Распространенные бытовые аккумуляторы
В настоящее время для питания бытовых электронных устройств наиболее широко применяются аккумуляторы пяти различных электрохимических систем.
Герметичные свинцово-кислотные
Герметичные свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid Battery, сокр. SLA) — это аккумуляторы, используемые в переносных видеокамерах, портативных кассовых аппаратах, блоках бесперебойного питания и резервного освещения.
Эти аккумуляторы представляют собой разновидность VRLA (Valve Regulated Lead Acid batteries, батареи с регулируемыми клапанами) батарей с увлажненными сепараторами и с гелевым электролитом. VRLA батареи на самом деле не являются полностью герметичными, так как содержат клапаны для снижения внутрикорпусного давления. Очень часто, подчеркивая это, вместо термина «герметичные батареи» употребляют термин «герметизированные батареи».
Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи до сих пор остаются самыми надежными, долговечными и не требующими высоких эксплуатационных затрат химическими источниками тока.
В герметизированных гелевых батареях вместо жидкого электролита используется гелеобразный, представляющий собой желе, полученное в результате смешивания раствора серной кислоты с загустителем (обычно это двуокись кремния SiO2 — силикагель). Технология производства гелевых батарей получила название GEL. Гелевые батареи в течение всего срока эксплуатации не нуждаются в обслуживании, их нельзя вскрывать. Для их подзарядки необходимо использовать зарядные устройства, обеспечивающие нестабильность напряжения заряда не хуже ±1 % для предотвращения обильного газовыделения. Такие аккумуляторные батареи критичны к температуре окружающей среды.
При заряде свинцово-кислотных батарей протекают реакции:
у положительных пластин:
PbSO4 + Н2О + О -> РЬО2 + H2SO4;
у отрицательных пластин:
PbSO4 + 2Н -> Pb + H2SO4.
При разряде свинцово-кислотных батарей протекают реакции:
у положительных пластин:
РbО2 + Н2О -> PbSO4 + Н2О + О;
у отрицательных пластин:
Рb + H2SO4 -> PbSO4 + 2Н.
Рис. 4. Герметичная свинцово-кислотная батарея.
Рис. Устройство герметичной свинцово-кислотной батареи.
Рис. 5. Клапан VRLA-батареи.
В результате нарушения режима заряда, неисправности зарядного устройства, когда заряд протекает при повышенном токе, в батарее происходит активное газообразование. Когда давление газов достигнет величины 7,1...43,6 кПа (0,7...4,45 кгс/м2), открывается клапан для обеспечения вентиляции батареи, и благодаря этому устраняется опасность ее взрыва. Другая роль клапана — не допустить попадания внутрь корпуса атмосферного кислорода во избежание его реакции с активным материалом негативных пластин.
Большинство типов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей имеют элементы призматической формы. Поэтому прямоугольные корпуса для них изготавливаются из пластмасс. Хотя некоторые типы батарей VRLA производятся на основе цилиндрических элементов, сохраняя все преимущества последних. Они обеспечивают более высокую стабильность работы элементов, больший ток разряда, лучшую температурную стабильность по сравнению с батареями, собранными из призматических элементов.
Напряжение на элементе свинцово-кислотной батареи составляет 2,2 В. Среди всех типов аккумуляторов свинцово-кислотные отличаются наименьшей энергетической плотностью. В них отсутствует «эффект памяти». Их продолжительный заряд не станет причиной выхода батареи из строя.
Способность сохранять заряд у этих батарей очень высока. Если, например, никель-кадмиевые батареи в течение трех месяцев теряют до 40 % сохраненной энергии, то свинцово-кислотные батареи теряют 40 % энергии примерно за год. Они недороги, но эксплуатационные расходы на них выше, чем на те же никель-кадмиевые батареи.
Время заряда свинцово-кислотных батарей составляет 8...16 часов. Они всегда должны храниться в заряженном состоянии, так как хранение в незаряженном состоянии приведет к сульфатации пластин — причине потери емкости, а в перспективе и к тому, что батарею впоследствии зарядить не удастся вообще.
В отличие, например, от никель-кадмиевых свинцово-кислотные батареи не любят глубоких циклов заряд/разряд. Полный разряд может стать причиной деформации пластин, и каждый цикл заряда/разряда батареи впоследствии ведет к снижению ее емкости. Такие потери относительно невелики, пока батарея работает в нормальных условиях, но даже единственный случай ее перегрузки и, как результат, глубокого разряда приведет к потере ее емкости примерно на 80 %. Для предупреждения таких случаев рекомендуется использовать батареи повышенной емкости.
Срок службы
В зависимости от глубины разряда и рабочей температуры ресурс или срок службы свинцово-кислотной батареи может составлять от 1 года до 20 и более лет. Кроме того, в значительной мере срок службы определяется конструкцией элементов батареи.
Хранение
Герметичные свинцово-кислотные батареи необходимо хранить в заряженном состоянии. Каждые шесть месяцев их надо подзаряжать. Для этого применяют цикл основного заряда (заряд при постоянном (неизменяющемся) напряжении). Его цель — не допустить падения напряжения на батарее менее 2,10 В на элемент.
