Характеристики аккумуляторных батарей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Характеристики аккумуляторных батарей

1. Аккумуляторные батареи в источниках бесперебойного питания

Применение аккумуляторных батарей в ИБП имеет некоторые особенности, что влечет за собой определенные требования к АКБ. Каких-то специальных аккумуляторов, только «для ИБП», не существует, просто определенный класс батарей оказался наиболее пригодным для решения данной задачи, но может быть использован и в других сферах. Этим классом являются свинцово-кислотные АКБ.

1.1 Теоретические основы электрохимических процессов в аккумуляторе

Рассмотрим электрохимические основы работы свинцовых АКБ. Активные вещества аккумулятора сосредоточены в электролите и положительных и отрицательных электродах, а совокупность этих веществ называется электрохимической системой. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях электролитом является раствор серной кислоты (H₂SO₄), активным веществом положительных пластин - двуокись свинца (PbO₂), отрицательных пластин - свинец (Pb).

Основные процессы, проходящие на электродах, описывают реакции:

На отрицательном электроде (серого цвета):

Pb + HSO₄^- > PbSO₄ + H⁺ + 2e ^- (разряд)

PbSO₄ + H⁺ + 2e^- > Pb + HSO4 ^- (заряд)

На положительном электроде (темно-коричневого цвета):

PbO₂ + HSO4^- + 3H⁺ + 2e^- > PbSO₄ + 2H₂O (разряд)

PbSO₄ + 2H₂O > PbO₂ + HSO₄^- + 3H⁺ + 2e ^- (заряд)

Суммарная реакция в свинцовом аккумуляторе имеет вид:

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ > 2PbSO₄ + 2H₂O (разряд)

2PbSO₄ + 2H₂O > PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ (заряд)

Таким образом, при разряде свинцового аккумулятора на обоих электродах формируется малорастворимый сульфат свинца (двойная сульфатация) и происходит сильное разбавление серной кислоты.

Напряжение разомкнутой цепи заряженного аккумулятора равно 2,05-2,15 В. в зависимости от концентрации серной кислоты. При разряде по мере разбавления электролита напряжение разомкнутой цепи аккумулятора понижается и после полного разряда становится равным 1,95-2,03 В.

При заряде свинцово-кислотного аккумулятора, как и в других аккумуляторах с водным электролитом, имеют место побочные реакции выделения газов. Выделение водорода начинается при полном заряжении отрицательного электрода. Кислород начинает выделяться гораздо раньше: в обычных условиях заряда при 50-80% заряженности (в зависимости от тока заряда), а при температуре 0°С уже после заряда на 30-40%. Вследствие этого отдача положительного электрода по емкости составляет 85-90%. Для получения полной разрядной емкости при заряде аккумулятору должен быть обеспечен перезаряд на 10-20%. Этот перезаряд сопровождается существенным выделением водорода на отрицательном электроде и кислорода - на положительном.

Выделение водорода имеет место и при хранении заряженного свинцово-кислотного аккумулятора. Саморазряд его определяется преимущественно скоростью растворения свинца согласно реакции:

Pb + H₂SO₄ > PbSO₄ + H₂

Скорость этого процесса зависит от температуры, объема электролита и его концентрации, но более всего от чистоты компонентов. В отсутствие примесей реакция протекает медленно из-за большого перенапряжения выделения водорода на свинце. Но на практике, на поверхности свинцового электрода всегда много примесей, среди которых наибольшее влияние оказывает сурьма, количество которой в сплаве для решеток и токоведущих деталей доходит до 6%.

На положительном электроде может также самопроизвольно проходить реакция восстановления диоксида свинца:

PbO₂ + H₂SO₄ > PbSO₄ + 1/2O₂ + H₂O

в результате которой выделяется кислород, но скорость ее незначительна.

В процессе эксплуатации саморазряд аккумулятора может увеличиваться из-за образования дендритных мостиков из металлического свинца. Потери емкости свежеизготовленного аккумулятора за счет саморазряда как правило не превышают 2-3% в месяц. Но при эксплуатации они быстро увеличиваются. [1]

1.2 Классификация аккумуляторных батарей для источников бесперебойного питания

На сегодняшний день в ИБП используются свинцовые, железо-никелевые, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые, серно-натриевые, медно-литиевые и иные аккумуляторы. Среди них наибольшее распространение благодаря надежности и относительно невысокой цене получили свинцовые (или свинцово-кислотные) аккумуляторы. Их основным достоинством является стабильность напряжения при изменении тока нагрузки и температуры.

