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. |
|||||||||||||||
|
||||||||||||||||
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. |
|||||||||||||||
|
||||||||||||||||
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%. |
||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
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.
Из принципа работы свинцово-кислотного аккумулятора следует, что емкость аккумулятора определяется объемом активной массы и электролита. Но реально емкость батареи зависит еще и от множества конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.
Емкость аккумуляторной батареи существенно снижается с увеличением силы тока (рис. 1.2), что связано с резким уменьшением концентрации электролита в порах пластин, изолируемых сульфатом свинца. Зависимость емкости от разрядного тока описывается уравнением Пейкерта:
где n , k – постоянные для данного типа батареи (n =1,2...1,7), t кон.– время разряда.
Рис. 1.2. Зависимость емкости аккумуляторной батареи от разрядного тока
Емкость аккумуляторной батареи уменьшается с понижением температуры из-за увеличения вязкости электролита и замедления поступления серной кислоты в поры активной массы (рис.1.3).
Рис. 1.3. Зависимость емкости аккумуляторной батареи от температуры электролита в режиме разряда
Так как емкость аккумуляторной батареи зависит от температуры, то значение емкости, полученное при температуре T , приводят к температуре 25 0 C :
,
где C 25 – емкость, приведенная к температуре 25 0 C ; C T – емкость, полученная при средней температуре T ; 0,01 – температурный коэффициент изменения емкости при температуре 18...27 0 C .
При известной начальной плотности электролита g з степень разряженности аккумуляторной батареи определяется по формуле:
,
где g 25 – плотность электролита при температуре +25 0 C (плотности g з и g 25 измерены в г/см 3).
Подготовка аккумуляторной батареи к эксплуатации
Приготовление электролита. Существует два способа приготовления электролита. 1 способ: концентрированная серная кислота плотностью 1,83 г/см 3 добавляется в дистиллированную воду (но не наоборот). 2 способ: электролит плотностью 1,40 г/см 3 добавляется в дистиллированную воду или в электролит с плотностью ниже необходимой. Следует учитывать, что плотность электролита для различных времен года и климатических условий должна быть различной. Например, в районах с умеренным климатом (со средней месячной температурой в январе -15...-8 0 С) плотность электролита должна быть равна 1,26±0,01 г/см 3 , в районах с холодным климатом (со средней месячной температурой в январе -30...-15 0 С) плотность электролита должна быть равна 1,28±0,01 г/см 3 .
Заливка батареи электролитом. Температура заливаемого электролита должна быть в пределах 15…30 0 C . Его плотность зависит от климатических условий эксплуатации батареи. Перед заливкой необходимо отвернуть вентиляционные пробки и удалить элементы, герметизирующие вентиляционные отверстия. Электролит заливают до тех пор, пока он не достигнет нижнего торца тубуса горловины крышки или определенного уровня выше предохранительного щитка (для традиционных аккумуляторных батарей уровень электролита равен 10 мм). Плотность электролита, заливаемого в новую батарею, должна быть на 0,02 г/см 3 меньше той, которая должна быть в конце заряда для данной климатической зоны. Если через два часа после заливки сухозаряженной батареи плотность электролита будет на 0,03 г/см 3 ниже плотности этого электролита через 20 минут после заливки, то батарею следует зарядить, а затем скорректировать плотность электролита. Но желательно все же заряжать батарею в любом случае.
Заряд аккумуляторных батарей. Аккумуляторные батареи можно заряжать от любого источника постоянного тока при условии, что его напряжение больше напряжения заряжаемой батареи. Для полного заряда батарея должна принять 150 % требуемой (недостающей) емкости. Различают два основных способа заряда: при постоянном токе и при постоянном напряжении.
Заряд при постоянном токе. Оптимальная сила тока заряда равна: I з =0,1×C 20 . При повышении температуры электролита до 45 0 C необходимо снизить зарядный ток в два раза или прервать заряд для охлаждения электролита до 30...35 0 C .
Методом заряда при постоянном токе можно заряжать n последовательно включенных аккумуляторов при напряжении на выходе зарядного устройства U з >2,7n .
Достоинствами данного метода являются: 1) простота зарядных устройств; 2) простота расчета количества электричества, сообщаемого батарее, как произведение тока и времени заряда.
Недостатком метода при малом токе заряда является большая длительность заряда, а при большом – плохая заряжаемость к концу заряда и повышенная температура электролита.
Заряд при постоянном напряжении. Данный метод используется в частности для заряда аккумулятора, уже установленного на автомобиле. Метод имеет два недостатка, проявляющихся в начале заряда полностью разряженных батарей: 1) зарядный ток достигает 1...1,5C 20 ; 2) из-за большого зарядного тока перегревается аккумулятор. Поэтому для предохранения генератора от перегрузки на автомобиле устанавливаются ограничители тока.
