Особенности применения свинцово-кислотных аккумуляторов. Типы свинцово-кислотных аккумуляторов Что такое VRLA аккумуляторы

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

• Рабочая температура: от -40 до +40ºС
• КПД: 80-90%

Новые разработки в области изготовления аккумуляторов, после проведения необходимых испытаний, сразу же внедряются в производство. Это связано с тем, что АКБ является расходной деталью автомобиля. Внутренние элементы батареи работают в условиях агрессивной среды, при этом, на тонкие пластины и сепараторы оказывают разрушительное воздействие вибрация и большой разброс рабочих температур.

Содрежание

Что такое VRLA аккумуляторы

В прошлом, постоянное испарение воды приводило к оголению металлических частей электродов и ещё более интенсивному разрушению свинцовых элементов. Чтобы уменьшить негативное влияние разрушительных факторов современные батареи делают , то есть открыть крышку и добавить дистиллированную воду в таких изделиях уже не получится. Наиболее передовой, в этом плане, является технология AGM VRLA.

Технология VRLA расшифровывается, как Valve Regulated Lead Acid, что в переводе означает кислотный аккумулятор со специальным регулировочным клапаном. Выпускаются такие батареи в полностью закрытом корпусе, но благодаря наличию предохранительной системе при возникновении большого внутреннего давления, разрушение аккумулятора не происходит.

Несмотря на наличие связи с атмосферой через клапанное отверстие, обслуживать такую батарею не требуется, ведь испарение жидкости происходит в исключительных случаях. Например, при ежедневной эксплуатации такой запорный механизм остаётся закрытым, но если забыть включённым зарядное устройство на длительный промежуток времени, то совсем незначительная часть воды из электролита может быть выйти через автоматически открывшееся отверстие.

Особенности технологии

Батареи с предохранительным клапаном могут быть изготовлены по различным технологиям.

AGM VRLA Battery

VRLA AGM представляют собой герметичные батареи с клапаном, пластины которых изготовлены по . Такие изделия обладают большим сроком годности благодаря абсорбирующему стекловолоконному слою, который впитывает в себя весь электролит и одновременно поддерживает свинцовые пластины, предохраняя их от осыпания.

VRLA GEL

Это , то есть внутри банки вместо жидкого раствора серной кислоты, находится желеобразное вещество, которое выполняет функцию электролита. VRLA Battery изготовленные по гелевой технологии также оснащаются клапаном.

Благодаря тому, что гель оказывает меньшее разрушительное воздействие на пластины, а при возникновении избыточного давления в таком аккумуляторе происходит открытие предохранительного устройства, срок эксплуатации изделия может достигать 10 лет.

Учитывая наличие таких важнейших качеств, как высокая надёжность, устойчивость к глубокому разряду и большой срок годности VRLA-аккумуляторы получили распространение во многих сферах хозяйственной деятельности, где требуется надёжный химический источник электроэнергии.

Где применяются VRLA АКБ

Самое широкое применение эта технология производства аккумуляторных батарей получила в машиностроении. Наличие клапана, который открывается только в момент возникновения избыточного давления, позволило отказаться от устаревшего типа корпуса, представляющий собой конструкцию, оснащённую ввинчиваемыми пробками. Отсутствие возможности со стороны водителя открыть доступ к банкам значительно повысило срок годности изделия.

VRLA-аккумуляторы устойчивы к глубоким разрядам, поэтому могут быть использованы не только в качестве стартерных батарей, но и для оснащения устройств бесперебойного питания. По этой же причине такие модели батарей применяются в качестве основного энергоаккумулятора для лодок, оснащённых электродвигателем, машин для гольфа и инвалидных колясок.

Как заряжать VRLA батареи

Зарядка VRLA-аккумулятора зависит от того, по какой технологии была изготовлена батарея. Если изделие этого типа имеет электролит в виде геля, то, несмотря на наличие предохранительного клапана, необходимо следить за тем, чтобы газообразование внутри изделия не стало образовываться слишком активно.

В случае, когда восстановление ёмкости такого аккумулятора осуществляется с подачей напряжения более 15 Вольт, произойдёт не только уменьшение объёма электролита, но и отделение желеобразной массы от пластин, что приведёт к неминуемому уменьшению ёмкости батареи и ее смерти. Чтобы уменьшить вероятность выхода из строя этого типа аккумуляторов при зарядке, рекомендуется использовать специальные ЗУ, которые подают электрический ток на клеммы в автоматическом режиме, подстраивая величину силы тока и напряжения в зависимости от заряженности АКБ и её температуры.

VRLA-аккумуляторы, сделанные по технологии AGM более устойчивы к погрешностям при зарядке, но чтобы максимально продлить срок службы такой батареи не рекомендуется превышать следующие показатели:

• Напряжение заряда - 14,8 В.
• Зарядный ток – 10% от ёмкости батареи.

При восстановлении работоспособности аккумуляторной батареи таким образом, продолжительность подключения к зарядному устройству должна составить около 10 часов.

Как и при зарядке гелевых изделий AGM-аккумуляторы, оснащённые предохранительным клапаном, можно восстанавливать с помощью автоматических ЗУ. Такие устройства потребуют минимального контроля со стороны человека.

У Вас был или есть Аккумулятор VRLA ? Тогда расскажите в комментариях о своих впечатлениях о нем, это очень поможет остальным автолюбителям и сделает материал более полным и точным.

Типы свинцово-кислотных аккумуляторов

На текущий момент на рынке аккумуляторов наиболее распространены следующие типы:

- SLA (Sealed Lead Acid) Герметичные свинцово-кислотные или VRLA (Valve Regulated Lead Acid) клапанно-регулируемые свинцово кислотные. Изготовлены по стандартной технологии. Благодаря конструкции и применяемых материалов, не требуют проверки уровня электролита и доливки воды. Имеют невысокую устойчивость к циклированию, ограниченные возможности работы при низком разряде, стандартный пусковой ток и быстрый разряд.

