Аккумуляторы играют важную роль в нашей жизни, и многие обыденные вещи сейчас уже просто немыслимы без них. Мы зависим от хорошей и надежной работы аккумуляторов, поэтому, чтобы они стабильно работали, надо знать, какими свойствами они обладают и как с ними обращаться. В данной статье рассматриваются характеристики различных типов аккумуляторов, такие как удельная энергия, срок службы, нагрузочные характеристики, необходимость технического обслуживания, скорость саморазряда и т.д.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Одна из старейших аккумуляторных систем. Эта недорогая, надежная и переносящая перегрузки батарея; но она имеет низкую удельную энергию и ограниченный срок службы. Свинцовый кислотный аккумулятор используется в автомобильном транспорте, в инвалидных колясках, в системах аварийного освещения и в источниках бесперебойного питания (ИБП).

Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы

Также является одной из старейших и хорошо изученных аккумуляторных систем. Эти источники питания используется там, где необходим длительный срок службы, высокий ток разрядки, экстремальные температуры и низкая стоимость. Из-за того, что NiCd аккумуляторы наносят значительный вред окружающей среде, их заменяют другими типами систем. Основные области применения: электроинструмент, рации, авиационный транспорт, ИБП. В Европе запретили продавать потребительские товары с такими типами аккумуляторов, но в России их можно приобрести.

Никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторы

Фактически являются заменой никель-кадмиевых; имеет более высокую удельную энергию и меньшее количество токсичных металлов. NiMH аккумуляторы используется в медицинском оборудовании, в гибридных автомобилях, в ракетно-космической технике, в промышленности.

Литий-ионные (Li‑ion) аккумуляторы

Самый перспективный тип аккумуляторных систем; используется в портативных потребительских товарах, также как и в электромобилях. Li‑ion аккумуляторы чувствительны к превышению напряжения при заряде и, для обеспечения безопасности, в них добавляется защитный контур, но не всегда. Эти типы аккумуляторов дороже, чем описанные выше.

Семейство литий-ионных систем можно разделить на три основных типа батарей в зависимости от материала катода – это кобальт лития, литий-марганцевая шпинель и литий-феррофосфат. Характеристики этих литий-ионных систем приведены ниже.

Кобальт лития или литий оксид кобальта (LiCoO2)

Обладает высокой удельной энергией, переносит умеренные нагрузки и обладает небольшим сроком службы. Применяется в сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах и других гаджетах.

Литий-марганцевая шпинель или литий-марганцевый (LiMn2O4)

Переносит высокий ток заряда и разряда, но имеет низкую удельную энергию и небольшой срок службы; используется в электроинструментах, медицинском оборудовании и в электрических силовых агрегатах.

Литий-феррофосфатный (LiFePO4)

Схож с литий-марганцевым; номинальное напряжение 3,3 В/элемент; более долговечный, но обладает более высокой скоростью саморазряда, чем другие литий-ионные системы.

Существует и множество других типов литий-ионных аккумуляторов, некоторые из которых будут описаны позднее на этом сайте. Здесь отсутствует популярный литий-полимерный тип аккумуляторов. В то время как литий-ионные системы получили свое название благодаря материалу катодов, литий-полимерные системы заслужили свое название благодаря архитектуре. Также здесь не упоминается литий-металлические (Li-metal) аккумуляторы. Этот тип источника тока еще требует доработки, но, скорее всего, в скором времени они будут обладать необыкновенно высокой удельной энергией и хорошей удельной мощностью.

Таблица 1 — Сравнительные характеристики четырех наиболее часто используемых типов аккумуляторных систем, с указанием усредненных параметров

1 Внутреннее сопротивление аккумуляторов зависит от величины миллиампер-часов (мАч), проводки и количества элементов. Контур защиты литий-ионных батарей добавляет около 100 mΩ

2 Типоразмер элемента 18650. Размер элемента и дизайн определяет внутреннее сопротивление.

3 Жизненный цикл у батарей, проходящих регулярное техническое обслуживание.

4 Жизненный цикл зависит от величины разряда. Меньшая величина разряда повышает срок службы.

5 Самая большая скорость саморазряда сразу после заряда. NiCd аккумулятор теряет 10% заряда в течение первых 24 часов, затем скорость потери заряда снижается до 10% за каждые 30 дней. Высокая температура увеличивает саморазряд.

6 Защитный контур, как правило, потребляет 3% от запасенной энергии в месяц.

7 Чаще используется традиционное напряжение 1,25; 1,2 В.

8 Низкое внутреннее сопротивление уменьшает падение напряжения под нагрузкой и литий-ионные аккумуляторы часто имеют маркировку с большим значением, чем 3,6В/элемент. Элементы с маркировкой 3,7В и 3,8В полностью совместимы с 3,6В.

9 Способен выдерживать большой импульс тока нагрузки, но нужно время для восстановления.

10 Не заряжайте регулярно литий-ионные аккумуляторы при температуре ниже нуля.

11 Техническое обслуживание, такое как балансировка или подзарядка, для предотвращения сульфатации.

12 Для большинства типов литий-ионных систем отсечка происходит, если напряжение меньше чем 2,20В и больше чем 4,30В, другие значения напряжения применяются для литий-феррофосфатных аккумуляторов.

Читайте также статьи:

(Просмотрели31 517 | Посмотрели сегодня 19)

Процессы в аккумуляторе отследили с помощью электронного микроскопа Экотехнологии, которые могут сделать мир чище. 9 современных направлений
Самовосстанавливающиеся солнечные элементы

Кислотные аккумуляторы характеризуются повышенным параметром стойкости. По конструкции устройства довольно сильно отличаются. Емкость кислотного аккумулятора всегда указана в инструкции. На рынке представлены модификации на 2 и 4 вывода. Показатель саморазряда у них может отличаться.

