздействие на состояние литий-ионного аккумулятора. Для большинства литий-ионных аккумуляторов температура окружающей среды считается повышенной начиная с 30 °C, а напряжение более 4.1 В на элемент рассматривается как высокое. Воздействие на аккумулятор высокой температуры и длительное хранение в полностью разряженном состоянии могут иметь более губительные последствия, чем циклы заряда и разряда. Таблица 2 иллюстрирует зависимость потери емкости от температуры и уровня заряда.

Таблица 2.	Оценочные значения восстанавливаемой емкости после хранения литий-ионного аккумулятора в течение одного года при различных температурах. Повышенная температура ускоряет потерю емкости. Не все типы литий-ионных аккумуляторов ведут себя так же.
Температура Заряд 40% Заряд 100% 0 °C 98% 94% 25 °C 96% 80% 40 °C 85% 65% 60 °C 75% 60% (после 3-х мес.)

Большинство литий-ионных аккумуляторов заряжается до 4.2 В на элемент, и каждое снижение этого напряжения на 0.1 В удваивает их ресурс. Например, литий-ионный элемент, заряжаемый до 4.2 В, обычно выдерживает 300…500 циклов перезаряда. Если же он заряжается только до 4.1 В, срок службы может быть продлен до 600…1000 циклов, 4.0 В должны обеспечить 1200…2000, а 3.9 В - 2400…4000 циклов.

Негативной стороной такого подхода является уменьшение количества заряда, запасаемого в аккумуляторе. Снижение напряжения заряда на 70 мВ уменьшает общую емкость на 10%. Последующая зарядка до предельного напряжения восстанавливает полную емкость.

С точки зрения долговечности оптимальным напряжением заряда является 3.92 В на элемент. Эксперты считают, что при таком уровне порога исключаются все неблагоприятные факторы, связанные с напряжением аккумулятора. Дальнейшее снижение порога не даст дополнительного выигрыша, зато может привести к другим негативным последствиям (см. ). В Таблице 3 приведена зависимость емкости от уровня заряда. (Все значения оценочные; параметры элементов с более высокими пороговыми напряжениями могут отличаться от истинных).

Таблица 3.	Зависимость количества циклов разряда и емкости от предельного напряжения заряда. Каждое снижение на 0.1 В от уровня 4.2 В удваивает количество циклов перезаряда, но уменьшает емкость. Напряжение, превышающее 4.2 В на элемент, может сократить срок службы аккумулятора. Снижение напряжения заряда на 70 мВ уменьшает емкость на 10%.
Уровень заряда (В/элемент) Циклы разряда Емкость при полном заряде ~ 4.20 300 … 500 100% 4.10 600 … 1,000 ~86% 4.00 1,200 … 2,000 ~72% 3.92 2,400 … 4,000 ~58%

Большинство зарядных устройств для мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов и цифровых камер заряжают литий-ионный аккумулятор до напряжения 4.2 В на элемент. Это позволяет закачать максимальный заряд, поскольку потребителю не нужно ничего, кроме оптимального времени работы. С другой стороны, промышленность, больше заинтересована в долговечности устройств и может выбирать более низкие пороги напряжений. Такими примерами могут служить cпутники и электротранспорт.

Для многих литий-ионных аккумуляторов соображения безопасности не позволяют превышать напряжение 4.2 В на элемент. (Исключением являются некоторые литий-никель-кобальт-марганцевые аккумуляторы). С одной стороны более высокое напряжение увеличивает емкость, но с другой - сокращает срок службы и снижает уровень эксплуатационной безопасности. Рисунок 2 демонстрирует зависимость количества циклов от напряжения заряда. При напряжении 4.35 В количество циклов обычного литий-ионного аккумулятора сокращается вдвое.