- EFB (Enhanced Flooded Battery) Технология разработана фирмой Bosch. Это промежуточная технология между стандартной и технологий AGM. От стандартной такие аккумуляторы отличаются более высокой устойчивостью к циклированию, улучшен прием заряда. Имеют более высокий пусковой ток. Как и у SLA\VRLA, есть ограничения работы при низкой заряженности.

- AGM (Absorbed Glass Mat) На текущий момент лучшая технология (по соотношению цена\характеристики). Устойчивость к циклированию выше в 3-4 раза, быстрый заряд. Благодаря низкому внутреннему сопротивлению обладает высоким пусковым током при низкой степени заряженности. Расход воды приближен к нулю, устойчива к расслоению электролита благодаря абсорбции в AGM-сепараторе.

- GEL (Gel Electrolite) Технология, при которой электролит находиться в виде геля. По сравнению с AGM обладают лучшей устойчивостью к циклированию, большая устойчивость к расслоению электролита. К недостаткам можно отнести высокую стоимость, и высокие требования к режиму заряда.

Существуют еще несколько технологий изготовления аккумуляторов, как связанных с изменением формы пластин, так и специфическими условиями эксплуатации. Не смотря на различие технологий, физико-химические процессы протекающие при заряде - разряде аккумулятора одинаковые. По-этому алгоритмы заряда различных типов аккумуляторов практически идентичны. Различия,в основном, связаны со значением максимального тока заряда и напряжения окончания заряда.

Например, при заряде 12-ти вольтового аккумулятора по технологии:

Определение степени заряженности аккумулятора

Есть два основных способа определения степени заряженности аккумулятора, измерение плотности электролита и измерение напряжения разомкнутой цепи (НРЦ).

НРЦ - это напряжение на аккумуляторе без подключенной нагрузки. Для герметичных (не обслуживаемых) аккумуляторов степень заряженности можно определить только измерив НРЦ. Измерять НРЦ необходимо не раньше, чем через 8 часов после остановки двигателя (отключения от зарядного устройства), с помощью вольтметра класса точности не ниже 1.0. При температуре аккумулятора 20-25оС (по рекомендации фирмы Bosch). Значения НРЦ приведены в таблице.

(у некоторых производителей значения могут отличаться от приведенных) Если степень заряженности аккумулятора меньше 80%, то рекомендуеться провести заряд.

Алгоритмы заряда аккумуляторов

Существуют несколько наиболее распространенных алгоритмов заряда аккумулятора. На текущий момент большинство производителей аккумуляторов рекомендуют алгоритм заряда CC\CV (Constant Current \ Constant Voltage – постоянный ток \ постоянное напряжение).

Такой алгоритм обеспечивает достаточно быстрый и «бережный» режим заряда аккумулятора. Для исключения долговременного пребывания аккумулятора в конце процесса заряда, большинство зарядных устройств переходит в режим поддержания (компенсации тока саморазряда) напряжения на аккумуляторе. Такой алгоритм называется трехступенчатым. График такого алгоритма заряда представлен на рисунке.

Указанные значения напряжения (14.5В и 13.2В) справедливы при заряде аккумуляторов типа SLA\VRLA,AGM. При заряде аккумуляторов типа GEL значения напряжений должны быть установлены соответственно 14.1В и 13.2В.

Дополнительные алгоритмы при заряде аккумуляторов

Предзаряд У сильно разряженного аккумулятора (НРЦ меньше 10В) увеличивается внутреннее сопротивление, что приводит к ухудшению его способности принимать заряд. Алгоритм предзаряда предназначен для «раскачки» таких аккумуляторов.

Асимметричный заряд Для уменьшения сульфатации пластин аккумулятора можно проводить заряд асимметричным током. При таком алгоритме заряд чередуется с разрядом, что приводит к частичному растворению сульфатов и восстановлению емкости аккумулятора.

Выравнивающий заряд В процессе эксплуатации аккумуляторов происходит изменение внутреннего сопротивления отдельных «банок», что в процессе заряда приводит неравномерности заряда. Для уменьшения разброса внутреннего сопротивления рекомендуется проводить выравнивающий заряд. При этом аккумулятор заряжают током 0.05...0.1C при напряжении 15.6...16.4В. Заряд проводиться в течении 2...6 часов при постоянном контроле температуры аккумулятора. Нельзя проводить выравнивающий заряд герметичных аккумуляторов, особенно по технологии GEL. Некоторые производители допускают такой заряд для VRLA\AGM аккумуляторов.

Определение емкости аккумулятора

В процессе эксплуатации аккумулятора его емкость уменьшается. Если емкость составляет 80% от номинальной, то такой аккумулятор рекомендуется заменить. Для определения емкости аккумулятор полностью заряжают. Дают отстояться в течении 1....5 часов и затем разряжают током 1\20С до напряжения 10.8В (для 12-ти вольтового аккумулятора). Количество отданных аккумулятором ампер-часов является его фактической емкостью. Некоторые производители используют для определения емкости другие значения тока разряда, и напряжения до которого разряжается аккумулятор.

Контрольно-тренировочный цикл

Для уменьшения сульфатации пластин аккумулятора одна из методик это проведение контрольно тренировочных циклов (КТЦ). КТЦ состоят из нескольких последовательных циклов заряда с последующим разрядом током 0.01...0.05С. При проведении таких циклов, сульфат растворяется, емкость аккумулятора может быть частично восстановлена.