Электролит в устройствах чаще всего применяется серии КС. Выходное напряжение, как правило, не превышает 10 В. Для того чтобы более подробно разобраться в указанном вопросе, надо рассмотреть устройство кислотного аккумулятора.

Устройство аккумуляторной батареи

Стандартный аккумулятор средней емкости состоит из блока, герметичной оболочки, пластин, электролита, а также клемм. Крышки в устройствах производятся с выходным контактами. Пластины у моделей фиксируются на стойках. Некоторые модификации производятся с клапанами. Если рассматривать аккумуляторы с высокой емкостью, то у них имеется сепаратор. Указанный элемент устанавливается с перемычкой. Как правило, минусовые выводы соединяются с платинами напрямую. Непосредственно блок батареи обрабатывается каучуком.

Модификации с емкостью 8 Ач

Аккумуляторы кислотные (необслуживаемые) данного типа используются часто для компрессоров на 2 кВт. Частота в данном случае равняется минимум 30 Гц. Электролит в устройствах применяется разных серий. Проводимость напряжения у них отличается. Показатель перегрузки батарей в среднем равняется 40 А.

У некоторых модификаций установлена система защиты от перегрева. Если рассматривать устройства на две клеммы, то у них имеются проводные пластины. Сепаратор, как правило, устанавливается в нижней части блока. Камера у моделей обрабатывается смолой. Показатель герметичности в среднем колеблется в районе 85 %. Параметр саморазряда, как правило, не превышает 0.2 %.

Допустимый уровень температуры зависит от электролита. Для приводов указанные аккумуляторы подходят плохо. Также важно отметить, что современные устройства производятся с блоками рекомбинации. Процесс восстановления у них много времени не отнимает. Однако важно отметить, что стоят они на рынке довольно много.

Модели на 20 Ач

20 Ач производятся под приводные устройства. Также модели подходят для освещения местности. На рынке представлены модификации на 2 и 4 клеммы. Перемычки в устройствах используются с различной проводимостью. Электролит чаще сего применяется с маркировкой КС202. Заряд устройства осуществляется при напряжении в 10 В. Пластины в данном случае устанавливаются в вертикальном положении.

По степени герметичности устройства довольно сильно отличаются. Блоки рекомбинации установлены не во всех модификациях. Для компрессоров малой мощности устройства подходят плохо. Параметр допустимой температуры у батарей в среднем равняется 40 градусов. Сепараторы чаще всего используются коммутируемого типа. У некоторых модификаций выходное напряжение достигает 15 В. Параметр порогового сопротивления находится в пределах 18 Ом. Срок службы устройств колеблется от 3 до 10 лет.

с емкостью 50 Ач

Аккумуляторные батареи указанной емкости используются для компрессоров на 6 кВт. В данном случае устройства выпускаются с пластинами из свинца. Многие модификации оснащаются проводными сепараторами. Положительный выход в устройствах устанавливается на крышке. Модификации с двумя клеммами обладают проводимостью на уровне 3 мк. Клапана у моделей, как правило, находятся в нижней части блока. Выходное напряжение у моделей составляет около 13 В.

Система защиты от перегрузок используется второй либо третей степени. Герметичность блоков в среднем составляет 90 %. осуществляется при напряжении в 4 В. Допустимый уровень температуры, как правило, не превышает 45 градусов. По плотности энергии модификации довольно сильно отличаются. Для приводных устройств модели не подходят. Диоксидные пластины в них устанавливаются редко.

Устройства на 100 Ач

Кислотные аккумуляторы на 100 Ач производятся для контрольных блоков. Для облуживания генераторов и котлов модификации подходят отлично. Допустимая температура устройств в среднем равняется 35 градусов. Современные батареи производятся с четырьмя пластинами. Система защиты от перегрузок имеется не во всех модификациях.

Уровень внутреннего сопротивления, как правило, не превышает 30 Ом. По герметичности устройства довольно сильно отличаются. колеблется от 5 до 10 лет. В среднем параметр проводимости у них равняется 3 мк. Выходное напряжение, в свою очередь, составляет не менее 15 В. Электролит в устройствах используется серии КС200. Для силового оборудования батареи применяются часто. Клапана, как правило, соединены с положительными выходами.

Модели с емкостью 120 Ач

Кислотные аккумуляторы на 120 Ач имеют высокую плотность энергии. В среднем проводимость у них равняется 3 мк. Показатель выходного напряжения зависит от размеров пластин. Многие модификации производятся с четырьмя клеммами. Для компрессоров на 5 кВт устройства подходят замечательно. Крышки у моделей используются герметичного типа. Допустимая температура батарей составляет около 40 градусов. Для приводов низкочастотного типа устройства подходят плохо.

Параметр герметичности, как правило, не превышает 80 %. Кислотные аккумуляторы для фонарей со свинцовыми пластинами встречаются не часто. По параметру саморазряда модели отличаются. В данном случае многое зависит от чувствительности сепаратора. Плюсовые выводы в устройствах, как правило, находятся на крышке. Плотность энергии аккумуляторных батарей - в пределах 3 %.

Аккумуляторные батареи на 150 Ач

Кислотные аккумуляторы на 150 Ач производятся с проводными сепараторами. Некоторые модификации оснащаются коммутируемыми клапанами. Пластины чаще всего изготовлены из свинца. В среднем показатель проводимости не превышает 3 мк. Выходное напряжение модификаций зависит от чувствительности сепаратора. Срок службы моделей колеблется от 3 до 10 лет.

Электролит в устройствах чаще всего применяется серии КС200. Плотность энергии - около 3 %. Блоки рекомбинации встречаются редко. Для компрессоров на 10 кВт устройства подходят замечательно. Однако важно отметить, что у некоторых моделей отсутствует выходной клапан. Показатель герметичности находится в пределах 90 %. Однако в данном случае многое зависит от торговой марки.