Помимо того, что для каждого конкретного приложения требуется подбор наиболее подходящих порогов напряжения, обычный литий-ионный аккумулятор нельзя оставлять надолго под высоким напряжением 4.2 В. Поэтому зарядное устройство отключает зарядный ток, позволяя напряжению аккумулятора вернуться к более естественному уровню. Это напоминает расслабление мышц после напряженной тренировки .

Что может сделать пользователь?

На долговечность литий-ионных аккумуляторов влияют не только циклы перезаряда, но и условия окружающей среды. Наихудшей ситуацией является хранение полностью заряженного аккумулятора при повышенных температурах. Аккумуляторы не умирают внезапно, но их ресурс сокращается постепенно, по мере снижения емкости.

Более низкие напряжения заряда продлевают срок службы аккумулятора, что учитывают разработчики электротранспорта и спутников. Аналогичный подход мог бы использоваться и в отношении потребительских устройств, но такое бывает нечасто, и обычно заменяется учетом планируемого старения.

Срок службы аккумулятора ноутбука можно продлить, снизив напряжения заряда, когда он подключен к сети переменного тока. Чтобы сделать такую функцию дружественной для пользователя, устройство должно иметь режим «Долгая Жизнь», который будет поддерживать напряжение аккумулятора равным 4.05 В на элемент, обеспечивая емкость порядка 80 процентов. За час до путешествия пользователь включает режим «Полная Емкость», чтобы довести заряд до 4.2 В на элемент.

Нередко можно услышать вопрос: «Должен ли я отключать свой ноутбук от электрической сети, когда он не используется?» В обычных условиях это необязательно, поскольку по достижении литий-ионным аккумулятором полного заряда его зарядка прекращается. Подзарядка возобновляется только тогда, когда напряжение аккумулятора снижается до определенного уровня. Большинство пользователей не отключают блок питания, и такая практика безопасна.

Современные ноутбуки греются меньше, чем старые модели, и сообщения о возгораниях поступают реже. Если работающие электрические устройства с воздушным охлаждением находятся на постели или подушке, всегда следите за тем, чтобы вентиляционные отверстия не были закрыты. Прохладный ноутбук продлевает срок службы аккумулятора и внутренних компонентов. Элементы большинства потребительских устройств должны заряжаться током 1C или меньше. Избегайте так называемых сверхбыстрых зарядных устройств, которые, по утверждению производителей, способны полностью зарядить аккумулятор быстрее чем за час.

Если взять объем электрической энергии, полученной при разряде аккумуляторной батареи до определенного значения, то эта величина будет назваться номинальной или зарядной емкостью АКБ. Она учитывается при и другим характеристикам. Иными словами, чтобы определить емкостные характеристики, нужно засечь время работы аккумулятора до тех пор, пока он не сядет, скажем, до 6 Вольт. Измеряется данный параметр в Ампер-часах.

Зависимость разрядной емкости батареи от огромного количества факторов очевидна. Так, она может варьироваться, в зависимости от конструктивных особенностей, технологии изготовления, условий эксплуатации АКБ. Среди самых значимых конструктивных нюансов этого типа можно назвать следующие категории:

• количество имеющейся активной массы;
• объем электролита, залитого в АКБ;
• толщина пластин;
• геометрические размеры электродов.

Пожалуй, основными среди технологических параметров, оказывающих влияние на емкостные характеристики батареи, можно назвать состав активных материалов и рецептуру их приготовления, а также степень их пористости.

Что касается эксплуатационных параметров, влияющих на разрядную емкость, то здесь необходимо отметить температуру электролита, а также силу разрядного тока.

От теории к практике

Перейдем к конкретным параметрам, от которых зависит емкость и их подробному описанию:

Величина электродов

Чем тоньше пластины, тем более равномерной является нагрузка на все слои активной массы. Это позитивно сказывается на разрядной емкости. Толстые электроды - напротив, не дают использовать внутренние слои активной массы максимально эффективно.