Так как предметом данного исследования являются свинцово-кислотные АКБ рассмотрим их подробную классификацию.

1.2.1 Классификация по конструктивному исполнению

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи до сих пор остаются самыми надежными, долговечными и не требующими высоких эксплуатационных затрат химическими источниками тока. В настоящее время производятся и активно эксплуатируются аккумуляторные батареи трех типов:

Батареи с жидким электролитом

Батареи первого поколения - батареи с жидким электролитом открытого или закрытого типа, имеющие емкость от 36 до 5328 Ач и срок службы от 10 до 20 и более лет. В настоящий момент этот тип батарей практически не используется в ИБП так как эти аккумуляторы выполнены по классической технологии, в качестве электролита в них используется раствор серной кислоты в дистиллированной воде. Его плотность, меняющаяся в процессе разряда и заряда и зависящая от температуры раствора, в значительной мере влияет на технические характеристики аккумулятора. А вследствие выделения газов (водорода и кислорода) при работе и хранении такие аккумуляторы оказывают вредное влияние на людей и аппаратуру. Они наиболее дешевы, но требуют специальных помещений, а также дополнительных затрат на обслуживание.

Батареи открытого типа не имеют крышек, и электролит непосредственно соприкасается с открытым воздухом. Основные затраты при их эксплуатации - это затраты на обслуживание, связанные с необходимостью частой доливки дистиллированной воды, и расходы на содержание хорошо вентилируемых помещений, в которых их устанавливают.

Аккумуляторные батареи с отдельными крышками (рис. 1) собирают в одном многоячеечном корпусе - моноблоке (2), выполненном из эбонита или другой кислотостойкой пластмассы, разделенном перегородками (16) на отдельные камеры-ячейки (банки), по числу аккумуляторов в батарее. В каждую из ячеек помещен блок, состоящий из чередующихся положительных (5) и отрицательных (3) электродов, разделенных сепараторами (4). Он представляет собой отдельный аккумулятор напряжением 2 В. Пространство между дном моноблока и верхними кромками фиксирующих электроды опорных призм (1) служит для накаливания шлама - осадка, образующегося в процессе эксплуатации вследствие оплывания частиц активной массы положительных электродов. Когда объем шламового пространства заполняется, происходит замыкание нижних кромок разноименных электродов и аккумулятор теряет работоспособность.

Рис. 1. Аккумуляторная батарея с отдельными крышками

Электроды состоят из активной массы, нанесенной на токоотвод решетчатой конструкции - решетку. Сепараторы разделяют участвующие в электрохимических превращениях реагенты, а также обеспечивают возможность диффузии электролита от одного электрода к другому. Сторона сепаратора, обращенная к положительному электроду для облегчения доступа электролита к поверхности активной массы, выполнена ребристой.

Борн (8), который служит наружным токоотводом аккумулятора, последовательно соединяет соседние аккумуляторы между собой в батарею. К выводным борнам крайних аккумуляторов батареи привариваются полюсные выводы (9) и (14), служащие для соединения батареи с внешней электрической цепью. Положительный (9) и отрицательный (14) выводы имеют разный диаметр, что позволяет исключить возможность переполюсовки.

В верхней части электродного блока устанавливают щиток (7), предохраняющий верхние кромки сепараторов (4) от повреждения при замерах уровня и плотности электролита.

Каждый аккумулятор после установки электродного блока в камеру-ячейку моноблока закрывают сверху отдельной пластмассовой или эбонитовой крышкой (15). В ней выполняют по два отверстия с втулками для выводных борнов электродного блока. Между ними расположено резьбовое отверстие для заливки электролита и периодического обслуживания аккумулятора в процессе эксплуатации. После заливки электролита резьбовое отверстие закрывают пробкой из полиэтилена (11), имеющей небольшое вентиляционное отверстие (13), предназначенное для выхода газов при эксплуатации.

Благодаря специфическим свойствам термопластичной пластмассы появились аккумуляторные батареи с общей крышкой в моноблоке из сополимера пропилена с этиленом, устройство которых показано на рис. 2.

Батареи закрытого типа имеют специальные пробки, обеспечивающие задержку аэрозоли серной кислоты. Пробки для заливки электролита и добавления воды при эксплуатации вывинчиваются. Батареи закрытого типа могут быть и необслуживаемыми: от производителя они поставляются залитыми и заряженными, и в течение срока службы нет необходимости доливки воды, т.к. конструкция пробок таких батарей обеспечивает удержание ее паров в виде конденсата. Кроме использования в качестве стационарных, батареи закрытого типа являются основным типом батарей, используемых в автотракторной технике в качестве стартерных и тяговых.