Тренировка
Для увеличения срока службы батареи ее необходимо периодически разряжать. Для этого проводят контрольно-тренировочный цикл: батарею разряжают до емкости не менее 10 %, а затем снова заряжают. Полный ее разряд недопустим, т. к. каждый глубокий разряд приводит к снижению емкости батареи.
Методика заряда
Зарядить герметичные свинцово-кислотные батареи достаточно быстро нельзя. Время заряда обычно составляет 12...16 ч. Если увеличить ток и применить методы многоступенчатого заряда, его можно сократить до 10 ч. и менее.
Для заряда таких батарей, используемых постоянно в бытовой технике, не имеющей функции самостоятельной зарядки батареи рекомендуются методы заряда при постоянном напряжении заряда и при постоянных значениях напряжения и тока заряда.
Метод заряда при постоянном напряжении заряда
На этот метод заряда следует обратить внимание, как на самый простой.
Метод заряда при постоянном напряжении заряда является основным методом для батарей, работающих в циклическом режиме. При таком методе к выводам батареи прикладывается по-стоянное напряжение из расчета 2,45 В на элемент при температуре воздуха 20...25 °С. Величина этого напряжения может для различных типов батарей от разных производителей незначительно отличаться.
Заряд считается завершенным, если ток заряда остается неизменным в течение трех часов. Если не осуществлять контроль над постоянством напряжения на батарее, может наступить ее перезаряд. В результате электролиза, из-за того, что негативные пластины перестают активно поглощать кислород, вода электролита начинает разлагаться на кислород и водород, испаряясь из батареи. Уровень электролита в батарее снижается, что приводит к ухудшению протекания в ней химических реакций, и ее емкость будет уменьшаться, а срок службы — сокращаться. Поэтому заряд таким методом должен протекать при обязательном контроле напряжения и времени заряда, что позволит увеличить срок службы батареи.
На рис. 6. в качестве примера показаны характеристики заряда 4-, 6- и 12-вольтовых свинцово-кислотных батарей, разряженных на 50 % и 100 %. Степень разряда определяется напряжением конца разряда на батарее.
Рис. 6. Характеристики заряда при разряде батарей на 50 и 100 %
Следует помнить, что прерывание заряда сокращает срок службы аккумуляторной батареи.
Нельзя заряжать полностью заряженную батарею — перезаряд может привести к ее порче. При цикличной эксплуатации батареи время заряда не должно превышать 24 часов.
Метод заряда при постоянных значениях напряжения и тока заряда
Данный метод является улучшенной версией предыдущего.
Рис. 7. Характеристики заряда при постоянных значениях напряжения и тока заряда
Используя метод заряда при постоянном напряжении и токе заряда, сначала выставляют ток заряда, равный 0,4С, а затем контролируют величину напряжения, которое к концу заряда при комнатной температуре 20...25 °С должно составлять 2,45 В на элемент. Время заряда составляет 6... 12 часов в зависимости от степени разряда батареи. Графики, характеризующие изменение напряжения на батарее и тока заряда, показаны на рис. 7. В данном методе также необходим контроль по времени (не более 24 часов).
В итоге можно сформулировать следующие условия заряда:
Независимо от типа необслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторных батарей можно сформулировать общие требова-ния по их эксплуатации:
Напряжение зарядного устройства, измеряемое на зажимах аккумулятора, должно соответствовать рекомендуемому (зависит от типа аккумулятора и температуры) и поддерживаться с точностью не хуже ±1 %. При этом зарядный ток, протекающий через полностью заряженный аккумулятор, в зависимости от интенсивности саморазряда, может иметь значение в пределах от единиц до сотен миллиампер на каждые 100 ампер-часов емкости. Заряд батареи следует производить при выходном напряжении зарядного устройства из расчета 2,4...2,5 В на элемент. Такой способ дает ощутимый выигрыш во времени заряда лишь при использовании мощного зарядного устройства, способного обеспечить начальный ток заряда от 0,2С.
В зависимости от конструкции аккумуляторов зарядный ток в амперах не должен превышать 0,1...0,4С.
Преимущества и недостатки
Преимущества свинцово-кислотных батарей:
• дешевизна и простота производства — по стоимости 1 Вт • ч энергии эти батареи являются самыми дешевыми;
• отработанная, надежная и хорошо понятная технология обслуживания;
• малый саморазряд — самый низкий по сравнению с акку муляторными батареями других типов;
• низкие требования по обслуживанию — отсутствует «эффект памяти», не требуется доливки электролита;
• допустимы высокие токи разряда.
Недостатки свинцово-кислотных батарей:
• не допускается хранение в разряженном состоянии;
• низкая энергетическая плотность — большой вес аккуму ляторных батарей ограничивает их применение в стацио нарных и подвижных объектах;
• допустимо лишь ограниченное количество циклов полного разряда;
• кислотный электролит и свинец оказывают вредное воз действие на окружающую среду;
• при неправильном заряде возможен перегрев.
|