Плотность активной массы

Чем меньше данный параметр, тем больше степень пористости, благодаря чему существенно улучшается диффузия электролита, направленная вглубь активной массы пластины. Таким образом, увеличивается и истинная поверхность, необходимая для протекания реакции образования тока а, соответственно, и разрядная емкость.

Материал сепаратора

Наличие большого количества пор вместе с увеличением высоты его ребер способствует повышению запаса электролита, находящегося в межэлектродном зазоре. Таким образом, улучшается и условия его диффузии.

Плотность электролита

Чем больше в растворе серной кислоты, тем выше емкость положительных электродов. Емкость же отрицательных пластин - напротив, снижается за счет ускорения процесса пассивации поверхности. Следует отметить, что слишком высокая плотность - также не очень хороша. Из-за повышенной концентрации серной кислоты уменьшается антикоррозийная устойчивость металла.

Разрядный ток

Для того чтобы добиться более высокой емкости АКБ, нужно использовать разрядные токи меньшей мощности. Кстати, используя , не злоупотребляйте ускоренным режимом. Несмотря на то, что заряд достигается быстро, он так же быстро и расходуется при запуске авто.

Температура электролита

Чем ниже температурные показатели раствора серной кислоты и дистиллированной воды, тем ниже емкость батареи. Это обусловлено тем, что при увеличении вязкости электролита повышается и электрическое сопротивление, а это, в свою очередь, приводит к замедлению диффузии.

Март 2016

Как известно, работа свинцово-кислотной аккумуляторной батареи основана на возникновении разности потенциалов между двумя электродами, погруженными в электролит. Активное вещество отрицательного катода – чистый свинец, а положительного анода – двуокись свинца. В системах резервного и автономного питания могут применяться аккумуляторы, изготовленные по разным технологиям: обслуживаемые наливные, герметичные гелевые или AGM. Вне зависимости от технологии, химические процессы, протекающие в свинцово-кислотных аккумуляторах, схожи:

При разряде через пластины проходит электрический ток, и пластины покрываются серным окислом (сульфатом) свинца. Сульфат свинца оседает на пластинах в виде пористого налета. При заряде идет обратная реакция восстановления активного вещества, на отрицательных пластинах накапливается чистый свинец, а на положительных – пористая масса окиси свинца. К сожалению, полное восстановление активного вещества в каждом новом цикле разряда-заряда невозможно . При эксплуатации неизбежно происходит так называемое старение аккумулятора, то есть постепенная потеря емкости – вплоть до допустимого предела эксплуатации, обычно принимаемого по снижению емкости до 60% от исходной. В идеальных условиях реальный срок эксплуатации аккумуляторов в буферном режиме может приближаться к номинальному.

Процесс старения аккумулятора может значительно ускориться в силу действия следующих разрушающих процессов:

• Сульфатация пластин;
• Коррозия пластин и осыпание активной массы;
• Испарение электролита или так называемое «высыхание» аккумулятора;
• Стратификация электролита (характерно только для наливных АКБ).

Сульфатация пластин

Когда аккумулятор разряжен, рыхлая активная масса превращается в твердые микрокристаллы сульфата свинца. Если зарядку аккумулятора не производить длительное время, микрокристаллы укрупняются, налет уплотняется и перекрывает доступ электролита к пластинам, что делает зарядку аккумулятора невозможной. Факторы, повышающие риск сульфатации: длительное хранение в разряженном состоянии; хронический недозаряд аккумулятора в циклическом режиме (необходим 100% заряд не реже чем раз в месяц); экстремально глубокий разряд аккумулятора. Сульфатация пластин может быть частично устранена специальными режимами заряда АКБ.