В моноблоке (1) установлены электродные блоки, состоящие из разноименных электродов (2) и (3), разделенных сепараторами (4). Эти блоки соединены между собой при помощи укороченных межэлементных соединений (6) через отверстия в перегородках (5) моноблока. Крышка (7) сделана единой на все шесть аккумуляторов батареи. Свойства термопластичной пластмассы позволили применить для герметизации АКБ с общей крышкой метод контактно-тепловой сварки, обеспечивающий сохранение герметичности как по периметру, так и между отдельными аккумуляторами в широком диапазоне температур (от ?50°C до 70°C).

Недостатки традиционных свинцовых батарей обусловлены тем, что содержащаяся в сплаве положительных токоотводов сурьма постепенно, по мере их коррозии, через раствор переходит на поверхность отрицательного электрода. Осаждение большого количества сурьмы на поверхности отрицательной активной массы снижает напряжение на электродах батареи, при котором начинается разложение воды на водород и кислород. Поэтому, в конце зарядного процесса и при небольшом перезаряде, происходит бурное газовыделение, сопровождающееся «кипением» электролита вследствие электролитического разложения входящей в него воды. [2]

Рис. 2. Аккумуляторная батарея с общей крышкой

Гелевые аккумуляторные батареи

Батареи второго поколения, которыми являются герметизированные гелевые батареи. В них 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.

Здесь электролит (это двуокись кремния SiO2 - силикагель) при помощи специальных присадок доводится до гелеобразного состояния. Для этого, еще в жидком виде, электролит в заводских условиях разливается в корпуса, где в течение нескольких суток застывает. В нем образуются микропоры, необходимые для рекомбинации газов. Структура материала (а также уровень электролита) хорошо видна, если АБ выполнена в прозрачном корпусе (рис. 3). А для малообслуживаемого аккумулятора прозрачный корпус - еще более удобное решение.

Рис. 3. Внешний вид гелевой батареи Netion в прозрачном корпусе

Нужно отметить, что гелевые батареи были созданы прежде всего для военных нужд, ведь они в состоянии выдержать значительные перегрузки (незаменимое качество в авиации), а также вырабатывать ток даже при частичном повреждении корпуса при попадании осколков, пуль.

Гелевые аккумуляторы имеют ряд преимуществ, таких как:

· Полное восстановление из состояния глубокого разряда, даже в том случае, когда к процессу заряда не приступили немедленно после разряда батареи;

· Надежность при эксплуатации в режиме циклирования;

· Хорошая устойчивость в условиях высоких температур;

· Пониженный саморазряд;

· Использование сверхустойчивого полимерного сепаратора со стекловолокном для повышения эксплуатационных качеств.

AGM - технология

Батареи третьего поколения - это герметизированные батареи с абсорбированным сепараторами электролитом.

В 80_х годах 20 века инженеры мирового лидера аккумуляторных технологий Johnson Controls Inc. представили всему автомобильному сообществу революционную технологию производства аккумуляторных батарей - технологию Absorptive Glass Mat (AGM). По смыслу это переводится как Поглощающее Стекловолокно. Но первыми инновационный продукт получили конечно же военные. С 1985 года и по сей день аккумуляторными батареями с технологией AGM комплектуются такие экстремальные транспортные средства, как бомбардировщик B_2 и истребитель F_18.

Аббревиатура AGM (Absorption Glass Matt) буквально означает абсорбирующий стеклянный наполнитель. В данном типе аккумуляторов положительный и отрицательный электроды разделены стекловолоконным наполнителем (наподобие стекловаты), которая играет роль сорбента раствора серной кислоты. В стекловате электролит удерживается при помощи капиллярных свойств жидкости. Это, пожалуй, единственное конструктивное отличие аккумуляторных батарей AGM и GEL. Конструкция аккумулятора с использованием технологии AGM представлена на рис. 4.

Аккумуляторы, производимые с использованием технологии AGM, изготавливаются в спиральной или плоской конфигурации. Серия продукции со спиральной конструкцией блоков производится в основном в Северной Америке, а с плоской конфигурацией электродов - и в Северной Америке и в Европе. В настоящий момент наиболее распространены аккумуляторы AGM для ИБП с плоской конфигурацией электродов.