Продолжительность заряда при использовании обоих методов одинакова. Недостатки, присущие этим методам, преодолеваются комбинированными способами заряда.
Заряд ступенчатым током (ступенчатый заряд). Способ заключается в том, что сначала заряд выполняют номинальным током до заданного напряжения, затем ток снижают в 2...3 раза и доводят заряд до конца. Используются двух-, трех- и четырехступенчатые режимы заряда.
Смешанный способ заряда. При данном способе сначала осуществляется заряд при постоянном токе, а затем – при постоянном напряжении.
Уравнительный заряд. Сущность заряда заключается в заряде при постоянном токе, равном 0,1C 20 , до тех пор, пока плотность электролита и напряжение батареи не будут постоянными в течение 3 часов. Такой заряд необходим для выравнивания степени заряженности всех аккумуляторов батареи и устранения сульфатации электродов. Явление сульфатации заключается в образовании крупных труднорастворимых кристаллов сернокислого свинца (сульфата свинца) на поверхности электродов и на стенках пор активного вещества. В результате сульфатации не все активное вещество электродов может участвовать в работе. Поэтому емкость батареи снижается. Сульфатацию определяют по ЭДС аккумулятора. Если ЭДС аккумулятора, измеренная вольтметром, будет меньше ЭДС, подсчитанной по плотности, то электроды аккумулятора сульфатированы.
Форсированный заряд. Заряд производится током до 0,7C 20 .При токе, равном 0,7C 20 время заряда – 30 мин., при токе 0,5C 20 – 45 мин., при токе 0,3C 20 – 90 мин. В процессе заряда необходимо при достижении температурой электролита 45 0 C дальнейший заряд прекращать. Форсированный заряд применяется в исключительных случаях.
Контрольный разряд аккумуляторной батареи. Контрольный разряд проводится для определения исправности полностью заряженной батареи. Сила разрядного тока поддерживается равной 0,1С 20 . Когда на зажимах одного из аккумуляторов напряжение понизится до 1,7 В (или 10,2 В на батарее), разряд заканчивают. Батарея считается исправной, если время разряда будет не менее 7,5 ч для батарей с электролитом плотностью 1,29 г/см 3 , 6,5 ч – для 1,27 г/см 3 , 5,5 ч – для1,25 г/см 3 . В противном случае батарея является неисправной.
К основным причинам плохой заряжаемости батарей относятся: 1) высыпание активной массы из решеток вследствие коробления последних при заряде большими токами, замерзании электролита и т.п.; 2) наличие в аккумуляторном электролите примесей веществ, которые, осаждаясь на электродах, экранируют часть их рабочей поверхности, препятствуя протеканию на ней основной токообразующей реакции, и способствуют усиленному разложению воды и газовыделению. 3) сульфатация электродов из-за хранения батареи в теплом помещении при высокой плотности электролита. Из-за систематических недозарядов батареи, высокого саморазряда, длительного бездействия батареи в разряженном (частично или полностью) состоянии, снижения уровня электролита ниже верхней кромки электродов возникает необратимая сульфатация .
Устранение сульфатации электродов. Сульфатацию устраняют несколькими циклами разряда-заряда при малой плотности электролита (1,11...1,12 г/см 3). Заряд производят током не более 0,05 С 20 ампер, доводят плотность электролита до нормы, а затем проводят контрольный разряд батареи при силе тока 0,1 С 20 . Разряд заканчивают, когда на зажимах одного из аккумуляторов напряжение понизится до 1,7 В (или 10,2 В на батарее). Батарея считается исправной, если время разряда будет не менее 7,5 ч для батарей с электролитом плотностью 1,29 г/см 3 , 6,5 ч – для 1,27 г/см 3 , 5,5 ч – для 1,25 г/см 3 . В противном случае батарею подвергают нескольким циклам заряда-разряда. Если при повторных циклах время разряда не увеличивается, то батарея требует ремонта.
Хранение аккумуляторных батарей. Новые, не залитые электролитом батареи хранятся при температуре не ниже -50 0 C . Заряженные батареи с электролитом хранятся по возможности при температуре не выше 0 0 C . Минимальная температура их хранения: -30 0 C . При чрезмерно низких температурах электролит может замерзнуть. При плотности электролита g 25 =1,31 г/см 3 электролит замерзает при температуре ниже -40 0 С, при g 25 =1,27 г/см 3 электролит замерзает при температуре до -30 0 С. Перед постановкой на хранение несухозаряженной батареи необходимо:1) полностью зарядить батарею; 2)скорректировать плотность электролита; 3) если потребовалась коррекция плотности, то следует подзарядить батарею в течение 30 минут для выравнивания плотности электролита по объему каждой банки; 4) удалить с батареи токопроводящий слой, используя для этого раствор питьевой соды или нашатыря.
