Тяговые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (АКБ) с трубчатыми положительными пластинами предназначены для обеспечения непрерывной работы транспортных средств на электротяге – электропогрузчиков, штабелеров, тележек, поломоечных машин, а также шахтных тягачей, электровозов, трамваев и троллейбусов.
Основные параметры аккумуляторов
Основными параметрами АКБ являются номинальное напряжение, номинальная емкость, габаритные размеры и срок службы.
Номинальное напряжение одного аккумуляторного элемента составляет 2 В, соответственно общее номинальное напряжение АКБ, состоящей из соединенных последовательно N аккумуляторов, равно сумме напряжений каждого из них. Например, напряжение батареи, состоящей из 24 элементов, 48 В. Нормальное значение напряжения при правильной эксплуатации может варьироваться в процессе работы от 1,86 до 2,65 В/элемент для батарей с жидким электролитом и от 1,93 до 2,65 В/элемент для гелевых батарей.
Историческая справка
Идея загустить электролит батареи до состояния геля появилась у доктора Якоби, разработчика компании Sonnenschein, в 1957 г. В том же году была запатентована технология dryfit и начато производство гелевых батарей. Интересно, что первые их аналоги начали появляться на рынке только в середине 1980-х, в это время Sonnenschein имела уже почти 30-летний опыт производства таких батарей.
Электрической емкостью АКБ называется количество электричества, снимаемое при разряде АКБ. Емкость может измеряться в разных режимах, например, при 5-часовом разряде (С 5) и 20-часовом разряде (С 20). При этом у одной и той же батареи получится разное значение емкости. Так, при емкости батареи С 5 = 200 А·ч емкость С 20 той же самой батареи будет равна 240 А·ч. Этим иногда пользуются для завышения емкости батареи. Как правило, емкость тяговых аккумуляторов измеряют в 5-часовом режиме разряда, стационарных – в 10-часовом или 20-часовом, стартерных – только в 5-часовом режиме. Кроме того, при снижении температуры батареи ее полезная емкость уменьшается.
Габаритные размеры, как правило, имеют определяющее значение, поскольку в любой технике на электротяге для аккумулятора предусмотрено специальное посадочное место. Точный размер ящика зачастую можно узнать по модели машины.
Срок службы АКБ (для ведущих западноевропейских производителей) определяется DIN/EN 60254-1, IEC 254-1 и составляет 1500 циклов для батарей с жидким электролитом и 1200 циклов для гелевых батарей. Однако реальный срок службы может сильно отличаться от этих цифр, причем, как правило, в меньшую сторону. Он зависит прежде всего от качества производства и используемых материалов, от правильности эксплуатации и своевременности обслуживания, от режима работы, а также типа используемого зарядного устройства.
Эксплуатация
Условно процедуры эксплуатации и обслуживания можно разделить на четыре группы – ежедневные, еженедельные, ежемесячные и ежегодные операции.
Ежедневные операции:
- зарядить батарею после разряда;
- проверить уровень электролита и при необходимости откорректировать его, долив дистиллированную воду.
Еженедельные операции:
- очистить батарею от загрязнений;
- провести визуальный осмотр;
- провести выравнивающий заряд (желательно).
Ежемесячные операции:
- проверить исправность зарядного устройства;
- проверить и записать в журнал значение плотности электролита на всех элементах (после заряда);
- проверить и записать в журнал значение напряжения на всех элементах (после заряда).
Ежегодные операции:
- измерить сопротивление изоляции между батареей и корпусом машины. Сопротивление изоляции тяговых батарей в соответствии с DIN VDE 0510, ч. 3 должно быть не менее 50 Ом на каждый вольт номинального напряжения.
Вообще говоря, долив воды требуется примерно 1 раз в 7 циклов (1 раз в неделю при односменной работе), но проверка требуется после каждого заряда, так как вода расходуется неравномерно.
На заметку
При замене щелочных АКБ на свинцово-кислотные надо иметь в виду, что эти аккумуляторы нельзя заряжать вместе, поэтому нужно либо сразу переводить весь парк аккумуляторов на свинцово-кислотные, либо использовать два изолированных зарядных помещения. Кроме того, при замене щелочных АКБ на свинцово-кислотные потребуется сменить зарядное устройство.
Электролит
Электролит в тяговых аккумуляторах играет ключевую роль. Заливают его один раз, при вводе в эксплуатацию, и от его качества зависит стабильность эксплуатации батареи на протяжении ее срока службы (именно поэтому лучше приобретать батареи, залитые и заряженные в заводских условиях). При эксплуатации АКБ во время заряда в результате электролиза вода разлагается на кислород и водород (визуально это выглядит как кипение электролита), вот почему требуется периодически доливать воду. Уровень электролита, как правило, определяют по меткам min и max на заливной пробке. Кроме того, существует система автоматического долива воды Aquamatic, которая существенно ускоряет этот процесс.
Золотые правила
При эксплуатации батарей нужно соблюдать следующие основные правила:
Ни в коем случае не оставлять батарею в разряженном состоянии. После каждого разряда необходимо сразу ставить батарею на подзарядку, иначе начнется необратимый процесс сульфатации пластин. Это приводит к снижению емкости и срока службы батарей.
Разряжать батарею не более чем на 80% (для гелевых АКБ – 60%) . Как правило, за это отвечает датчик разряда, установленный на машине, однако его поломка, отсутствие или неправильная настройка может также привести к сульфатации пластин, перегреву батарей при заряде и в конечном итоге сокращению срока их службы.
В АКБ можно доливать только дистиллированную воду. В обычной воде содержится множество примесей, оказывающих негативное влияние на аккумуляторную батарею. Долив электролита в АКБ для увеличения плотности запрещен: во-первых, это не даст прироста емкости, а во-вторых, вызовет необратимую коррозию пластин.
На заметку
Температура электролита батареи не должна опускаться ниже +10 °С перед зарядом, однако это не запрещает работу в зонах с низкой температурой вплоть до –40 °С. При этом нужно давать батарее достаточно времени для нагрева перед зарядом. Во время заряда батарея нагревается примерно на 10 °С.