Восстановление устройств

Восстановление кислотных аккумуляторов осуществляется при помощи зарядных устройств. Указанные приборы выпускаются различной чувствительности. Параметр перегрузки в среднем равняется 20 А. Чтобы ускорить восстановление кислотных аккумуляторов используются триггеры с переходниками. Если рассматривать батареи малой емкости, то у них зарядка в среднем занимает 2 часа. Однако в данном случае важно учитывать параметры модели. Аккумуляторные батареи на 120 Ач восстанавливаются около 10 часов при среднем напряжении.

Зарядные устройства Pulso BC-15860

Зарядные устройства данной серии хорошо подходят для аккумуляторных батарей емкостью до 20 Ач. Расширитель у модели применяется аналогового типа. Параметр проводимости, как правило, не превышает 3 мк. В среднем рабочая частота составляет 35 Гц. Система защиты от импульсных скачков имеется. Восстановление батарей занимает не более двух часов. Обкладка у данного зарядного устройства отсутствует. Всего в комплекте имеется два зажима. Стабилитрон у зарядного устройства указанной серии отсутствует. Если работать с батареями на 15 Ач, то выходное напряжение следует выбирать 10 В.

Особенности зарядных устройств Pulso BC-15855

Зарядные устройства представленной серии производятся с двумя зажимами. Для аккумуляторных батарей на 50 Ач модель подходит хорошо. Параметр выходного напряжения у модификации регулируется контроллером. Расширитель в устройстве применяется лучевого типа. имеет высокую проводимость, и сбои в системе происходят не часто. Защита от импульсных скачков есть.

Преобразователь в данном случае отсутствует. Для аккумуляторных батарей на100 Ач устройство не подходит однозначно. Демпфер у модификации применяется переменного типа. Параметр чувствительности в среднем составляет 4 мВ. В свою очередь показатель перегрузки не превышает 50 А. С моделями на две клеммы зарядное устройство для кислотных аккумуляторов работать может.

Параметры зарядных моделей Lavita 192204

Зарядное устройство представленной серии состоит и проводного расширителя. Триггер в данном случае используется электродного типа. Также важно отметить, что у модели имеется преобразователь. Зажимы установлены с фиксаторами и соединены в устройстве с выпрямителем.

Параметр проводимости модификации равняется не менее 4 мк. Перегрузка системы в среднем составляет 30 А. Для аккумуляторных батарей на 100 Ач устройство подходит замечательно. Процесс зарядки в среднем времени занимает не более 5 часов. Стабилизатор используется с фильтром. Система защиты от импульсных скачков отсутствует.

Зарядные устройства Lavita 192212

Зарядное устройство указанной серии имеет массу преимуществ. В первую очередь важно отметить, что у модификации используется два фильтра. Расширитель стандартно установлен проводного типа. Преобразователь у зарядного устройства производителем не предусмотрен. Параметр перегрузки системы, как правило, составляет 33 А. Выпрямитель применяется с обкладкой. Для аккумуляторных батарей на 150 Ач устройство подходит хорошо. Импульсные скачки в системе наблюдаются редко. Стабилитрон применяется регулируемого типа.

Особенности зарядных устройств TESLA ЗУ-10642

Зарядные устройства указанной серии производятся с двумя расширителями. Преобразователь у них используется коммутируемого типа. В среднем проводимость модели составляет 3 мк. Для аккумуляторных батарей на 10 Ач устройство подходит замечательно. Параметр пороговой чувствительности в устройстве невысокий. Проблемы с перегрузками наблюдаются очень редко. Система защиты от скачков есть. Фильтр у зарядки используется на 12 В.

Для аккумуляторных батарей на две клеммы устройство подходит. В данном случае выходное напряжение можно регулировать. Держатели в устройствах применяются довольно широкие. Непосредственно ручка в комплекте есть. Регулятор у зарядки применяется поворотного типа. Зажимы используются без фиксаторов. Для аккумуляторов на 100 Ач устройство не подходит. Показатель перегрузки в среднем составляет 33 А. Для моделей на четыре клеммы модификация не подходит.

Параметры зарядных моделей Deltran

Указанное зарядное для кислотных аккумуляторов производится с выпрямителем. Триггер применяется с фильтрами. Для аккумуляторных батарей на 10 Ач устройство подходит хорошо. Проводимость в данном случае составляет не менее 4 мк. Допустимый уровень перегрузки равняется 30 А. Система защиты от импульсов есть. Преобразователь у зарядки отсутствует.

С аккумуляторами на 20 Ач модель используется часто. Всего у модификации есть один держатель. Фиксаторы установлены на выходных контактах. Показатель напряжения максимум равняется 20 В. Компаратор в представленной зарядке отсутствует. Зажимы используются довольно широкие. Регулятор у зарядки установлен с поворотным механиком. По габаритам модель является компактной и весит крайне мало. Селектор в устройстве применяется открытого типа.

Зарядные устройства Tenex

Зарядка данной серии подходит для аккумуляторов на 100 Ач. В данном случае расширитель используется переходного типа. Показатель выходной проводимости у модели невысокий. Проблемы с диодным мостом наблюдаются редко. Зарядка кислотных аккумуляторов на 20 Ач примерно происходит за один час. Система защиты от импульсов имеется.

Динистор у модификации используется с двумя фильтрами. Показатель предельного напряжения находится на отметке 30 В. Регулятор тока у модели есть. При необходимости можно включать циклический режим. Зарядить кислотный аккумулятор на 500 Ач можно в среднем за три часа. Проблемы с кроткими замыканиями наблюдаются не слишком часто.