Проблема подготовки аккумулятора на зиму знакома автомобилистам — зимой аккумулятор слабее и медленнее крутит стартер, быстро разряжается. Это связано с тем, что зимой нагрузка на аккумулятор возрастает, а характеристики аккумулятора резко ухудшаются в связи с понижением температуры эксплуатации.
Рассмотрим влияние холода на основные характеристики свинцовых аккумуляторов:
- внутреннее сопротивление
- напряжение
- емкость
- отдача
1. Внутреннее сопротивление аккумулятора
Внутреннее сопротивление складывается из сопротивления материала пластин, активного поверхностного слоя пластин, сепараторов, и сопротивления электролита, которое сильно зависит от температуры, снижение подвижности ионов и увеличение вязкости электролита повышают внутреннее сопротивление.
При температуре от -30°C до -40°C снижается скорость диффузии ионов электролита, проводимость активного слоя падает в восемь раз, проводимость сепараторов в четыре раза.
Основными свойствами электролита являются плотность, температура замерзания, вязкость и удельное сопротивление.
Плотность электролита находится линейной зависимости от температуры в диапазоне от 20 С до - 30 С и может определяться по формуле 1.28 + (Т-20)Х0.007
В диапазоне от 0°C до -30°C при падении температуры на 1°C :
— вязкость увеличивается на 16%
— удельное сопротивление увеличивается на 15%
— емкость аккумулятора падает на 4%
Внутреннее сопротивление также увеличивается при разряде большими токами как результат уменьшения плотности электролита в порах активной массы и около электродов.
Зависимость удельного сопротивления электролита плотностью 1,30 г/см 3 от температуры:
| Температура, °С | Удельное сопротивление электролита Ом·см |
| + 40 | 0,89 |
| + 25 | 1,28 |
| + 18 | 1,46 |
| 0 | 1,92 |
| - 18 | 2,39 |
Соответственно, с падением температуры аккумулятора снижается максимальный отдаваемый батареей ток .
Как видно из вышеприведенных данных, с понижением температуры электролита с +40°С до -18°С удельное сопротивление возрастает в 2,7 раза .
2. Напряжение на клеммах АКБ
Напряжение на клеммах аккумулятора является разницей значения электродвижущей силы (ЭДС) и падением напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора, которое значительно зависит от температуры, плотности электролита и потребляемого тока.
Напряжение заряда при 20°С составляет 13,8 В, при снижении температуры должно увеличиваться на 0,003 В/град, что составляет при О°С дополнительно 0,6В (14,4В) и при -20°С дополнительно 1,2В (15В).
Зимой АКБ страдают от недозаряда, особенно при коротких поездках.
Напряжение на клеммах АКБ 12,72 В говорит о 100% заряде.
12,24 В — заряде 50%,
11,76 В соответствует полностью разряженному аккумулятору.
При частичном заряде падает плотность электролита и повышается вероятность его замерзания и разрушения батарей.
Электролит плотностью 1,28 замерзает при -65°C, плотностью 1.20 при -20°C, плотностью 1.10 при - 7 °C.
4. Емкость аккумулятора
Емкостью аккумулятора называется количество электричества, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при заданном режиме разряда, температуре и конечном напряжении. Емкость измеряют в ампер-часах и определяют по формуле C=Ip*tp
,
где С
- емкость, а·ч;
Ip
- сила разрядного тока, а;
tp
- время разряда, ч.
Снижение емкости аккумулятора при понижении температуры вызвано повышением вязкости электролита и замедлением диффузии электролита в поры активной массы, внутренние слои которой не участвуют в реакции разряда.
5. Отдача по емкости
Отдача по емкости — отношение количества электричества, полученного от аккумулятора при разряде, к количеству электричества, необходимого для заряда аккумулятора до первоначального состояния при определенных условиях. Отдача по емкости зависит от полноты заряда, который падает с падением температуры электролита.
Выводы
Все вышесказанное объясняет значительное влияние холода на основные характеристики свинцовых аккумуляторов. В холодное время, разряженный после неудачного запуска двигателя и оставленный в машине почти новый аккумулятор, может быть испорчен в результате замерзания электролита.
Если рассматривать практический пример, то мы наблюдали падение емкости АКБ с 80 A/ч до 1 2 А/ч при температуре -18°C и токе разряда 240А .
Пути снижения влияния холода на характеристики АКБ:
1. Утепление подкапотного пространства
2. Если автомобиль хранится в гараже, то можно подсоединить к аккумулятору коннекторы постоянного подключения и соединять его с зарядным устройством
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%.