Читать книгу Современные системы накопления энергии в энергетике и на транспорте - Юрий Степанович Почанин - Страница 6

3.1.1. Свинцово-кислотные аккумуляторы

Для обозначения свинцово-кислотных аккумуляторов применяется аббревиатура SLA (Sealed Lead Acid – герметизированные свинцово-кислотные). Это старейшие перезаряжаемые аккумуляторы, предназначенные для коммерческого использования, причем они до сих пор остаются наиболее дешевыми автономными источниками энергии. Сегодня SLA-аккумуляторы применяются в основном там, где требуется большая мощность при низкой стоимости устройств, а их вес и габаритные характеристики несущественны (например, в блоках бесперебойного питания, охранных системах, системах резервного освещения). В портативных приборах используются герметичные (необслуживаемые) аккумуляторы или аккумуляторы с регулирующим клапаном давления. Подобными SLA-устройствами иногда комплектуются переносные сотовые телефоны большой мощности и некоторые видеокамеры, но в целом их применение для портативных систем нехарактерно. Появились необслуживаемые и мало обслуживаемые аккумуляторы, основанные на внутренней рекомбинации газа, а также различные герметизированные аккумуляторы

Аккумулятор – это химический источник тока, способный многократно преобразовывать химическую энергию в электрическую и аккумулировать, запасать ее на длительное время. Упрощенно аккумулятор можно представить следующим образом: два электрода, в виде пластин, помещены в раствор серной кислоты с плотностью 1,27-1,29 г/см3. При этом положительный электрод выполнен из двуокиси свинца (PbO2), а отрицательный из свинца (Pb). При прохождении тока между ними протекают окислительно-восстановительные реакции.

При разряде происходит химическая реакция, в результате которой активная масса обоих электродов начнет изменять свой химический состав, преобразуюсь из губчатого свинца и его двуокиси в сернокислый свинец (сульфат свинца – PbSO4), а плотность электролита начнет падать. В результате внутри батареи образуется направленное движение ионов и в цепи потечет электрический ток. При заряде аккумулятора происходит обратный процесс – направление тока меняется на противоположное, активные массы восстанавливают свой первоначальный химический состав, а плотность электролита растет. Процесс этот, называемый циклом, может быть многократным. Количество запасаемой при этом электрической энергии зависит от площади активного взаимодействия электродов и электролита и его объема. Номинальное напряжение, вырабатываемое таким аккумулятором, составляет 2 вольта. Для получения большего значения напряжения одиночные аккумуляторы соединяют последовательно. Например: 12-ти вольтовый аккумулятор состоит из шести аккумуляторов, последовательно соединенных в общем корпусе.

Рассмотрим 5 видов свинцово-кислотных аккумуляторов: WET, гибридные АКБ, AGM, GEL и EFB. Практически любой тип этих батарей, содержит в своей конструкции одни и те же составные элементы, рис.3.2.

Конструкция состоит:

1.Герметичный корпус или оболочка. В нем могут быть пробки для доливки воды, относится для WET-батарей с обслуживанием, предохранительный клапан для экстренного сброса давления и индикаторы состояния заряда. Производится из специального очень упругого пластика, устойчивого к химикатам.

2. Внутри корпус разделен на ячейки, в каждой из которых находится комплект свинцовых пластин, называемых электродами. На крышке стандартной 12-вольтовой батарее находится 6 пробок, соответственно, 6 пакетов, выдающий по 2 В каждый. В общем формируется напряжение 12 В.

Рис.3.2. Конструкция свинцово-кислотного аккумулятора

3. В каждой паре пластин имеется положительная и отрицательная. Первая обмазывается свинцово-оксидным составом, а вторая – свинцовой губкой. Между пластинами располагается разделитель из волокнистого или перфорированного материала. Через него свободно проходят электроны, но не проникают частицы активной пасты. 4.Аккумуляторы типа EFB оснащены сепараторами в виде конверта, что заведомо исключает короткое замыкание между банками. Их использование позволило продлить срок эксплуатации АКБ.

5.В батареях нового вида с жидким электролитом в крышке нет пробок, но применена лабиринтная структура, поэтому испаряющаяся серная кислота конденсируется и возвращается обратно. Это обеспечивает сохранность количественного состава электролита в любых условиях эксплуатации АКБ.

6.Токосъемные выводы расположены снаружи. Отличаются по стране происхождения и соблюденным стандартам. Это могут быть винты с наружной резьбой, отверстия под болты, конусовидные клеммы. В европейских и азиатских батареях выводы находятся сверху на крышке, а в американских – сбоку.

7. Для переноски все аккумуляторные батареи оснащаются ручками, одной или двумя в зависимости от габаритов источника постоянного тока.

