Свинцово-кислотные аккумуляторы

Жидкостные свинцово-кислотные АКБ или FLA (Flooded Lead Acid), WET первыми в мире стали производиться на коммерческой основе. Их серийный выпуск начался уже в 1890 году. Первые автомобильные стартерные батареи были выпущены немецкой компанией Varta в 1900 году. Герметизированные свинцово-кислотные АКБ (VRLA – со стравливающими клапанами), появились на рынке в 70-е годы XX века.

Что такое свинцово-кислотный тяговый аккумулятор? Особенность технологии.

Тяговые FLA разработаны для длительного питания электродвигателей машин и механизмов. Их основное отличие от стартерных - в способности к долгому разряду. Стартерные работают кратковременно при запуске ДВС и спроектированы для отдачи больших токов в короткое время.

Возможность продолжительного разряда и большая долговечность тяговых аккумуляторов по сравнению со стартерными обеспечивается типом и формой электродов, увеличенным объемом активной массы и решеток.

Принцип работы. Устройство.

По принципу своей работы тяговые FLA не отличаются от других свинцово-кислотных аккумуляторов. Их электрохимическая система также состоит из электролита в виде 25-34% раствора H2SO4, положительного (РЬО2) и отрицательного (РЬ) электродов.

Электрохимический процесс протекает по типу двойной сульфатации. При разряде H2SO4 расходуется на образование PbSO4, это снижает концентрацию кислоты (плотность электролита) и напряжение на электродах. При заряде происходит обратный процесс. Сульфаты разлагаются на серную кислоту, свинец и его оксид, что увеличивает плотность электролита и повышает напряжения на клеммах.

В свинцово-кислотных АКБ применяются различные типы пластин.

• Поверхностные. Представляют собой листы из свинца толщиной около 10 мм с прорезями для увеличения площади контакта электролита с электродами. Это практически такие же пластины, которые использовал изобретатель аккумулятора Планте. Такими электродами оснащаются стационарные батареи, для которых долговечность и надежность важнее удельной энергии на единицу массы.
• Решетчатые (намазные, пастированные). Конструктивно это свинцово-сурьмяная решетка с вмазанной в нее пастой, изготавливаемой из свинцового порошка.
• Стержневые намазные. Стержни, соединенные в пластину и обмазанные пастой.
• Коробчатые. Имеют внешние стенки в виде короба из тонких перфорированных листов свинца, которые препятствуют опадению активной массы. При одинаковой с решетчатыми электродами удельной емкости, они прочнее их.
• Панцирные. По виду напоминают гребенку из свинца, на зубья которой надеваются пластмассовые перфорированные трубочки (панцири), наполненные пастообразной активной массой. Паста держится в трубочках прочно. У аккумуляторов с панцирными электродами высокая удельная емкость и долговечность (более 1000 циклов). Такие электроды используются в тяговых АКБ, и реже – в стационарных.

Катодные и анодные электроды одной и той же батареи могут относиться к разным типам. Например, отрицательные коробчатые пластины часто используются вместе с положительными панцирными или поверхностными электродами.

Виды свинцово-кислотных тяговых АКБ

Тяговые свинцово-кислотные батареи классифицируются по следующим признакам.

По типу положительных пластин:

• решетчатые намазные;
• стержневые намазные;
• панцирные.

По форме электролита:

• жидкий, технология WET;
• гелеобразный, технология GEL;
• абсорбированный сепаратором, технология AGM.

По обслуживанию.

• Обслуживаемые и малообслуживаемые с жидким электролитом. Требуют контроля плотности раствора кислоты и долива дистиллята.
• Необслуживаемые (герметизированные). Технология GEL и AGM. Не требуют обслуживания, могут эксплуатироваться в любом положении, кроме клапанами вниз.

К необслуживаемым или малообслуживаемым относят и WET источники питания, оснащенные рекомбинационными пробками AquaGen немецкой компании Hoppecke. Пробки улавливают пар, конденсируют его и отправляют обратно в корпус, обеспечивая неизменность состава электролита. Но это скорее исключение чем повсеместная практика.

По назначению:

• Для работы в циклическом режиме – в машинах и механизмах, оснащенных электрическим двигателем.
• Для эксплуатации в качестве буферных и флотирующих.

Терминологический справочник содержит термины «буферная» и «флотирующая» батарея. Согласно ему к «буферным» относятся модели, параллельно соединенные с постоянным источником тока с целью сглаживания колебаний его напряжения. «Флотирующая» АКБ также соединена постоянно с источником тока, но выполняет роль резервной при отключении от централизованного питания.

Преимущества

Свинцово-кислотные обслуживаемые батареи (WET) востребованы более века по многим причинам.

• Долговечность, надежность. По количеству циклов заряда/разряда жидкостные модификации превосходят более современные гелевые и AGM.
• Невысокая цена 1-го Вт·ч из-за доступности и распространенности свинца, а также простоте и отработанности технологии производства.
• Отсутствие эффекта памяти.
• Малый саморазряд (около 2-3% в месяц).
• Допустимость высоких разрядных токов и глубокого разряда.