Поскольку при понижении температуры АКБ снижается ее полезная емкость, обычные зарядные устройства, основанные на методе заряда Wa или WoWa, будут недозаряжать батарею.
Для заряда рекомендуется использовать «умные» устройства, контролирующие состояние АКБ в процессе заряда, не допускающие недозаряд или перезаряд, например, Tecnys R, либо использовать термокомпенсацию – корректировку зарядного тока в зависимости от температуры АКБ.
Чистка АКБ
Чистота абсолютно необходима не только для хорошего внешнего вида батареи, но в значительно большей степени – для предотвращения несчастных случаев и ущерба, уменьшения срока службы, а также для того, чтобы АКБ находилась в состоянии, пригодном к эксплуатации. Аккумуляторные корпуса, ящики, изоляторы необходимо чистить для обеспечения требуемой изоляции элементов по отношению один к другому, по отношению к земле («массе») или внешним проводящим частям. Кроме того, очистка позволяет избежать коррозионных повреждений и возникновения блуждающих токов. Вне зависимости от времени работы и места на АКБ неизбежно оседает пыль.
Небольшое количество электролита, выступающего из батареи во время заряда после достижения напряжения газообразования, образует более-менее токопроводящий слой на крышках элементов или блоков, по которому протекают блуждающие токи. Результатом является повышенный и неоднородный саморазряд элементов или блоков. Это одна из причин того, почему операторы электрических машин жалуются на упавшую емкость батареи после того, как техника не эксплуатировалась в течение выходных дней.
Бытует мнение, что необслуживаемые системы возможны только на базе гелевых батарей, использование которых влечет естественные ограничения (большое время заряда, сниженная емкость и высокая стоимость). Однако мало кто знает, что необслуживаемые и сверхмалообслуживаемые системы возможны также на базе батарей с жидким электролитом (например, батареи Liberator).
Аккумуляторный журнал и организация работы
При использовании парка электропогрузчиков целесообразно закреплять за каждым погрузчиком свои АКБ. Для этого их нумеруют: 1а, 1б, 2а, 2б и т. д. (батареи с одинаковым номером используются на одном и том же погрузчике). После этого заводят журнал, в котором о каждой АКБ ежедневно отражается информация, проиллюстрированная на примере.
| Номер батареи | Установлена на погрузчик | Поставлена на заряд | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Дата | Время | Показания счетчика, машино-ч | Дата | Время | Плотность (средняя по трем элементам выборочно) | Показания счетчика, машино-ч | ||
| 1а | ||||||||
| 1б | ||||||||
| 2а | ||||||||
| и т.д. | ||||||||
Таким образом, с помощью данного мероприятия можно избежать использования недозаряженных батарей, а также спрогнозировать и спланировать замену АКБ до полного выхода ее из строя. Помимо этого по каждой батарее целесообразно вести еще один журнал, в котором раз в месяц отражается информация о батарее, перечисленная в примере 2. Эти данные являются основным источником информации для сервисной службы, поэтому зачастую ведение такого журнала является обязательным условием гарантийного обслуживания. За все аккумуляторное хозяйство должен быть ответственен один или два (в случае двухсменной работы) человека. В их обязанности по данной зоне ответственности должны входить прием и выдача АКБ, их обслуживание и заряд, ведение аккумуляторных журналов, прогнозирование выхода АКБ из строя.
Стационарные кислотные аккумуляторные батареи на подстанциях и в производственных цехах промышленных и других предприятий должны устанавливаться в соответствии с требованиями ПУЭ. Устанавливать кислотные и щелочные аккумуляторные батареи в одном помещении запрещается .
Стены, потолки, двери, оконные переплеты, металлические конструкции, стеллажи и другие части помещения, предназначенного для установки кислотных аккумуляторных батарей, должны быть окрашены кислотостойкой краской. Вентиляционные короба должны быть окрашены с наружной и внутренней стороны.
Для освещения таких помещений применяются светильники, установленные во взрывозащищенной арматуре. Выключатели, штепсельные розетки и предохранители должны располагаться вне аккумуляторного помещения. Осветительная электропроводка выполняется проводом в кислотостойкой оболочке.
Напряжение на шинах оперативного постоянного тока в нормальных эксплуатационных условиях поддерживается на 5 % выше номинального напряжения токоприемников.
Аккумуляторная установка должна быть укомплектована: принципиальными и монтажными электрическими схемами соединений; денсиметрами (ареометрами) и термометрами для измерения плотности и температуры электролита; переносным вольтметром постоянного тока с пределами измерения 0—3 В; переносной герметичной лампой с предохранительной сеткой или аккумуляторным фонарем; кружкой из химически стойкого материала с носиком (или кувшином) вместимостью 1,5—2 л для приготовления электролита и доливки его в сосуды; предохранительными стеклами для покрытия элементов; кислотостойким костюмом, резиновым фартуком, резиновыми перчатками и сапогами, защитными очками; раствором соды для кислотных батарей и борной кислоты или уксусной эссенции для щелочных батарей; переносной перемычкой для шунтирования элементов батареи.
Для установок без постоянного оперативного персонала допускается все вышеперечисленное иметь в привозимом комплекте.
При приемке вновь смонтированной или вышедшей из капитального ремонта аккумуляторной батареи проверяются: наличие документов на монтаж или капитальный ремонт аккумуляторной батареи (технического отчета); емкость батарей (током 3— 5 А или 10-часовым режимом разряда); качество электролита; плотность электролита и напряжение элементов в конце заряда и разряда батарей; сопротивление изоляции батареи относительно земли; исправность отдельных элементов; исправность приточно-вытяжной вентиляции; соответствие строительной части аккумуляторных помещений требованиям ПУЭ.
Кислотные батареи, работающие по методам постоянного подзаряда или «заряд—разряд», подвергаются уравнительному заряду (перезаряду) 1 раз в 3 мес напряжением 2,3—2,35 В на элемент до достижения установившегося значения плотности электролита во всех элементах 1,2—1,21 г/см3. Продолжительность дозаряда зависит от состояния батареи, но не менее 6 ч.