В отличие от обычных свинцово-кислотных аккумуляторов, в частности автомобильных, SLA-аккумуляторы для электроники разрабатываются с низким потенциалом перезарядки с целью предотвращения выделения газа. Поэтому SLA-аккумулятор имеет длительный срок хранения, но никогда не заряжается до своей полной емкости, а следовательно, по сравнению с другими типами заряжаемых батарей имеет самую низкую плотность энергии (удельную энергоемкость), которая выражается в количестве запасенной энергии к единице веса или объема. Вследствие низкого саморазряда, отсутствия эффекта памяти и минимальных требований по обслуживанию такие батареи в некоторых областях до сих пор остаются весьма выгодным решением.

Емкость портативных SLA-аккумуляторов составляет 1-30А, а габаритных стационарных – 50-200А. У них не бывает эффекта памяти. Они подходят для долгосрочной эксплуатации в буферном режиме подзарядки, без периодов полной разрядки батареи. Служат они не менее 10 лет. Цикличный режим, то есть регулярная зарядка-разрядка на треть- половину емкости, для этого типа аккумуляторов подходит меньше. Саморазрядка свинцово-кислотного аккумулятора составляет примерно 40% в год при температуре воздуха +20°С, что в 4 раза медленней, чем у никелево-кадмиевых элементов питания. Зарядка занимает 8-16 часов.

Среди плюсов SLA-аккумуляторов нужно отметить:

–низкую стоимость;

–отсутствие затрат по сервису и обслуживанию;

–высокую мощность тока;

–нетребовательность к температуре внешней среды, их можно использовать в диапазоне от -10 до +50 градусов;

–виброустойчивость;

–пожарную безопасность.

Но, есть и минусы:

–большой вес;

–при глубокой разрядке и хранении без подзарядки пластины аккумулятора портятся из-за сульфитации;

–довольно малый срок службы – до пятисот циклов зарядки/разрядки;

–токсичность оксида свинца, который используется в их производстве.

Основные виды свинцово-кислотных батарей.

1. WET. Автомобильный аккумуляторный элемент питания типа WET является классическим представителем источников постоянного тока. В нем содержится жидкий электролит, представляющий собой раствор серной кислоты. Конструкция включает герметичный корпус с ячейками, электродные пары с сепаратором и есть крышки для долива дистиллированной воды. Такие батареи стали первыми в линейке. Они бывают разные в зависимости от ряда деталей и поколений. Чистый свинец выдает большие пусковые токи, но быстро разрушается. Именно срок службы ставил под сомнение их массовое применение во всех видах техники и оборудовании. Свинец быстро растворялся и АКБ выходила из строя. При легировании кальцием одного и сурьмой другого электродов эти батареи стали более долговечными и выносливыми к выдаваемым токам.

2.Гибридные АКБ. Главная проблема была решена за счет внедрения в состав кальция. Доля кальция в свинцовом сплаве менее 1/10%, но этого достаточно, чтобы источник работало вдвое дольше. Улучшенная версия – легирование двух электродов кальцием, такие батареи имеют обозначение Ca+ или Ca/Ca. Такие батареи называются гибридными и имеют пометку Hybrid и Calcium Plus. Гибридные аккумуляторные батареи совместили в себе низкий саморазряд и отсутствие необходимости в обслуживании. При этом была решена проблема глубокой разрядки. Этот момент особенно важен для тех, кто часто оставляет автомобиль простаивать.

Пластины с положительным зарядом у гибридного аккумулятора производится из свинца с добавкой сурьмы. Отрицательный электрод производится из сплава свинца с кальцием. В результате совмещаются преимущества двух технологий и устраняются их недостатки. Положительный электрод из свинцово-сурьмянистого сплава даёт устойчивость к глубокому разряду, а отрицательный электрод с кальцием снижает саморазряд и выкипание воды из электролита.

При выборе гибридного аккумулятора стоит помнить о некоторых моментах, связанных с их маркировкой. В ней для таких автомобильных аккумуляторов отражается расход воды. Маркируется он следующим образом:

Буква N в конце маркировки говорит о нормальном расходе воды; L– малый расход воды; VL – очень малый расход; VRLA – аккумулятор имеет регулирующий клапан.

Преимущества гибридных батарей. Гибридные аккумуляторы имеют больший срок службы, чем классическая батарея. Отдельные модели при соблюдении технологий производства способны отработать до 7 лет, но без обслуживания он работает 4-5 лет. Для продления срока службы рекомендуется вовремя доливать жидкость. Обладают высокими пусковыми токами в отличие от обычных кислотных источников постоянного тока. Если пластины подверглись сульфитацией, то такую батарею можно восстановить. Для этого используют автоматическое импульсное зарядно-разрядное устройство с большими зарядными токами.