До недавнего времени наиболее распространенным способом накопления электрической энергии являлось применение свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Они, например, широко используются в системах бесперебойного электроснабжения малой мощности, но абсолютно непригодны для перекачки больших потоков энергии в ежедневном режиме. С развитием технологий на рынке появились литий ионные (ЛИА) АКБ.

Высокая реактивность и способность лития интеркалировать (проникать) в кристаллическую решетку другого материала позволяет сохранить в атомных связях большое количество энергии, поэтому служит идеальным накопителем.

Благодаря наноструктурированной топологии, литий-ионные АКБ имеют безусловные преимущества перед всеми существующими на сегодняшний день аналогами по ряду технических характеристик:

• Токи заряда и разряда беспрецедентно высоки. Способность ЛИА воспринимать большой ток заряда позволяет накапливать энергию в режиме онлайн. Разряд может пятикратно превосходить заряд, что говорит о возможности мгновенной отдачи огромного количества энергии.
• Очень низкий саморазряд, не превышающий 2% от первоначального заряда в месяц
• Отсутствует эффект памяти (не требует полной разрядки перед циклом заряда).
• Высокий электрохимический потенциал (энергетическая плотность);
• Эксплуатация в широком диапазоне температур (от -40°C +50°C).

Еще несколько лет назад, свинцовые АКБ не имели конкурентов в этой области, так как альтернативные АКБ, были очень дорогостоящими, в связи с чем их применение было экономически не выгодно.

Но с развитием технологий, на рынке появились литий ионные (ЛИА) АКБ, которые на первый взгляд имеют более высокую цену, тем не менее, если рассмотреть более внимательно, то в системах ИБП от 50кВт, применение именно ЛИА, имеет более высокую экономическую эффективность. Ниже приведены сравнения.

Основными параметрами любой АКБ, является:

1. Ёмкость: Какое количество энергии может запасти АКБ на 1 кг веса
2. Ток разряда: Как быстро накопленную энергию АКБ может отдать
3. КПД: потери энергии при заряде и разряде
4. Количество циклов разряда и заряда
5. Срок годности – или период эксплуатации

Критерий	Свинец	ЛИА
Ёмкость (вт/кг)	25	110
Ток разряда (при котором АКБ отдаёт всю ёмкость)	0,1С (10% от тока ёмкости)	3С (300% от тока ёмкости)
КПД	80%	97%
Количество циклов разряда - заряда	700	5000
Срок годности – или период эксплуатации	3.5 лет	25 лет

Как видно из таблицы, ЛИА имеют значительные преимущества перед свинцовыми АКБ. Это вызвано в первую очередь тем, что у них разный принцип действия. В Свинцовых АКБ свинцовые электроды вступают в химическую реакцию с электролитом - серной кислотой, за счет чего происходит накопление электроэнергии. Но со временем кислота образует на поверхности электродов сульфат свинца, что приводит батарею в негодность. Преждевременное старение свинцовой АКБ происходит так же при разряде большими токами и параллельном подключении, которое часто используется для увеличения суммарной емкости.

В ЛИА как таковой химической реакции не происходит, а происходит миграция ионов лития с электрода на электрод, накапливая или отдавая заряд, за счет чего ЛИА имеет значительно лучшие характеристики. Разряд силой тока, пятикратно превосходящей номинальную емкость АКБ – штатный режим работы. Допускается параллельное соединение, т.к. контроллер заряда/разряда установлен на каждом элементе батареи.

Для оценки экономической выгоды от применения той или иной технологии, рассмотрим затраты на первичную установку, а так же затраты на дальнейшую эксплуатацию. В качестве примера примем ИБП на 300 кВА со временем бесперебойной работы 30 мин. Это время было выбрано потому, что именно этого времени хватит в случае необходимости запустить, и ввести в рабочий режим резервный генератор, а генераторы как известно заводятся далеко не с первого раза, особенно если стоят в резерве.

ИБП 300 кВА. Напряжение постоянного тока 400 В. Время работы при полной нагрузке 30 мин.
Критерий	Свинец	Литий	Комментарии
При работе на полную нагрузку, ИБП будет потреблять 750А в течении 30 мин. Требуемая ёмкость и тип АКБ	OPzV 1200Ач (2В) 185ШТ	ЛИА 400Ач (3.2В) 125 ШТ.	АКБ требует высокие токи разряда, которые могут поддерживать только единичные элементы по 2,14В. При высоких токах разряда свинцовая АКБ не отдаёт 100% своей ёмкости. Рекомендуемые производителем токи разряда подтверждают, что минимальная ёмкость АКБ должна быть 1200Ач. Для лития данных проблем нет, поэтому устанавливается батарея почти номинальной ёмкости.
Стоимость	Одинаковая	Одинаковая	Обычно цена АКБ рассчитывается исходя из стоимости одного Ампер часа. Приведенные цены являются средними по рынку. Цена за ЛИА АКБ приведена с учетом стоимости системы управления.
Вес АКБ	В среднем по 100 кг на элемент 185*100=18500 кг	В среднем по 11 кг на элемент 125*11=1375 кг	При использовании ЛИА АКБ потребуется размер помещения(площадь и предельные нагрузки на пол) в 13 раз меньше чем для свинца.
Срок эксплуатации до замены	3.5 лет	25 лет	Срок эксплуатации свинцово кислотных OPzV АКБ 20 лет, но они не служат так долго. Дело в том, что производитель указывает срок эксплуатации при разряде батареи током не более 10% от номинальной ёмкости, а значит для АКБ 1200Ач, это всего 120А. Ток разряда данного ИБП 750А, что в 6 раз выше рекомендованного. При такой силе разряда свинцовые АКБ выходят из строя гораздо быстрее, а потеря емкости заметна уже через несколько циклов разряда.
Стоимость обслуживания	Высокая	Нет	Можно установить свинцовых АКБ в 6 раз больше, что бы они прослужили 18 лет, но стоимость такого массива будет астрономической. ЛИА работает в штатном режиме и прослужит заявленное время эксплуатации без замены.