Заряжать и разряжать батарею допускается током не выше максимального, гарантированного для данной батареи. Температура электролита в конце заряда должна быть не выше +40 °С. Во время уравнительного заряда батарее необходимо сообщить не менее трехкратной номинальной емкости. Кроме того, на подстанциях 1 раз в 3 мес проверяется работоспособность батарей по падению напряжения при кратковременном включении тока.
Приточно-вытяжная вентиляция помещения включается перед началом заряда аккумуляторной батареи и отключается после полного удаления газов не ранее чем через 1,5 ч после окончания заряда, а при работе по методу постоянного подзаряда — по мере необходимости в соответствии с местной инструкцией.
Измерения напряжения, плотности и температуры электролита каждого элемента стационарных аккумуляторных батарей выполняются не реже 1 раза в месяц.
При понижении напряжения на элементах кислотной аккумуляторной батареи до 1,8 В разряд батареи прекращают, а батарею ставят на заряд. Оставлять батарею разряженной более чем на 12 ч нельзя, так как при этом понижается емкость аккумуляторов.
Приступая к заряду аккумуляторной батареи сначала включают приточно-вытяжную вентиляцию помещения и проверяют ее действие, затем батарею подсоединяют к зарядному агрегату, соблюдая полярность полюсов. Значение зарядного тока в начале процесса заряда батареи берут из таблиц, рекомендованных в инструкции заводом-изготовителем (примерно на 20 % больше номинального значения зарядного тока). При этом режиме зарядка продолжается до тех пор, пока напряжение на аккумуляторах не станет равным 2,4 В. Затем зарядный ток уменьшают вдвое, процесс зарядки продолжается до его окончания. Зарядку считают законченной, если напряжение на элементах достигает 2,6—2,8 В и больше не увеличивается, а плотность электролита 1,20—1,21 г/см3 не изменяется в течение часа. В это время наблюдается «кипение» электролита обеих полярностей.
При зарядке кислотной аккумуляторной батареи контролируют температуру электролита. При достижении +40 °С заряд прекращают и дают электролиту остыть до +30 °С. Одновременно измеряют плотность электролита и напряжение на зажимах отдельных элементов. Высокая температура электролита ускоряет износ элементов и увеличивает их саморазряд. Низкая температура повышает вязкость электролита, которая ухудшает процесс разряда и уменьшает емкость элементов. Поэтому температуру в элементах аккумуляторной батареи поддерживают на уровне не менее +10 При зарядке может оказаться, что отдельные элементы кислотной аккумуляторной батареи заряжены не полностью; такие элементы подлежат дозарядке отдельно.
Кислотную аккумуляторную батарею нельзя разряжать до глубокого разряда, который вызывает сульфатацию. При сульфатации на пластинах свинцового аккумулятора образуются сплошные массы сульфата свинца, которые закупоривают поры в пластинах. В связи с этим затрудняется прохождение электролита, что препятствует восстановлению аккумулятора в условиях нормального заряда. При нормальном разряде на пластинах образуется мелкозернистый сульфат свинца, который не препятствует последующему восстановлению аккумуляторов при заряде. Плотность электролита в конце заряда достигает значения 1,15— 1,17 г/см3.
Плотность электролита измеряется с помощью денсиметра (ариометра). В процессе эксплуатации уровень электролита постепенно понижается и время от времени его доливают.
Дежурный персонал осуществляет систематическое наблюдение за условиями эксплуатации кислотной аккумуляторной батареи (все данные о токе, напряжении, плотности электролита, температуре заносят в протоколы в соответствии с заводской инструкцией).
Осмотр аккумуляторной батареи производится: дежурным персоналом — 1 раз в сутки; мастером или начальником подстанции — 2 раза в мес; на подстанциях без постоянного дежурного персонала — эксплуатационным персоналом одновременно с осмотром оборудования, а также специально выделенным лицом — по графику, утвержденному главным энергетиком предприятия.
Для увеличения срока службы кислотных аккумуляторных батарей их эксплуатацию осуществляют в режиме постоянного подзаряда (подключение заряженной батареи параллельно с зарядным устройством). Это обусловлено тем, что при работе кислотной аккумуляторной батареи по методу заряд — разряд (питание нагрузки заряженной аккумуляторной батареей с последующим зарядом ее после разрядки) износ положительных пластин аккумуляторов происходит значительно быстрее, чем при режиме постоянного подзаряда.
Преимуществом режима постоянного подзаряда является то, что аккумуляторная пластина постоянно находится в состоянии полного заряда и может в любой момент обеспечить нормальное питание нагрузки.
При эксплуатации кислотных батарей не все аккумуляторы имеют одинаковый саморазряд. Причиной этого могут быть неодинаковые температурные условия (различное расстояние от отопительных приборов), а также разная степень загрязнения электролита в аккумуляторах. Аккумуляторы, имеющие большой саморазряд (отстающие), подвержены более глубокой сульфатации. Поэтому кислотные батареи 1 раз в 3 мес подвергают уравнительному заряду.
Текущий ремонт аккумуляторной батареи проводится по системе ППТОР, но не реже 1 раза в год.
При текущем ремонте аккумуляторной батареи осуществляются: проверка состояния пластин и замена их в отдельных элементах (при необходимости); замена части сепараторов; удаление шлама из элементов; проверка качества электролита; проверка состояния стеллажей и их изоляции относительно земли; устранение других неисправностей аккумуляторной батареи; проверка и ремонт строительной части помещения.
Все работы при эксплуатации кислотных аккумуляторных батарей в период операции с кислотой и электролитом проводят в резиновых сапогах, фартуке, перчатках и шерстяной спецодежде. Для защиты глаз обязательны предохранительные очки. Возле рабочего места всегда должен находиться 5 %-ный раствор питьевой соды для промывки пораженных кислотой или электролитом участков кожи.
Капитальный ремонт батареи проводится по системе ППТОР, но не реже 1 раза в 3 года.