Есть и существенные недостатки.

• Связанные c жидким электролитом, – обслуживаемость, потребность в специальных помещениях для зарядки в связи с выделением газов, риск пролива химически агрессивного электролита.
• Низкая плотность энергии и большой, вследствие этого вес, ограничивающий применение в мобильной и электронной технике.
• Недопустимость хранения в разряженном состоянии.
• Риск терморазгона при зарядке.
• Снижение емкости при минусовых температурах, долговечности – при высоких.
• Большая зависимость характеристик от условий эксплуатации и зарядки.

Несмотря на эти недостатки, высокая востребованность свинцово-кислотных WET аккумуляторов говорит о том, что их достоинства превосходят недостатки.

Применение

Использование тяговых свинцово-кислотных аккумуляторов определяется режимом разряда и параметрами, которые должны соответствовать характеристикам устройства-потребителя.

Различают два основных режима работы тяговых аккумуляторов.

• Буферный + флотирующий. Батарея постоянно соединена с источником постоянного тока, компенсирует колебания его мощности или заменяет при вынужденном отключении.
• Циклический. АКБ работает в циклическом режиме разрядки и зарядки, обеспечивая питанием электродвигатели машин или работая в комплексе с электросистемами. Например, накапливая электричество днем от солнечных панелей и отдавая его ночью.

Для работы в циклическом режиме тяговыми свинцово-кислотными АКБ различных подвидов оснащаются следующие виды машин и систем.

• Подъемно-транспортные механизмы для работы на складах и в торговых терминалах – погрузчики, штабелеры, электротележки.
• Шахтное электрическое оборудование – комбайны, дрезины, тягачи.
• Машины для перемещения людей – гольфкары, электромобили, скутера, электросамокаты, инвалидные коляски, моторные лодки.
• Клининговая техника.
• Автодома, аттракционы.
• Аппараты, используемые в медицине.
• Электросистемы на возобновляемой энергии.

Основные технические параметры тяговых аккумуляторов. Как их подобрать?

К основным характеристикам аккумуляторных батарей относится напряжение и емкость. Напряжение аккумулятора - это разность потенциалов электрического поля между выводными клеммами. Выбор конкретного напряжения и емкости АКБ определяется характеристикой машины или устройства. Иногда требуется получить напряжение или емкость большую чем у стандартных 2, 6, 12 В блоков. Для этого их соединяет последовательно (для увеличения напряжения) или параллельно (для увеличения емкости).

На рынке представлены тяговые свинцово-кислотные АКБ всего ряда напряжений – 2, 6, 8, 12, 24, 36, 40, 48, 80, 96 В. Однако, в основном востребованы небольшие модели напряжением 6 и 12 В.

Емкостью АКБ называется количество электроэнергии, которое может отдать батарея при определенном режиме разряда. Измеряется емкость в ампер-часах (Ач). Выражается буквой «C» с последующей цифрой, равной часам разряда (например, C20, C5). C20 - означает количество энергии (в Ач), которая отдаст АКБ при её разряде в течение 20 часов и температуре воздуха 25-28 °C.

Новому аккумулятору требуется несколько циклов разряда/заряда (50-125), чтобы достичь максимального значения емкости указанного в паспорте. Это время называется «периодом раскачки».

При выборе источника питания дополнительно следует учитывать.

• Тип и форму электролита (WET, GEL, AGM). GEL и AGM - необслуживаемые, подходят для зданий, и производств с естественной вентиляцией. Могут заряжаться в присутствии людей.
• Режим предполагаемой работы (буферный, флотирующий, циклический), скорость разряда (цикла), а также отдаваемую при этом емкость.
• Габариты. Должны соответствовать посадочному месту в машине.
• Вес. Учитываться, если батарею предполагается использовать в мобильном устройстве. Или она выполняет функцию противовеса, например, в складской технике.
• Долговечность. Измеряется в циклах зарядки/разрядки или годах.

Долговечность источника питания зависит, от глубины разряда, величины перезаряда, температуры среды. При увеличении этих параметров срок службы резко сокращается. В реальных условиях количество циклов которые служит батарея часто меньше заявленного, так как она редко работает в оптимальном для неё режиме.

Ещё несколько принципов, которые нужно учесть при выборе тяговых источников питания.

• Герметезированные АКБ (AGM, GEL) не нуждаются в регулярных проверках, доливке воды, обслуживании как жидкостные. Их эксплуатация проще, меньше вероятность допустить ошибку. Из-за этого герметизированные модели в реальных условиях часто служат дольше негерметезированных.
• Аккумуляторы с электродами Планте (поверхностными пластинами) – самые долговечные. Срок их службы составляет 25 лет. На втором месте - с панцирными электродами, их срок службы 16-18 лет. Жидкостные модели с намазными пластинами служат 10-12 лет.
• Герметизированные батареи менее долговечны. По классификации EUROBAT их делят по этому параметру на 4 группы – свыше 12, 10-12, 6-9, 3-5 лет.