Разряд Свинцово-кислотной АКБ постоянным током, А.
Конечное напряжение 1,75В элемент при температуре 20°С

Маркировка	Минуты			Часы
	10	15	30	1	2	3	5	8	10
OPzV-200	261	230	171	122	79	58	39	27	21
OPzV-250	302	287	213	152	98	73	49	33	26
OPzV-300	362	344	256	182	118	87	58	40	31
OPzV-350	365	347	275	204	139	105	72	50	37
OPzV-420	438	417	330	245	167	126	86	60	45
OPzV-500	472	448	366	286	195	147	101	67	52
OPzV-600	477	454	388	302	219	168	118	85	66
OPzV-800	740	693	580	422	293	223	157	113	82
OPzV-1000	887	823	681	515	370	282	197	131	103
OPzV-1200	956	903	790	614	450	342	237	165	123
OPzV-1500	1011	995	874	697	521	407	294	197	155
OPzV-2000	1372	1326	1165	929	695	543	391	276	207
OPzV-2500	1685	1658	1510	1203	863	668	482	317	258
OPzV-3000	2022	1989	1813	1444	1035	802	579	378	309

Итог. Первичная стоимость свинца будет больше, а также при первичной разнице в стоимости в 11% применение ЛИА позволит:

• Сократить в 13 раз площадь (объем) помещения для размещения системы ИБП.
• Сократить в 13 раз вес батарейного стеллажа.
• Минимум троекратно продлить срок службы перед заменой АКБ. Экономия при эксплуатации ЛИА, за 20 лет составит не менее 350% , исходя из расчета первичных затрат, стоимости обслуживания, периодической замены и трехкратной утилизации свинцовых АКБ.

Применение нашей технологии позволяет осуществить прямую замену Свинцово-кислотных или Никель-Кадмиевых АКБ на ЛИА, БЕЗ каких либо конструктивных изменений или дополнений к системе заряда или подключения! Даже перемычки могут остаться старые.

Добавить сайт в закладки

Механизм работы аккумулятора

Аккумуляторы - это химические источники тока с обрати­мым процессом: они могут отдавать энергию, преобразуя хими­ческую энергию в электрическую, или накапливать энергию, преобразуя электрическую энергию в химическую. Та­ким образом, аккумулятор попеременно то разряжается, отдавая электрическую энергию, то заряжается от какого-либо соответствующего источника постоянного тока.

Аккумуляторы, в зависимости от применяемого в них электро­лита, подразделяются на кислотные и щелочные. Кроме того, аккумуляторы различаются, в зависимости от материала электродов. Широкое применение имеют лишь свинцовые, кадмиево-никелевые, железо-никелевые и серебряно-цинковые акку­муляторы.

Емкость аккумулятора определяется количеством электри­чества q p , которое он может отдать при разряде в питаемую цепь.

Это количество электричества измеряется не в кулонах, а в более крупных единицах - ампер-часах (а-ч). 1 а-ч = 3600 кл. Но для заряда аккумулятора требуется большее количество электричества q 3 , чем отдаваемое при разряде. Отношение q p: q 3 =n e называется отдачей аккумулятора по емкости.

Напряжение, необходимое для заряда аккумулятора, значи­тельно выше того напряжения на зажимах аккумулятора, при котором он отдает длительно разрядный ток.

Важной характеристикой аккумулятора являются его средние зарядное и разрядное напряжения.

Ясно, что из-за ряда потерь энергии аккумулятор отдает при разряде значительно меньшее количество энергии W p , чем полу­чает при заряде. Отношение W p: W 3 = n есть коэффициент полезного действия или отдача по энергии аккумулятора.

Наконец, весьма важной для характеристики аккумулятора величиной является его удельная э н е р г и я, т. е. количество энергии, отдаваемой при разряде, приходящееся на 1 кг веса аккумулятора. Особенно существенно, чтобы удельная энергия была возможно больше у нестационарных аккумуляторов, уста­навливаемых, например, на самолетах. В подобных случаях обычно она важнее, чем коэффициент полезного действия и от­дача по емкости.

Следует иметь в виду, что при медленном разряде процесс в аккумуляторе протекает равномерно во всей массе пластин, бла­годаря чему при длительном разряде малым током емкость акку­мулятора больше, чем при кратковременном разряде большим током. При быстром разряде процесс в массе пластин отстает от процесса на их поверхности, что вызывает внутренние токи и уменьшение отдачи.

Напряжение аккумулятора существенно изменяется во время разряда. Желательно, чтобы оно было возможно более постоян­ным. В расчетах обычно указывается среднее разрядное напря­жение U p . Но для заряда аккумулятора нужен источник тока, дающий значительно большее зарядное напряжение U з (на 25- 40%). В противном случае невозможно зарядить аккумулятор полностью.

Если напряжение одного аккумуляторного элемента недоста­точно для данной установки, то необходимое число аккумулятор­ных элементов соединяется последовательно. Конечно, последо­вательно соединять можно только аккумуляторы, рассчитанные на одну и ту же разрядную силу тока.

Если разрядный ток одного элемента недостаточен, то приме­няется параллельное соединение нескольких одинаковых элемен­тов.

Из числа кислотных аккумуляторов практическое значение имеют лишь свинцовые аккумуляторы. В них на положительном электроде активным веществом служит двуокись свинца РЬ0 2 , на отрицательном электроде - губчатый свинец РЬ. Положительные пластины имеют бурый цвет, отрицатель­ные- серый, в качестве электролита применяется раствор сер­ной кислоты H 2 S0 4 с с удельным весом 1,18-1,29.