Рис. 4. Конструкция аккумулятора с использованием технологии AGM

На химическом же уровне уникальность аккумуляторов AGM заключается в рекомбинирующих свойствах аккумуляторов AGM. При протекании химических реакций внутри любого аккумулятора образуются газы, состоящие в основном из водорода и кислорода, из молекул которых состоит вода. В соответствии с основами электрохимии потенциал перенапряжения по кислороду ниже потенциала перенапряжения по водороду. Поэтому при напряжениях подзаряда и заряда, установленных изготовителем для герметизированных аккумуляторов, основным газом, образующимся в этих аккумуляторах, является кислород, образующийся в результате разложения воды на положительных электродах. Для его связывания на отрицательных электродах аккумуляторов обратно в воду необходимо наличие путей в разделяющей электроды сепарации, позволяющих ему свободно перемещаться. Для этого в аккумуляторах с абсорбированным электролитом количество последнего ограничивается таким образом, чтобы примерно 15% пор сепарации было свободно от электролита. [3] Образовавшиеся газы заполняют микропоры и участвуют в химических процессах, которые протекают во время зарядки аккумулятора и в виде воды смешиваются с электролитом. Этот химический процесс разделения и смешивания и называется рекомбинацией см. рис. 5.

Рис. 5. Процесс рекомбинирования газов в AGM аккумуляторе в стекловолоконном сепараторе при зарядке

В современных аккумуляторах процесс практически полной рекомбинации доведен до 96-98%. Это говорит о практически ничтожном изменении химических свойств электролита на протяжении длительного времени и незначительных количествах свободного газа, давление которого внутри аккумуляторной батареи регулируется специальным клапаном. Этот клапан также является гарантом безопасности аккумуляторной батареи срабатывая при возникновении нештатной ситуации. [4]

Исключительно низкое электрическое сопротивление всей конструкции аккумулятора AGM позволяет выдавать единовременно значительно более высокую мощность и переживать большее количество циклов разряд-заряд.

1.2.2 Классификация по виду электродов свинцовой аккумуляторной батареи

Традиционные свинцовые аккумуляторные батареи

Электроды свинцовой аккумуляторной батареи выполнены из свинца с содержанием более 5% сурьмы. Корпус свинцовой аккумуляторной батареи - черный пластмассовый или эбонитовый, верхняя часть батареи залита смолой. Единственное преимущество таких батарей - высокая ремонтопригодность. В настоящее время для потребительских целей не выпускаются.

Малосурьмянистые аккумуляторные батареи.

Положительные и отрицательные электроды малосурьмянистых аккумуляторных батарей выполнены из свинцовых сплавов с пониженным до 2,5-3,0% содержанием сурьмы. В некоторых публикациях малосурьмянистые аккумуляторные батареи иногда называют «мало-обслуживаемыми»; у них расход воды и саморазряд гораздо меньше, чем у традиционных батарей, но в 2-3 раза выше, чем у батарей с кальциевыми токоотводами.

Недостатки малосурьмянистых аккумуляторных батареи - большой расход воды и саморазряд.

Достоинства малосурьмянистых аккумуляторных батарей - относительная устойчивость к глубоким разрядам, низкая цена. [5]

Гибридные аккумуляторные батареи

Гибридные аккумуляторные батареи системы «кальций плюс» (гибридные) с содержанием до 1,5-1,8% сурьмы и 1,4-1,6% кадмия в положительном токоотводе и свинцово-кальциевым отрицательным токоотводом. Характеристики гибридные аккумуляторные батареи по расходу воды и саморазряду вдвое лучше, чем у малосурьмянистых.

Кальциевые аккумуляторные батареи

Первоначально кальциевые аккумуляторные батареи начали выпускать в США на базе свинцово-кальциевого сплава (0,07-0,1% Са) для токоотводов положительного и отрицательного электродов. Кальциевые аккумуляторные батареи значительно снизили газовыделение, что обеспечило эксплуатацию аккумуляторов без доливки воды в течение как минимум двух лет.

Достоинства кальциевых аккумуляторных батарей - снижение саморазряда на 30% и расхода воды на 80% по сравнению с малосурьмянистыми.

Недостатки кальциевых аккумуляторных батарей - неустойчивость к глубоким разрядам.

Кальциевые и гибридные аккумуляторы в гораздо меньшей степени подвержены выкипаемости еще и потому, что состав их свинца обеспечивает свойства своеобразной «самовыключаемости» - они перестают принимать ток, когда заряжены на 95-97%.