Недостатки. Традиционно, такие батареи чувствительны к высоким и низким температурам и состоянию с неполным зарядом. За такой батареей нужен уход. Необходимо регулярно следить за уровнем кислоты и вовремя ее доливать. В процессе заряда происходит испарения кислоты, которая опасна для окружающих. Поэтому делать это нужно в закрытом и проветриваемом помещении.

3. AGM. Конструктивно аккумуляторы AGM сильно не отличаются от WET. В них также имеются парные пластины, формирующие энергетические ячейки и погруженные в электролит. Положительный электрод обмазан свинцово-оксидной пастой, а отрицательный – губчатой массой. В отличие от батарей с жидким электролитом, в этих источниках используется губчатый пористый материал, который был пропитан электролитической кислотой. В итоге он содержит как минимум 95% электролита. Чтобы увеличить электронную проводимость в состав пористой массы производители добавляют частицы алюминия. Это решение позволило увеличить генерируемый ток и намного быстрее зарядить АКБ. Такие батареи отличаются большими отдаваемыми токами. Они способны выдать до 900 А (батареи с круглыми пластинами) в отличие от классической с жидкостью. Также АКБ данного типа обладают следующими преимуществами:

–быстрее заряжаются;

–более устойчивы к глубоким разрядам;

–отсутствие эффекта снижения площади контакта пластин, потому что на них не скапливаются пузырьки газа;

–в конструкции корпуса имеется клапан для отвода газа в случае роста внутреннего давления.

4. GEL. Автомобильные аккумуляторы с гелем в качестве рабочей среды отличаются от классических составом электролита и его консистенции. Он представляет собой густую тягучую массу из оксида кремния. Электроды, как и в предыдущих моделях, легированы кальцием и сурьмой. За счет плотного прилегания среды обеспечивается высокая токоотдача и как следствие, такие АКБ быстрее заряжаются. Аккумуляторам такого типа присущи следующие преимущества:

–большой разброс емкости от 20 до 200 А/ч;

–увеличенный пусковой ток за счет стабильной площади контакта – до 950 А;

–практически полное отсутствие потери емкости даже в разряженном состоянии.

Главное достоинство гелевых аккумуляторов – в сроке службы. Они способны отработать до 12 лет, чего нельзя сказать о других модификациях источников.

5. EFB. Аккумулятор EFB (Enhanced Flooded Battery)– это усиленная кальциевая (Ca-Ca) батарея классической свинцово-кислотной конструкции. В отличие от AGM, жидкий электролит тут есть, но его намного меньше, чем в обычном аккумуляторе. По сравнению с обычным свинцово-кислотным аккумулятором (WET/SLI), пластины батареи EFB толще и запечатаны в защитные конверты из специального волокна— в этом конструкция напоминает AGM. Также на поверхность положительных пластин наносится защитная плёнка из полиэстера, что укрепляет активную массу. Есть и другие отличия: более прочные соединители пластин, усиленные штампованные решётки и дополнительная защита от вибрации.

Преимущества технологии EFB. Описанные улучшения осуществляют защиту от сульфитации и осыпания активной массы пластин при частых циклах разряда и заряда, характерных для систем «Старт-Стоп». Хотя глубокие разряды аккумулятора возможны на любой машине – достаточно забыть выключить свет на несколько часов или слишком долго пытаться завести двигатель на морозе. Для классической АКБ глубокие разряды губительны, а вот EFB переносит их без особого ущерба. Примечательна и стойкость аккумуляторов EFB к перезаряду – в этом аспекте они даже превосходят более дорогие модели AGM. Если для большинства аккумуляторов зарядка напряжением выше 14,4 В чревата, то для EFB нормальным является показатель 14,8 В, а кратковременно они без последствий переносят скачки до 15–16 В. Более мощные пластины EFB-батареи обеспечивают большую, по сравнению с обычной кальциевой АКБ, производительность— повышенную ёмкость и пусковой ток (CCA). Всё это, вкупе с усиленной конструкцией, увеличивает и срок службы батареи: EFB-аккумулятор безотказно работает 5–7 лет, в то время как обычная батарея в среднем служит 3 года.

70% новых автомобилей оснащаются системой автоматической остановки двигателя. В городских условиях она позволяет снизить выбросы и расход топлива, но существенно повышает нагрузку на аккумулятор. Работа в таком режиме быстро выводит из строя классическую батарею из-за сульфитации и осыпания активной массы пластин. Радикальное решение проблемы осуществляют аккумуляторы EFB.

Из особенностей современных свинцово-кислотных аккумуляторов следует отметить:

–зарядка от простейших зарядных устройств;

–улучшение работы в буферном режиме, то есть в режиме постоянного подзаряда – срок службы доведен уже до 25 лет;

–значительное увеличение ресурса – количество циклов зарядки-разрядки составляет уже 600-800, а не 200-300, как раньше;

–сведение к минимуму величины саморазряда – 0,1% в день;

–появление множества типоразмеров и введение их единой стандартизации.