Химический процесс разряда и заряда свинцового аккумуля­тора относительно сложен. В основном он сводится к восстановлению свинца на положительном электроде и окислению губча­того свинца на отрицательном электроде в закисную соль серной кислоты. При этом образуется вода и, следовательно, плотность электролита уменьшается. При разря­де сначала напряжение аккумулятора быстро падает до 1,95 В, а затем медленно понижается до 1,8 В. После чего необходимо прекратить разряд.

При дальнейшем разряде имеет место необратимый процесс образования кристаллического сернокислого свинца PbS 4 . По­следний покрывает пластины белым налетом. Он обладает боль­шим удельным сопротивлением и почти не растворим в электро­лите. Слой сернокислого свинца увеличивает внутреннее сопро­тивление активной массы пластин. Такой процесс называется сульфатацией пластин.

При заряде аккумулятора процесс идет в обратном направ­лении: на отрицательном электроде восстанавливается металли­ческий свинец, а на положительном электроде свинец окисляется до двуокиси РЬ0 2 . Ион S0 4 переходит в электролит, поэтому плотность серной кислоты при заряде увеличивается, следова­тельно, возрастает и удельный вес электролита. Для измерения удельного веса электролита применяется специальный арео­метр. По его показаниям можно ориентировочно судить, в какой мере аккумулятор заряжен. Среднее разрядное напряжение свинцового аккумулятора 1,98 В, а среднее зарядное напряжение 2,4 В.

Внутреннее сопротивление r B н свинцовых аккумуляторов, бла­годаря малому расстоянию между пластинами и большой пло­щади их соприкосновения с электролитом, весьма мало: порядка тысячных долей ома у стационарных аккумуляторов и сотых до­лей у небольших переносных аккумуляторов.

Вследствие малого внутреннего сопротивления и относительно большого напряжения КПД этих аккумуляторов достигает 70- 80 %, а отдача - 0,85-0,95 %.

Однако из-за малого внутреннего сопротивления в свинцовых аккумуляторах при коротких замыканиях возникают токи очень большой силы, что приводит к короблению и распаду пластин.

Из числа щелочных аккумуляторов широкое при­менение в настоящее время имеют кадмиево-никелевые, железо- никелевые и серебряно-цинковые. Во всех этих аккумуляторах электролитом служит щелочь - примерно двухпроцентный ра­створ едкого калия КОН или едкого натра NaOH. При заряде и разряде этот электролит почти не претерпевает изменений. Сле­довательно, от его количества емкость аккумулятора не зависит. Это дает возможность свести к минимуму количество электроли­та во всех щелочных аккумуляторах и таким путем существенно их облегчить.

Остовы положительной и отрицательной пластин этих акку­муляторов делаются из стальных никелированных рамок с пакетами для активной массы. Благодаря такой конструкции активная масса прочно удерживается в пластинах и не выпадает при толчках.

В кадмиево-никелевом КН аккумуляторе ак­тивным веществом положительного электрода служат окислы никеля, смешанные для увеличения электропроводности с графи­том; активным веществом отрицательного электрода является губчатый металлический кадмий Cd. При разряде на положи­тельном электроде расходуется часть активного кислорода, со­держащегося в окислах никеля, а на отрицательном электроде окисляется металлический кадмий. При заряде обратно обога­щается кислородом положительный электрод: гидрат закиси никеля Ni(OH) 2 переходит в гидрат окиси никеля Ni(OH) 3. На отрицательном электроде гидрат закиси кадмия восстанавли­вается в чистый кадмий. Приближенно процесс в этом аккумуля­торе может быть выражен химической формулой:

2Ni (ОН) 3 + 2КОН + Cd ? ? 2Ni (ОН) 2 + 2КОН + Cd (ОН) 2 .

Как показывает формула, из электролита при разряде выде­ляется частица (ОН) 2 на отрицательной пластине и такая же частица переходит в электролит на положительной пластине. При заряде процесс идет в обратном направлении, но в обоих случаях электролит не изменяется.

Устройство железо-никелевого аккумулятора отличается лишь тем, что в нем в отрицательных пластинах кадмий заменен мелким порошком железа (Fe). Химический процесс этого аккумулятора можно просле­дить по вышеприведенному для кадмиево-никелевого аккумуля­тора уравнению путем замены Cd на Fe.

Применение железа вместо кадмия удешевляет аккумуля­тор, делает его более прочным механически и увеличивает срок его службы. Но с другой сторо­ны, у железо-никелевого акку­мулятора при том же примерно разрядном напряжении зарядное напряжение на 0,2 В выше, вследствие чего КПД этого аккумулятора ни­же, чем кадмиево-никелевого. Затем очень важным недостат­ком железо-никелевого аккуму­лятора является относительно быстрый саморазряд. У кадмиево-никелевого аккумулятора саморазряд мал, и поэтому ему отдается предпочтение в тех случаях, когда аккумулятор должен длительно находиться в заряженном со­стоянии, например для питания радиоустановок. Среднее разрядное напряже­ние обоих этих аккумуляторов равно 1,2 В.

Герметически закрытые сосуды вышеописанных щелочных аккумуляторов выполняются из листовой никелированной стали. Болты, через которые пласти­ны аккумуляторов соединяются с внешней целью, пропускаются через отвер­стия в крышке сосуда, причем болт, с которым соединены отрицательные пла­стины, тщательно изолирован от стального корпуса; но болт, соединенный с положительными пластинами, от корпуса не изолируется.

Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов значи­тельно больше, чем кислотных, благодаря этому они лучше пере­носят короткие замыкания. Но по той же причине КПД щелоч­ных аккумуляторов (порядка 45%) значительно ниже, чем кис­лотных, также существенно меньше их удельная энергия и отда­ча по емкости (0,65). Так как состояние электролита у щелочных аккумуляторов при работе не изменяется, то определить их степень заряженности по внешним признакам нельзя. Вследствие чего за зарядом приходится следить на основании их емкости и напряжения. При заряде нужно сообщить аккумулятору количество электричества It=q значительно большее, чем его емкость, примерно в 1,5 раза. Например, аккумулятор емкостью 100 а-ч желательно заряжать током силой в 10 а в течение 15 час.

Серебряно-цинковые аккумуляторы являются новей­шими из числа современных аккумуляторов. Электролитом в них служит вод­ный раствор едкого калия КОН с удельным весом 1,4, с активным веществом положительного электрода (окисью серебра Ag 2 0) и отрицательного электро­да (цинком Zn). Электроды изготавливаются в виде пористых пластин и отделяют­ся друг от друга пленочной перегородкой.

При разряде аккумулятора окись серебра восстанавливается до металли­ческого серебра, а металлический цинк окисляется до окиси цинка ZnO. Об­ратный процесс происходит при заряде аккумулятора. Основная химическая реакция выражается формулой

Ag s O + КОН + Zn ? ? 2Ag + КОН + ZnO.

http://сайт/www.youtube.com/watch?v=0jbnDTRtywE
Устойчивое разрядное напряжение составляет около 1,5 В. При небольших токах разряда это напряжение почти не изменяется в течение примерно 75- 80% времени работы аккумулятора. Затем оно довольно быстро падает, и при напряжении 1 в разряд следует прекращать.

Внутреннее сопротивление серебряно-цинковых аккумуляторов сущест­венно меньше, чем остальных щелочных аккумуляторов. При равной емкости первые значительно легче. Они удовлетворительно работают как при пониженной (-50° С), так и при повышенной (+ 75° С) температурах. Наконец, они допускают большие разрядные токи. Например, некоторые типы таких акку­муляторов можно разогреть током короткого замыкания в течение одной минуты.

Выше изложены только основные сведения по аккумуляторам. При практической работе с аккумуляторами, в особенности со свинцовыми, необходимо тщательно выполнять соответствующие заводские инструкции. Нарушение их вызывает быстрое разрушение аккумуляторов.

Свинцово-кислотный аккумулятор — это наиболее распространённый на данный момент тип источника энергии в автомобиле. Он был изобретён в далёком 1859 году и до сих пор устанавливается на большинстве машин, конечно же, есть и альтернативы, но они пользуются меньшей популярностью у автопроизводителей.

Немного истории

Авторство данного устройства принадлежит французу Гастону Планте. Именно он в 1859 году создал первый рабочий прототип. Конструкция устройства не представляла собой что-то слишком сложное. Электроды делались из листового свинца. В качестве разделителя использовался сепаратор из простого полотна. Он сворачивался в спираль, после чего помещался в колбу, в которой был раствор серной кислоты.

Внимание! Учёный использовал десятипроцентный раствор серной кислоты.

К сожалению, устройство обладало слишком малой ёмкостью, которая легко объясняется излишним примитивизмом конструкции. Чтобы её немного увеличить ученый множество раз заряжал и разряжал свинцово-кислотный аккумулятор.

Чтобы достичь хоть какого-нибудь результата Планте понадобилось два года. Естественно, что подобный недостаток был слишком существенным. Неудивительно, что свинцово-кислотные аккумуляторы тогда не получили большого распространения. Главный дефект крылся в конструкции пластин.

Конечно же, учёный свет не остановился на достигнутом. Совершенствование конструкции свинцово-кислотного аккумулятора только начиналось. Большой прорыв в этом деле совершил К. Фор. Он предложил инновационную технологию изготовления электродов.

В 1880 год К. Фор на электроды наносит окись свинца. Результат превосходит все ожидания. Учёному в значительной степени удалось увеличить ёмкость аккумулятора. Идея получила широкое распространение. А уже в 1881 Э. Фолькмар начал использовать вместо обычных электродов специальную решетку. Селлоун пошёл дальше и получил патент на производство решеток, в сплаве которых была сурьма.

Сразу же учёным пришлось столкнуться со следующей проблемой. Не было нормальных зарядных устройств. Чтобы хоть как-то возобновить начальный заряд свинцово-кислотного аккумулятора применялась разработка Бунзена. К сожалению, результат был не очень хорошим.

Внимание! Суть подобной методики заряда сводилась к источнику в виде гальванической батареи. Именно от неё в то время можно было осуществить подзарядку.

Данное положение дел изменили генераторы постоянного тока, которые были дёшевы в производстве. Результат поразил весь мир. В 1890 году свинцово-кислотные аккумуляторы начинают массово выпускаться во всех цивилизованных странах мира. Мало того, все они нашли себе коммерческое применение.

Важно! Настоящим прорывом стал выпуск в 1900 году немецкой компанией Varta свинцово-кислотных аккумуляторов.

Следующая весомая дата в развитии технологии по созданию свинцово-кислотных аккумуляторов приходится уже на 70-е годы XX века. Именно в этот период разрабатываются необслуживаемые аналоги. Их главным отличием от всех предыдущих является то, что они способны работать в любом положении.

На смену жидкому электролиту пришёл гель. Батареи стали полностью герметичными. Для выведения отработанных газов установили специальные клапаны. Кардинально изменилась конструкция пластин. Их основой стал медно-кальциевый сплав. Чтобы добиться ещё большего результата он дополнительно покрывался оксидом свинца. Решётки делались из титана, алюминия и меди.

Все активные вещества нового свинцово-кислотного аккумулятора были расположены в электролите вместе с положительными и отрицательными электродами. Все эти элементы образуют сложную электрохимическую систему.