Серебряно-кальциевые аккумуляторные батареи

В конце 90_х годов и в США, и в Западной Европе началось производство батарей с токоотводами из свинцово-кальциевого сплава с добавкой новых легирующих компонентов, в том числе серебра, которые не боятся глубоких разрядов. Добавление серебра также повышает коррозионную стойкость решеток.

Расход воды у серебряно-кальциевых батарей в стандартных режимах так мал, что конструкторы убрали из крышек отверстия для доливки воды. Такие батареи в рекламных публикациях иногда называют абсолютно (полностью) необслуживаемыми. В этих батареях исключена возможность контроля плотности электролита и долива воды в процессе эксплуатации.

Достоинства - устойчивость к глубоким разрядам при сохранении параметров кальциевых батарей по саморазряду и расходу воды

Недостатки - высокая цена и, как правило, невозможность обслуживания (контроля и коррекции уровня электролита).

Заявленные характеристики этих батарей гарантируются только при исправном состоянии электрооборудования и соблюдении условий эксплуатации, указанных производителем в инструкции по эксплуатации этих батарей. [6]

1.3 Достоинства и недостатки конструкции АКБ

Конструкция батарей различных фирм, их выпускающих, может иметь свои особенности, например, особую конструкцию сепараторов или решеток или применение специфических добавок при изготовлении пластин. Часто при обозначении типа аккумуляторной батареи указывают ее маркировку, которая определяется конструкцией положительных пластин.

Правильный подбор металлов, химикатов и добавок помогает достичь компромисса и баланса между высокой энергетической плотностью, длительностью срока хранения, увеличением срока службы и безопасностью при эксплуатации. Высокой энергетической плотности можно достичь сравнительно легко, например, добавив вместо кобальта никель. Емкость батареи при этом возрастет, снизится ее стоимость, но при этом ухудшится и безопасность ее эксплуатации. Начинающие свой бизнес компании могут во главу угла поставить максимально возможную емкость выпускаемых батарей, пренебрегая всем остальным. Но производители с высокой репутацией на рынке, такие, как EXIDE, FIAMM, HOPPECKE, Panasonic, Varta и другие, на первое место всегда ставят безопасность своей продукции и продают только безопасные и надежные аккумуляторные батареи.

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.

Способность сохранять заряд у этих батарей наилучшая из всех типов аккумуляторных батарей. Если никель-кадмиевые батареи в течение трех месяцев теряют 40% сохраненной энергии, то свинцово-кислотные батареи теряют 40% энергии только 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, но может увеличен с возрастом аккумулятора. 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 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.

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.

Существует несколько способов увеличения емкости и срока службы свинцово-кислотных батарей. Оптимальная рабочая температура для таких батарей составляет 25°С, и ее увеличение на каждые 10°С сокращает срок службы батареи наполовину. Например, VRLA батарея при температуре 25°С может работать 10 лет, а при температуре 33°С - только 5 лет, ну а при температуре 42°С - всего лишь 1 год.

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 аккумуляторными 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 аккумуляторных батарей ограничивает их применение в стационарных и подвижных объектах;

* допустимо лишь ограниченное количество циклов полного разряда;

* кислотный электролит и свинец оказывают вредное воздействие на окружающую среду;

* при неправильном заряде возможен перегрев. Свинцово-кислотные батареи имеют настолько низкую энергетическую плотность по сравнению с другими типами батарей, что это делает нецелесообразным использование их в качестве источников питания переносных устройств. Хотя примеры их применения в портативной электронной технике есть. Кроме того, при низких температурах их емкость существенно снижается. [7]

1.4. Основные технические характеристики АКБ. Напряжение аккумулятора при заряде и разряде

Разность потенциалов на полюсных выводах аккумулятора(батареи) в процессе заряда или разряда при наличии тока во внешней цепи принято называть напряжением аккумулятора (батареи). Наличие внутреннего сопротивления аккумулятора приводит к тому, что его напряжение при разряде всегда меньше ЭДС, а при заряде - всегда больше ЭДС.

При заряде аккумулятора на его выводах напряжение должно быть больше его ЭДС на сумму внутренних потерь.

В начале заряда происходит скачок на величину напряжения омических потерь внутри аккумулятора, а затем резкое повышение за счет напряжения потенциала поляризации, вызванное в основном быстрым увеличением плотности электролита в порах активной массы. Далее происходит медленный рост напряжения, обусловленный главным образом ростом ЭДС аккумулятора вследствие увеличения плотности электролита.