Коррозия и осыпание активного вещества

При коррозии чистый свинец решетки пластин, взаимодействуя с водой, окисляется в окись свинца. Окись свинца хуже проводит электроток к активному веществу намазки пластин, повышает внутреннее сопротивление и уменьшает стойкость аккумулятора к высоким токам разряда. На положительных пластинах коррозия ослабляет сцепление решетки с активным веществом. Кроме того, само активное вещество положительной пластины постепенно теряет прочность. При каждом цикле намазной слой пластины меняет состояние из объемной массы микрокристаллов окиси свинца в жесткую кристаллическую структуру сульфата свинца. Чередование сжатия и расширения снижает физическую прочность намазного слоя, что в сочетании с ослаблением сцепления приводит к сползанию и осыпанию активного вещества на дно аккумулятора. Коррозия и накопление отслоившегося активного вещества могут приводить к деформации пластин аккумулятора и, при наихудшем развитии событий, к их замыканию.

Факторы, повышающие риск коррозии и осыпания активной массы:

• заряд слишком высоким напряжением;
• заряд недостаточным током – то есть долгое нахождение под высоким напряжением в фазе наполнения;
• слишком долгое нахождение в фазе абсорбции («перезаряд»);
• заряд аккумулятора слишком большим током;
• ускоренный разряд аккумулятора слишком большим током.

Осыпание (сползание) активной массы электролита – необратимое явление. Самое опасное последствие сползания активной массы – замыкание пластин.

Испарение электролита

При разряде на положительной пластине аккумулятора из воды образуется кислород. В нормальных условиях поддерживающего заряда кислород рекомбинирует на отрицательной пластине аккумулятора с водородом, восстанавливая исходное количество воды в электролите. Но диффузия кислорода в сепараторе затруднена, поэтому процесс рекомбинации не может быть 100% эффективным. Снижение доли воды изменяет зарядные характеристики аккумулятора и при определенном пороге делает заряд полностью невозможным. Факторы, повышающие риск «высыхания аккумулятора»: эксплуатация при высокой температуре окружающей среды; заряд слишком большим током или напряжением; слишком высокое напряжение поддерживающего заряда - «перезаряд» аккумулятора.

Испарение электролита – необратимое явление для гелевых и AGM аккумуляторов. Основная причина высыхания, особенно для AGM – «перезаряд» аккумуляторов.

Терморазгон и термический пробой аккумуляторов

Старение аккумулятора в силу перечисленных выше процессов происходит ускоренными темпами, однако все же достаточно медленно и часто незаметно.

Рекомбинация газов в герметичной батарее – это химический процесс с выделением тепла. Когда рекомбинация идет при правильных значениях напряжения и тока заряда, нагрев не создает проблем. Однако, когда батарея перезаряжена , внутренняя температура повышается быстрее, чем батарея может быть охлаждена снаружи. Повышение температуры уменьшает зарядное напряжение, что в стадии абсорбции приводит к одновременному увеличению тока. Это в свою очередь вновь повышает температуру.

Запускается самоподдерживающийся цикл увеличения тока и тепловыделения, приводящий, при худшем развитии ситуации, к деформации решеток и внутреннему короткому замыканию с необратимым разрушением аккумулятора.

Факторы, повышающие риск появления эффекта терморазгона:

• прерывистый или «пульсирующий» заряд из-за нестабильного внешнего источника энергии или некачественного зарядного устройства;
• слишком долгое нахождение в фазе абсорбции – «перезаряд»;
• плохой теплоотвод или повышенная температура окружающей среды.

Специфика разрушающих процессов в цепочке АКБ

Нетрудно заметить, что при заряде отдельного аккумулятора все факторы риска устранимы обеспечением правильных условий эксплуатации и зарядного алгоритма. Однако в системах резервного энергоснабжения редко используется менее двух аккумуляторов. При параллельно-последовательном соединении зарядное устройство «видит» значения зарядного тока и напряжения только на оконечных клеммах, поэтому на отдельных аккумуляторах напряжения могут серьезно отличаться от рекомендуемых значений. Аккумулятор, имеющий более высокий уровень саморазряда (больший ток утечки), может вызывать перезаряд последовательно соединенных с ним элементов и неполный заряд параллельно соединенных с ним элементов . Перезаряд и недозаряд повышают риск проявления практически всех разрушающих процессов. Поэтому для уменьшения опасности все аккумуляторы в цепочке должны иметь одинаковое состояние заряда и максимально близкие значения емкости. Для новых установок рекомендуется использовать аккумуляторы не только одной марки, но и одной заводской партии. Однако практика показывает, что и в одной партии не бывает даже двух аккумуляторов с точно совпадающими характеристиками емкости, степени заряда и внутренних токов утечки. Тем более требование одинаковых характеристик недостижимо, когда нужно заменить поврежденный аккумулятор в уже эксплуатируемой батарее.