Изобретенный французским физиком Рэймондом Луи Гастоном Планте в 1859 году, свинцово-кислотный аккумулятор был первым аккумулятором для коммерческого использования. Сегодня, заливные свинцово-кислотные аккумуляторы широко используется в автомобилях, электропогрузчиках, источниках бесперебойного питания (ИБП).
Заливные свинцово-кислотные батареи состоят из свинцовых пластин, выступающих в качестве электродов, погруженных в воду и серную кислоту. Эти батареи требуют некоторого технического обслуживания за счет потери водорода с течением времени.
В середине 1970-х годов, исследователи разработали необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы, которые могут работать в любом положении в пространстве. Жидкий электролит был заменен увлажненными сепараторами и была решена проблема изоляции. Были добавлены предохранительные клапаны, которые сделали возможным удаление воздуха во время заряда и разряда. Тем не менее, необслуживаемые батареи стоят дороже и имеют более короткий срок эксплуатации, чем заливные батареи.
Свинцово-кислотные батареи могут иметь жидкий или гелеобразный электролит.
В зависимости от областей применения, появились два обозначения свинцово-кислотно батарей. Это небольшие герметичные свинцово-кислотные (SLA , sealed lead acid ) батареи и большие клапанные регулируемые свинцово-кислотные (VRLA , valve regulated lead acid ) батареи . Конструктивно, обе батареи одинаковы. (Некоторые могут возразить, что название «герметичная свинцово-кислотная батарея » является неправильным, потому что свинцово-кислотный аккумулятор не может быть полностью герметичен. Я соглашусь — это действительно так, название не совсем корректное, но это не мешает ему быть широкораспространенным). Я сделаю акцент на портативных батареях, поэтому буду ориентироваться на SLA .
В отличие от заливной свинцово-кислотной батареи, как SLA , так и VRLA имеют низкий потенциал перенапряжения, чтобы исключить выделение газа во время зарядки. Перезаряд вызывает газообразование и обезвоживание батареи. Следовательно, эти батареи не могут быть заряжены до их полного потенциала.
Свинцово-кислотные батареи не имеют эффекта памяти. Если оставить аккумулятор на подзарядке в течение длительного времени, то это не вызывает его повреждения. Время удержания заряда свинцово-кислотным аккумулятором является лучшим среди различных типов аккумуляторных батарей. В то время, как никель-кадмиевая батарея саморазряжается примерно на 40 процентов от ее накопленной энергии за три месяца, SLA саморазряжается на ту же величину в течение одного года. SLA являются относительно недорогими источниками энергии.
SLA не поддается быстрой зарядке — типичный цикл заряда длится 8-16 часов.
SLA всегда должны храниться в заряженном состоянии. Оставив батарею в разряженном состоянии, вы запустите в ней процесс под названием сульфатация (по сути, это окисление и кристаллизация), что может привести к невозможности ее последующей перезарядки.
В отличие от никель-кадмиевых аккумуляторов, SLA не любит глубокого разряда. Полный разряд вызывает дополнительную деформацию, и каждый цикл лишает батарею небольшого количества мощности. Эта спадающая характеристика износа относится и к другим химическим батареям в той или иной степени. Для того, чтобы предотвратить частые глубокие разряды батареи, лучше использовать SLA несколько большей, чем требуется емкости.
В зависимости от глубины разряда и рабочей температуры, SLA обеспечивает от 200 до 300 циклов заряда/разряда. Основной причиной столь относительно короткого жизненного цикла является коррозия сетки положительного электрода, истощение активного материала и расширение плюсовых пластин. Эти изменения более ярко выражены при более высоких рабочих температурах.
Оптимальной рабочей температурой для батарей SLA и VRLA , является температура в 25°C . Как правило, повышение температуры на 8°C сокращает срок службы батареи в два раза. VRLA , работающая в течение 10 лет при 25°C проработает только 5 лет при 33°C, и чуть более года при температуре 42°C.
Среди современных аккумуляторных батарей, семейство свинцово-кислотных аккумуляторов имеет самую низкую плотность энергии, которая измеряется в Ватт/кг, что делает его непригодным для портативных устройств, которым требуется компактный источник питания. Кроме того, КПД таких аккумуляторов при низких температурах оставляет желать лучшего.
Свинцово-кислотные батареи хорошо работают на высоких импульсных токах. Полная мощность может быть выдана в нагрузку за короткое время. Это делает их идеальными для использования там, где может внезапно понадобиться большое количество энергии. Именно поэтому они используются для электрического запуска двигателей внутреннего сгорания в большинстве транспортных средств.
С точки зрения утилизации, SLA является менее вредными, чем никель-кадмиевые батареи, но высокое содержание свинца делает SLA неэкологичными.
Преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов
- Недорогие и простые в изготовлении — с точки зрения затрат на Вт·ч, SLA является наименее дорогими. Например, аккумулятор 12В емкостью 3.2 А·ч, имеющий размеры 134x67x60мм, стоит порядка 400 рублей.
- Зрелая, надежная и хорошо освоеная технология — при правильном использовании, SL A достаточно долговечны
- Низкий саморазряд — скорость саморазряда является одной из самой низких в аккумуляторных системах (3-20% в месяц)
- Низкие требования к обслуживанию — нет эффекта памяти, нет необходимости доливать электролит
- Способность к большой токоотдаче. Для упомянутого выше аккумулятора с C = 3.2 А·ч токоотдача составляет не менее 16А. Аккумулятор отдает большой пусковой ток в нагрузку, при этом не просаживая напряжение питания.
Недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов
- Не могут храниться в разряженном состоянии
- Высокая чувствительность к изменению температуры — влияет и на продолжительность работы и на срок жизни аккумулятора
- Низкая плотность энергии — слабая весо-энергетическая плотность аккумулятора ограничивает область применения стационарными и колесными приложениями, поэтому их целесообразно использовать только в больших и средних по размерам роботах (если уж говорить о роботах)
- Позволяет только ограниченное количество полных циклов разряда — хорошо подходит для резервных приложений, в которых происходят только случайные глубокие разряды
- Экологически вредные — электролит и содержание свинца делают их небезопасными для окружающей среды
- Транспортные ограничения для заливных свинцово-кислотных батарей — в случае аварии может произойти утечка кислоты
Типичные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов
Приведу типичные значения параметров, встречающиеся для необслуживаемых 6 и 12 вольтовых батарей с емкостью порядка 0.8-7 А·ч:
- Теоретическая энергоемкость: 135 Вт·ч/кг
- Удельная энергоемкость: 30-60 Вт·ч/кг
- Удельная энергоплотность: 1250 Вт·ч/дм 3
- ЭДС заряженного аккумулятора: 2.11В
- Рабочее напряжение: 2.1В (3 или 6 секций дают стандартные 6.3 или 12.6В)
- Напряжение полностью разряженного аккумулятора: 1.75-1.8В (на одну секцию). Более низкий заряд не допускается
| Напряжение | Заряд |
| 12.70В | 100% |
| 12.46В | 80% |
| 12.24В | 55% |
| 12.00В | 25% |
| 11.90В | 0% |
- Рабочая температура: от -40 до +40ºС
- КПД: 80-90%
В статье рассмотрены вопросы применения и эксплуатации кислотно-свинцовых герметичных аккумуляторных батарей, наиболее широко используемых для резервирования аппаратуры охранно-пожарной сигнализации (ОПС)
Появившиеся на российском рынке в начале 90-х годов кислотно-свинцовые герметичные аккумуляторные батареи (далее - аккумуляторы), предназначенные для использования в качестве источников постоянного тока для электропитания или резервирования аппаратуры ОПС, связи и видеонаблюдения, в короткий срок завоевали популярность у пользователей и разработчиков. Наиболее широкое применение получили аккумуляторы, производимые фирмами: «Power Sonic», «CSB», «Fiamm», «Sonnenschein», «Cobe», «Yuasa», «Panasonic», «Vision».
Аккумуляторы такого типа имеют следующие достоинства:
Рисунок 1 - Зависимость времени разряда аккумулятора от тока разряда
- герметичность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу;
- не требуются замена электролита и доливка воды;
- возможность эксплуатации в любом положении;
- не вызывает коррозии аппаратуры ОПС;
- устойчивость без повреждений к глубокому разряду;
- малый саморазряд (менее 0,1%) от номинальной ёмкости в сутки при температуре окружающей среды плюс 20 °С;
- сохранение работоспособности при более чем 1000 циклов 30% разряда и свыше 200 циклов полного разряда;
- возможность складирования в заряженном состоянии без подзаряда в течение двух лет при температуре окружающей среды плюс 20 °С;
- возможность быстрого восстановления ёмкости (до 70% за два часа) при заряде полностью разряженного аккумулятора;
- простота заряда;
- при обращении с изделиями не требуется соблюдение каких-либо мер предосторожности (так как электролит находится в виде геля, отсутствует утечка кислоты при повреждении корпуса).
Рисунок 2 - Зависимость емкости аккумулятора от температуры окружающей среды
Одной из основных характеристик является ёмкость аккумулятора С (произведение тока разряда А на время разряда ч). Номинальная ёмкость (значение указано на батарее) равна ёмкости, которую отдает аккумулятор при 20-часовом разряде до напряжения 1,75 В на каждой ячейке. Для 12-вольтового аккумулятора, содержащего шесть ячеек, это напряжение равно 10,5 В. Например, аккумулятор с номинальной ёмкостью 7 Ач обеспечивает работу в течение 20 ч при токе разряда 0,35 А. При расчете времени работы аккумулятора при токе разряда, отличном от 20-часового, реальная ёмкость его будет отличаться от номинальной. Так, при более 20-часовом токе разряда реальная ёмкость аккумулятора будет меньше номинальной (рисунок 1 ).
Ёмкость аккумулятора также зависит от температуры окружающей среды (рисунок 2
).
Все фирмы-производители выпускают аккумуляторы двух номиналов: 6 и 12 В с номинальной ёмкостью 1,2 … 65,0 А*ч.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ АККУМУЛЯТОРОВ
При эксплуатации аккумуляторов необходимо соблюдать требования, предъявляемые к их разряду, заряду и хранению.
1. Разряд аккумулятора
При разряде аккумулятора температура окружающей среды должна поддерживаться в пределах от минус 20 (для некоторых типов аккумуляторов от минус 30 °С) до плюс 50 °С. Такой широкий температурный диапазон позволяет устанавливать аккумуляторы в неотапливаемых помещениях без дополнительного подогрева.
Не рекомендуется подвергать аккумулятор «глубокому» разряду, так как это может привести к его порче. В таблице 1
приведены значения допустимого напряжения разряда для различных значений тока разряда.
Таблица 1
Аккумулятор после разряда следует немедленно зарядить. Это особенно касается аккумулятора, который был подвергнут «глубокому» разряду. Если аккумулятор в течение длительного периода времени находится в разряженном состоянии, то возможна ситуация, при которой восстановить полностью его ёмкость будет невозможно.
Некоторые разработчики источников питания со встроенным аккумулятором устанавливают напряжение отключения батареи при ее разряде предельно низким (9,5…10,0 В), пытаясь увеличить время работы в резерве. На самом деле увеличение продолжительности ее работы в этом случае незначительно. Например, остаточная ёмкость батареи при ее разряде током 0,05 С до 11 В составляет 10% от номинальной, а при разряде большим током это значение уменьшается.
2. Соединение нескольких аккумуляторов
Для получения номиналов напряжений свыше 12 В (например, 24 В), используемых для резервирования приемно-контрольных приборов и извещателей для открытых площадок, допускается последовательное соединение нескольких аккумуляторов. При этом следует соблюдать следующие правила:
- Необходимо использовать одинаковый тип аккумуляторов, производимых одной фирмой-изготовителем.
- Не рекомендуется соединять аккумуляторы с разницей даты времени изготовления больше чем 1 месяц.
- Необходимо поддерживать разницу температур между аккумуляторами в пределах 3 °С.
- Рекомендуется соблюдать необходимое расстояние (10 мм) между батареями.