Всё о свинцово-кислотных аккумуляторах

Подробно о принципе работы

Для начала суммируем всё вышесказанное. Свинцово-кислотные аккумуляторы выступают в роли вторичных источников питания. Они обеспечивают работу электрических устройств за счёт химической реакции, которая происходит в электролите.

Важно! Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют множество циклов зарядки и разрядки.

Свинцовые аккумуляторы могу использоваться многократно. Они являются вторичными источниками тока, работающими за счёт создания химических реакций. При их работе в большом количестве расходуются химические элементы. Но следующая зарядка их восстанавливает.

Химическое вещество, в котором и происходят все реакции состоит из окислителя, электролита и специального восстанавливающего вещества. Роль восстановителя играет отрицательный электрод. Он в процессе токообразующей реакции отдаёт электроны. Как результат проходит процесс окисления. При этом положительный электрод восстанавливается. Он по умолчанию является и окислителем.

Важно! Роль электролита в свинцово-кислотном аккумуляторе играет химическое соединение. Главное к нему требование — хорошая ионная проводимость.

Активные вещества — это жёсткая пористая масса, которая хорошо проводит электричество. Диаметр пор в свинцово-кислотном аккумуляторе составляет 1,5 мкм. Если же речь идёт про PbO2, то у этого вещества аналогичный показатель будет побольше, в районе 5—10 мкм.

Серная кислота в электролите имеет положительные ионы водорода и отрицательные. Когда кислотно-свинцовый аккумулятор лишается накопленного заряда выделяются положительные ионы.

Отрицательные ионы сближаются с положительным электродом. Подобное становится возможным благодаря внешнему замкнутому участку цепи. Здесь же восстанавливаются четырёх- и двухвалентные ионы свинца.

Важно! Положительные ионы соединяются с отрицательными. В результате образуется сернокислый свинец.

Как только свинцово-кислотный аккумулятор подключается к зарядному устройству. Электроны начинают двигаться к отрицательному электроду. В результате нейтрализуются двухвалентные ионы свинца.

В данном процессе выделяется губчатый свинец. Он отдаёт по два электрона, при этом происходит процесс окисления. Апогеем является соединение ионами кислорода. Только после этого образуется PbO2.

Упрощённый принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

В данном устройстве происходит множество химических реакций. Если же опустить химические формулы, то сам процесс будет выглядеть следующим образом: плотность серной кислоты и электролита будет уменьшаться при разряде; во время подзарядки данный показатель будет увеличиваться.

Важно! Положительные электроды расходуют кислоты больше чем отрицательные.

При разрядке электролит увеличивается незначительно. Уменьшение составляет один сантиметр кубический на 1 А·ч. Расход свинца, когда аккумулятор разряжается составляет 3,86 г. Количество других химических элементов также значительно уменьшается. Больше всего уходит сульфата свинца, порядка 12 грамм.

Варианты устройства конструкции

С вышеизложенного материала вам должно быть понятно, что учёные приложили множество усилий, чтобы создать по-настоящему надёжную свинцово-кислотную батарею с большой ёмкостью.

На данный момент в производстве чаще всего используются два варианта конструкции свинцово-кислотной батареи. В первом случае это обычны моноблок. В нём размещены ячейки банок и специальные перемычки между ними.

Электроды погружены в электролит. Данные устройства представляют собой свинцовые решётки. Их полости заполняются пастой. Повышенной плотности удаётся добиться за счёт волокон полипропилена. В качестве альтернативы некоторые производители используются сажу на основе сернокислого бария.

При накладывании на решётки паста прессуется и сушится. Дополнительно она обрабатывается электрохимическими процессами. Подобная конструкция свинцово-кислотной батареи помогает добиться эффективного использования всех активных химических соединений.

Важно! Решётки способствуют равномерного распределению тока.

Второй вариант отличается от первого тем, что батарея помещается в один моноблок. Межэлементные перемычки присутствуют.

Режимы работы

В свинцово-кислотных аккумуляторах в качестве электролита выступает раствор серной кислоты. Положительные пластины также имеют активное вещество — это двуокись свинца, отрицательные содержат свинец РЬ. В зависимости от режима эксплуатации все свинцово-кислотные аккумуляторы можно поделить на такие группы:

1. Буферный режим. В качестве основного источника питания выступает сетевой блок. Основное назначение такого аккумулятора — резервный источник.
2. Циклический режим. Такие аккумуляторы разряжаются после чего происходит зарядка.
3. Смешанный режим — соединение предыдущих двух режимов.

При создании определённого агрегата или для выполнения какой-либо работы выбирается аккумулятор с подходящим для конкретной цели режимом работы.

Как заряжать свинцово-кислотный аккумулятор

Существует множество методов зарядки свинцово-кислотного аккумулятора. Эффективнее всего использовать так называемый I-U. Его суть сводится приблизительно к следующему: вначале вы пускаете постоянные ток, как только необходимое напряжение достигнуто, вашей задачей является его поддержание на заданном уровне.

Очень важно правильно определить величину тока на начальном этапе зарядки. Обычно она указывается на корпусе батареи. Обычно она лежит в диапазоне от 20 до 30 процентов от ёмкости элемента питания. Возьмём конкретный пример. Ёмкость аккумулятора составляет 100 А*ч. В таком случае ток должен быть 25 А.

Важно! Автомобильные производители рекомендуют начинать зарядку с 10 % от ёмкости батареи. Это позволит уберечь свинцово-кислотный аккумулятор от повреждения.

Итоги

Несмотря на год создания, свинцово-кислотные аккумуляторы до сих пор пользуются большой популярностью среди автомобилестроителей. Свойства этих устройств позволяют хранить приличный запас энергии, обеспечивая стабильную работу машины.