Незначительный разброс по степени заряженности новых аккумуляторов чаще всего сглаживается в процессе приработки за несколько циклов разряда и заряда. Но при значительном разбросе или различиях характеристик емкости разбаланс между отдельными АКБ массива со временем только возрастает.

Систематические перезаряды аккумуляторов с меньшей емкостью и возможные переполюсовки недозаряженных аккумуляторов при глубоких разрядах приводят к накоплению повреждений и выходу из строя отдельных аккумуляторов. В силу эффекта терморазгона даже один вышедший из строя аккумулятор может уничтожить весь массив батареи.

Активное выравнивание заряда аккумуляторов

Сгладить различия параметров аккумуляторов можно используя специальное устройство, называемое балансир заряда АКБ или нивелир разбаланса.

ВАЖНО! Применение балансиров заряда снижает риск возникновения разрушающих процессов, однако не может исправить уже серьезно поврежденный АКБ.

Физически устройство выравнивания заряда аккумуляторов представляет собой компактный электронный модуль, подключаемый к каждой паре последовательно соединенных элементов:

• для батареи номиналом 24В требуется один балансир заряда на цепочку (схема1).
• для батареи номиналом 48В требуется три балансира заряда на цепочку (схема 2).

Электропитание SBB осуществляется от самой батареи или от источника заряда. Собственное энергопотребление SBB мало и соизмеримо с потерями на саморазряд.

Эффективность нивелира SBB2-12-A принципиально выше, чем у других балансиров заряда, работа которых основана либо на шунтировании избыточной зарядной мощности (т.н. пассивные балансиры, создают прямые потери энергии), либо на селективном подзаряде элементов (выравнивание идет только во время заряда). Максимальный ток выравнивания SBB2-12-A – 5А, что превосходит возможности всех представленных на рынке альтернативных устройств.

Эффект применения балансира заряда :

1) Повышение общей надежности и увеличение срока службы аккумуляторов.

2) Увеличение энергоотдачи аккумуляторной батареи, т.к. при глубоких разрядах батарей более полно используется емкость всех аккумуляторов в последовательной цепи.

Балансиры SBB работают постоянно, поддерживая аккумуляторы в равновесном состоянии даже при выключенном зарядном устройстве.

Схема подключения

Схема подключения нивелира (балансира) на батарею 24В и 48В.

Ниже представлены схемы подключения нивелира заряда SBB2-12-A к свинцово-кислотным аккумуляторным аккумуляторам 12В в батареях номиналом 24В и 48В.

Схема 1. Батарея 24В из двух АКБ 12В	Схема 2. Батарея 48В из четырех АКБ 12В

Подключение нивелира (балансира) на батарею из нескольких параллельных цепочек.

Допускается работа одного балансира выравнивания заряда SBB на 2-3 параллельных цепочки аккумуляторов – если разбаланс невелик и нет превышения по максимальному току выравнивания. Отдельная балансировка каждой цепочки дает лучшие результаты за счет селективности корректирующего воздействия .

При использовании одного нивелира на несколько цепочек необходимо применять схему соединения аккумуляторов с шинами постоянного тока и соединением средних точек (Схема 3).

При использовании отдельного нивелира в каждой цепочке можно применять обычную схему соединения аккумуляторов (Схема 4).