3. Хранение
Рисунок 3 - Зависимость изменения емкости аккумулятора от времени хранения при различной температур Допускается хранить аккумуляторы при температуре окружающей среды от минус 20 до плюс 40 °С.
Аккумуляторы, поставляемые фирмами-изготовителями в полностью заряженном состоянии, имеют достаточно малый ток саморазряда, однако при длительном хранении или использовании циклического режима заряда возможно уменьшение их емкости (рисунок 3 ). Во время хранения аккумуляторов рекомендуется перезаряжать их не реже 1 раза в 6 месяцев.
4. Заряд аккумулятора
Рисунок 4 - Зависимость срока службы аккумулятора от температуры окружающей среды
Заряд аккумулятора можно осуществлять при температуре окружающей среды от 0 до плюс 40 °С.
При заряде аккумулятора нельзя помещать его в герметично закрытую емкость, так как возможно выделение газов (при заряде большим током).
ВЫБОР ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА
Рисунок 5 - Зависимость изменения относительной емкости аккумулятора от срока службы в буферном режиме заряда
Необходимость правильного выбора зарядного устройства продиктована тем, что чрезмерный заряд будет не только уменьшать количество электролита, а приведет к быстрому выходу из строя элементов аккумулятора. В то же время уменьшение тока заряда приводит к увеличению продолжительности заряда. Это не всегда желательно, особенно при резервировании аппаратуры ОПС на объектах, где часто происходят отключения электроэнергии,
Срок службы аккумулятора существенно зависит от методов заряда и температуры окружающей среды (рисунки 4, 5, 6
).
Буферный режим заряда
Рисунок 6 - Зависимость количества циклов разряда аккумулятора от глубины разряда* % показывает глубину разряда на каждый цикл номинальной емкости, взятой как 100%
При буферном режиме заряда аккумулятор всегда подключен к источнику постоянного тока. В начале заряда источник работает как ограничитель тока, в конце (когда напряжение на батарее достигает необходимого значения) - начинает работать как ограничитель напряжения. С этого момента ток заряда начинает падать и достигает величины, компенсирующей саморазряд аккумулятора.
Циклический режим заряда
При циклическом режиме заряда производится заряд аккумулятора, затем он отключается от зарядного устройства. Следующий цикл заряда осуществляется только после разряда аккумулятора или через определенное время для компенсации саморазряда. Характеристики заряда аккумулятора приведены в таблице 2 .
Таблица 2
Примечание - Температурный коэффициент не следует принимать во внимание, если заряд протекает при температуре окружающей среды 10…30° С.
На рисунке 6 показано количество циклов разряда, которым можно подвергнуть аккумулятор в зависимости от глубины разряда.
Ускоренный заряд аккумулятора
Допускается проведение ускоренного заряда аккумулятора (только для циклического режима заряда). Для данного режима характерно наличие цепей температурной компенсации и встроенных температурных защитных устройств, так как при протекании большого тока заряда возможен разогрев аккумулятора. Характеристики ускоренного заряда аккумулятора приведены в таблице 3.
Таблица 3
Примечание - следует использовать таймер, чтобы предотвратить заряд аккумулятора.
Для аккумуляторов, имеющих ёмкость более чем 10 Ач, начальный ток не должен превышать 1C.
Срок службы кислотно-свинцовых герметичных аккумуляторов может составлять 4…6 лет (при соблюдении требований, предъявляемых к заряду, хранению и эксплуатации аккумуляторов). При этом в течение указанного срока их эксплуатации никакого дополнительного обслуживания не требуется.
* Все рисунки и технические характеристики, использованные в данной статье, приведены из документации для аккумуляторов фирмы «Fiamm», а также полностью соответствуют техническим характеристикам параметров аккумуляторов, производимых фирмами «Cobe» и «Yuasa».
Продолжить чтение
Какая емкость АБ Вам нужна? При расчете системы автономного электроснабжения очень важно правильно выбрать емкость аккумуляторной батареи. Специалисты компании "Ваш Солнечный Дом" помогут Вам правильно рассчитать необходимую емкость АБ для вашей энергосистемы. Для предварительного расчета Вы можете руководствоваться следующими простыми…
У всех аккумуляторов есть срок годности, с многочисленными циклами заряда-разряда и множеством проработанных часов аккумулятор теряет свою емкость и держит заряд все меньше и меньше.
Со временем емкость аккумулятора настолько падает что дальнейшая его эксплуатация стает невозможна.
Вероятно у многих уже накопились аккумуляторы от бесперебойников (UPS), систем сигнализаций и аварийного освещения.
В множестве бытовой и офисной техники находятся свинцово-кислотные аккумуляторы, и в независимости от марки аккумулятора и технологии производства, будь то обычный обслуживаемый автомобильный аккумулятор, AGM, гелевий (GEL) или маленький аккумулятор от фонарика, все они имеют свинцовые пластины и кислотный электролит.
По окончание эксплуатации такие аккумуляторы выбрасывать нельзя потому как они содержат свинец, в основном их ждет судьба утилизации где свинец извлекают и перерабатывают.
Но все же, не смотря на то что такие аккумуляторы в основном "необслужываемые", можно попытаться их восстановить вернув им прежнюю емкость и использовать еще некоторое время.
В этой статье я расскажу о том как восстановить 12вольтовый аккумулятор от UPSa на 7ah , но способ подойдет для любого кислотного аккумулятора. Но хочу предупредить что данные меры не следует производить на полностью рабочем аккумуляторе, так как на исправном аккумуляторе добиться восстановления емкости можно всего лишь правильным способом зарядки.
Итак берем аккумулятор, в данном случае старый и разряженный, поддеваем отверткой пластмассовою крышку. Скорее всего она точечно приклеена к корпусу.
Подняв крышку видим шесть резиновых колпачков, их задача не обслуживание аккумулятора, а стравливания образующихся при зарядке и работе газов, но мы воспользуемся ними в наших целях.
Снимаем колпачки и в каждое отверстие, с помощью шприца, наливаем 3мл дистиллированной воды, следует заметить что другая вода не годится для этого. А дистиллированную воду можно легко найти в аптеке или на авторынке, в самом крайнем случае может подойти талая вода от снега или чистая дождевая.
После того как мы долили воду, ставим аккумулятор на зарядку и заряжать его будем с помощью лабораторного (регулируемого) блока питания.
Подбираем напряжения пока не появляются какие то значения зарядного тока. Если аккумулятор в плохом состояние то зарядного тока может не наблюдаться, поначалу, вообще.
Напряжения надо повышать, пока не появится зарядный ток хотя бы в 10-20мА. Добившись таких значений зарядного тока нужно быть внимательным, так как ток будет со временем расти и придется постоянно уменьшать напряжение.
Когда ток дойдет до 100мА дальше напряжения уменьшать не надо. А когда ток заряда дойдет до 200мА нужно отключить аккумулятор на 12 часов.
Дальше снова подключаем аккумулятор на зарядку, напряжение должно быть таким чтоб ток зарядки для нашего 7ah аккумулятора был в 600мА. Также, постоянно наблюдая, поддерживаем заданный ток на протяжении 4 часов. Но смотрим за тем чтоб напряжение зарядки, для 12вольтового аккумулятора, было не больше 15-16 вольт.
После зарядки, спустя примерно час, аккумулятор нужно разрядить до 11 вольт, сделать это можно с помощью любой 12вольтовой лампочки (например на 15ват).
После разрядки аккумулятор нужно снова зарядить с током в 600мА. Лучше всего проделать такую процедуру несколько раз, то есть несколько циклов заряд-разряд.
Скорее всего вернуть номинальную не получится, так как сульфатация пластин уже понизила его ресурс, а к тому же имеют место быть и другие пагубные процессы. Но аккумулятор можно будет дальше использовать в штатном режиме и емкости для этого будет достаточно.
По поводу быстрого износа аккумуляторов в бесперебойниках, было замечено следующие причины. Находясь в одном корпусе с бесперебойником, аккумулятор постоянно поддается пассивному нагреву от активных элементов (силовых транзисторов) которые кстати говоря нагреваются до 60-70 градусов! Постоянный прогрев аккумулятора ведет к быстрому испарению электролита.
В дешевых, а порой и даже некоторых дорогих моделях UPSов отсутствует термокомпенсация заряда, то есть напряжение заряда выставлено на 13,8 вольта, но это допустимо для 10-15градусов, а для 25 градусов, а в корпусе порой и намного больше, напряжение заряда должно быть максимум 13,2-13,5 вольта!
Хорошим решением будет вынести аккумулятор за пределы корпуса, если хотите продлить его срок службы.
Также сказывается "постоянный маленький под заряд" бесперебойником, 13.5 вольтами и токе в 300мА. Такая подзарядка призводит к тому что когда кончается активная губчатая масса внутри аккумулятора то начинается реакция в его электродах что призводит к тому что свинец токоотводов на (+) становится коричневым (PbO2) а на (-) стает "губчатым".
Таким образом, при постоянном пере заряде, мы получаем разрушение токоотводов и "кипение" электролита с выделением водорода и кислорода, что приводит к увеличению концентрации электролита, что опять способствует разрушению электродов. Получается такой замкнутый процесс что призводит быстрому расходу ресурса аккумулятора.
Кроме того такой заряд (пере заряд) большим напряжением и током от которого электролит "кипит" - переводит свинец токоотводов в порошковый оксид свинца который со временем осыпается и может даже замыкать пластины.
При активном использование (частом заряде), рекомендуется раз в год доливать в аккумулятор дистиллированную воду.
Доливать только на полностью заряженный аккумулятор с контролем как уровня электролита так и напряжения. Некоем случае не переливать, лучше ее не долить потому как назад отбирать ее нельзя, потому что отсасывая электролит вы лишаете аккумулятор серной кислоты и в последствие концентрация меняется. Думаю понятно что серная кислота нелетучая поэтому в процессе "кипения" во время зарядки, она вся остается внутри аккумулятора - выходит только водород и кислород.
На клеммы подключаем цифровой вольтметр и шприцем на 5мл с иглой заливаем в каждую банку по 2-3мл дистиллированной воды, одновременно светя внутрь фонариком чтобы остановиться если вода перестала впитываться - после заливки 2-3мл смотрите в банку - увидите как вода быстро впитывается, а напряжение на вольтметре падает (на доли вольта). Повторяем доливку для каждой банки с паузами на впитывание по 10-20сек(примерно) до тех пор пока не увидите что "стекломаты" уже влажные - то есть вода уже не впитывается.
После доливки осматриваем нет ли перелива в каждой банке аккумулятора, вытираем весь корпус, устанавливаем на место резиновые колпачки и приклеиваем на место крышку.
Так как аккумулятор после доливки показывают примерно 50-70% зарядки, вам надо его зарядить. Но зарядку нужно осуществлять или регулируемым блоком питания или же бесперебойником или штатным устройством, но под присмотром, то есть во время зарядки необходимо пронаблюдать за состоянием аккумулятора (нужно видеть верх аккумулятора). В случае с бесперебойником, для этого придется сделать удлинители и вывести аккумулятор за пределы корпуса UPSa.
Под аккумулятор подстелем салфетки или целлофановые мешочки, заряжаем до 100% и смотрим, не протекает из какой либо банки электролит. Если вдруг такое произошло, прекращаем зарядку и убираем салфеткой подтеки. С помощью салфетки смоченной в растворе соды - очищаем корпус, все впадины и клеммы куда попал электролит, для того чтоб нейтрализовать кислоту.
Находим банку откуда произошло "выкипание" и смотрим, если в окошке видно электролит, отсасываем излишки шприцем, а потом аккуратно и плавно заправляем этот электролит обратно внутрь волокна. Часто случается что электролит после доливки не равномерно впитался и вскипел вверх.
При повторной зарядке наблюдаем за аккумулятором как описано выше и если "проблемная" банка аккумулятора снова начнет "изливаться" при зарядке, излишки электролита придется удалить из банки.
Также под осмотром следует проделать хотя бы 2-3 полных цикла разряда-заряда, если все прошло отлично и нет никаких подтеков, аккумулятор не греется (легкий нагрев при заряде не в счет), то аккумулятор можно собирать в корпус.
Ну а теперь рассмотрим особо кардинальные способы реанимации свинцово-кислотных аккумуляторов
Из аккумулятора сливается весь электролит, а внутренности промываются сначала пару раз горячей водой, а потом уже горячим раствором соды (3ч.л соды на 100мл воды) оставив в аккумуляторе раствор на 20 минут. Процесс можно повторить несколько раз, а вконце хорошенько промыв от остатков раствора соды - заливают новый электролит.
Дальше аккумулятор сутку заряжают, а спустя, в течение 10 дней, по 6 часов вдень.
Для автомобильных аккумуляторов током до 10 ампер и напряжением 14-16 вольт.
Второй способ это обратная зарядка, для этой процедуры понадобится мощный источник напряжения, для автомобильных аккумуляторов например сварочный аппарат, рекомендуемый ток - 80ампер напряжением 20 вольт.
Делают переполюсовку, то есть плюс к минусу а минус к плюсу и на протяжение пол часа "кипятят" аккумулятор с его родным электролитом, после чего электролит сливают и промывают аккумулятор горячей водой.
Дальше заливают новый электролит и соблюдая новую полярность, на протяжение сутки заряжают током 10-15 ампер.
Но самый эффективный способ делается с помощью хим. веществ.
Из полностью заряженного аккумулятора сливают электролит и после неоднократной промывки водой, заливают аммиачный раствор трилона Б (ЭТИЛЕНДИАМИНТЕТРАУКСУСНОКИСЛОГО натрия), содержащий 2 весовых процента трилона Б и 5 процентов аммиака. Происходит процесс десульфатации на протяжение 40 - 60 минут, на протяжение которого с небольшими брызгами выделяется газ. По прекращению такого газообразования можно судить о завершение процесса. При особо сильной сульфатации аммиачный раствор трилона Б следует залить снова, убрав перед этим отработавший.
Вконце процедуры внутренности аккумулятора тщательно промывают несколько раз дистиллированной водой и заливают новый электролит нужной плотности. Аккумулятор заряжают стандартным способом до номинальной емкости.
По поводу аммиачного раствора трилона Б, его можно разыскать в химических лабораториях и хранить в герметичных емкостях в темном месте.
А вообще если интересно то состав электролита которые выпускают фирмы Lighting, Electrol, Blitz, akkumulad, Phonix, Toniolyt и некоторые другие, это водный раствор серной кислоты (350-450гр. на литр) с прибавлением сернокислых солей магния, алюминия, натрия, аммония. В составе электролита фирмы Gruconnin кроме того содержатся калиевые квасцы и медный купорос.
После восстановления аккумулятор можно заряжать обычным для данного типа способом (например в UPSe) и не допускать разряда ниже 11вольт.
В многих бесперебойниках присутствует функция "калибровка АКБ" с помощью которой можно осуществлять циклы разряд-заряда. Подключив на выходе бесперебойника нагрузку в 50% от максимума ИБП, запускаем эту функцию и бесперебойник разряжает АКБ до 25% а потом заряжает до 100%
Ну а на совсем примитивном примере зарядка такого аккумулятора выглядит так:
На аккумулятор подается стабилизированное напряжение 14.5 вольта, через проволочный переменный резистор большой мощности или через стабилизатор тока.
Ток заряда расчсчитывается по простой формуле: емкость аккумулятора разделяем на 10, например для аккумулятора в 7ah будет - 700мА. И на стабилизаторе тока или с помощью переменного проволочного резистора необходимо выставить ток в 700мА. Ну а в процессе зарядки ток начнет падать и нужно будет уменьшать сопротивления резистора, со временем ручка резистора придет до упора в начальное положение и сопротивление резистора будет равно нулю. Ток будет дальше постепенно уменьшатся до нуля пока напряжение на аккумуляторе не станет постоянным - 14.5 вольта. Аккумулятор заряжен.
Дополнительную информацию по "правильной" зарядке аккумуляторов можно найти
светлые кристаллы на пластинах - это сульфатация
Отдельная "банка" батарея аккумулятора подвергалась постоянному недозаряду и в результате покрыта сульфатами, ее внутреннее сопротивление росло с каждым глубоким циклом, чтоб привело к тому что, во время заряда она стала "закипать" раньше всех, из-за потери емкости и выведения электролита в нерастворимые сульфаты.
Плюсовые пластины и их решетки превратились по консистенции в порошок, в следствие постоянного подзаряда бесперебойником в режиме "стенд-бай".
Свинцово кислотные аккумуляторы кроме автомобилей, мотоциклов и разнообразной бытовой техники, где только не встречаются и в фонариках и в часах и даже в самой мелкой электронике. И если вам попал в руки такой "нерабочий" свинцово-кислотный аккумулятор без опознавательных знаков и вы не знаете какое напряжение он должен выдавать в рабочем состояние. Это легко можно узнать по количеству банок в аккумуляторе. Отыщите защитную крышку на корпусе аккумулятора и снимите ее. Вы увидите колпачки для стравливание газа. по их количеству станет понятно на сколько "банок" данный аккумулятор.
1 банка - 2вольта (полностью заряженная - 2.17 вольта), то есть если колпачка 2 значит аккумулятор на 4 вольта.
Полностью разряженная банка аккумулятора должна быть не ниже 1.8 вольта, ниже разряжать нельзя!
Ну а вконце дам небольшую идею, для тех кому не хватает средств на покупку новых аккумуляторов. Найдите в вашем городе фирмы которые занимаются компьютерной техникой и УПСами (бесперебойниками для котлов, аккумуляторами для систем сигнализаций), договоритесь с ними чтоб они не выбрасывали старые аккумуляторы от бесперебойников а отдавали вам возможно по символической цене.
Практика показывает что половина AGM (гелевых) аккумуляторов можно восстановить если не до 100% то до 80-90% точно! А это еще пару лет отличной работы аккумулятора в вашем устройстве.