После того, как основное количество сульфата свинца преобразуется в РЬО2 и РЬ, затраты энергии все в большей мере вызывают разложение воды (электролиз) Избыточное количество ионов водорода и кислорода, появляющееся в электролите, еще больше увеличивает разность потенциалов разноименных электродов. Это приводит к быстрому росту зарядного напряжения, вызывающему ускорение процесса разложения воды. Образующиеся при этом ионы водорода и кислорода не вступают во взаимодействие с активными материалами. Они рекомбинируют в нейтральные молекулы и выделяются из электролита в виде пузырьков газа (на положительном электроде выделяется кислород, на отрицательном - водород), вызывая «кипение» электролита.

Если продолжить процесс заряда, можно увидеть, что рост плотности электролита и зарядного напряжение практически прекращается, так как уже почти весь сульфат свинца прореагировал, и вся подводимая к аккумулятору энергия теперь расходуется только на протекание побочного процесса - электролитическое разложение воды. Этим объясняется и постоянство зарядного напряжения, которое служит одним из признаков окончания зарядного процесса.

После прекращения заряда, то есть отключения внешнего источника напряжения на выводах аккумулятора резко снижается до значения его неравновесной ЭДС, или на величину омических внутренних потерь. Затем происходит постепенное снижение ЭДС (вследствие уменьшения плотности электролита в порах активной массы), которое продолжается до полного выравнивания концентрации электролита в объеме аккумулятора и порах активной массы, что соответствует установлению равновесной ЭДС.

При разряде напряжение аккумулятора на его выводах меньше ЭДС на величину внутреннего падения напряжения.

В начале разряда напряжение резко падает на величину омических потерь и поляризации, обусловленной снижением концентрации электролита в порах активной массы, то есть концентрационной поляризации. Далее при установившемся (стационарном) процессе разряда происходит снижение плотности электролита в объеме аккумулятора, обусловливающее постепенное снижение разрядного напряжения. Одновременно происходит изменение соотношения содержания сульфата свинца в активной массе, что также вызывает повышение омических потерь. При этом частицы сульфата свинца (имеющего примерно втрое больший объем в сравнении с частицами свинца и его двуокиси, из которых они образовались) закрывают поры активной массы, чем препятствуют прохождению электролита в глубину электродов.

Это вызывает усиление концентрационной поляризации, приводящее к более быстрому снижению разрядного напряжения.

При прекращении разряда напряжение на выводах аккумулятора быстро повышается на величину омических потерь, достигая значения неравновесной ЭДС. Дальнейшее изменение ЭДС вследствие выравнивания концентрации электролита в порах активных масс и в объеме аккумулятора приводит к постепенному установлению значения равновесной ЭДС.

Напряжение аккумулятора при его разряде определяется в основном температурой электролита и силой разрядного тока. Как сказано выше, сопротивление свинцового аккумулятора (батареи) незначительно и в заряженном состоянии составляет всего несколько миллиОм. Однако при токах стартерного разряда, сила которых в 4-7 раз превышает значение номинальной емкости, внутреннее падение напряжения оказывает существенное влияние на разрядное напряжение. Увеличение омических потерь с понижением температуры связано с ростом сопротивления электролита. Кроме того, резко возрастает вязкость электролита, что затрудняет процесс диффузии его в поры активной массы и повышает концентрационную поляризацию (то есть увеличивает потери напряжения внутри аккумулятора за счет снижения концентрации электролита в порах электродов).

При токе более 60 А зависимость напряжения разряда от силы тока является практически линейной при всех температурах.

Среднее значение напряжения аккумулятора при заряде и разряде определяют как среднее арифметическое значений напряжения, измеренных через равные промежутки времени.

Электрическая емкость

Электрическая емкость - характеризует количество электричества, которое способна отдать аккумуляторная батарея при длительном режиме разряда. Электрическая емкость батареи определяется либо при 20_часовом разряде, либо в режиме резервной емкости.

Номинальная электрическая емкость Cn - емкость 20_часового разряда аккумуляторной батареи. Именно ее пока регламентируют в большинстве нормативных документов европейских производителей, в российском ГОСТ 959-2002, вступившем в действие с июля 2003 года, и указывают на этикетке аккумуляторной батареи. номинальной разрядной емкостью С₂₀, гарантируемой фирмой изготовителем, считается емкость 20 часового режима разряда. Разряд батарей при испытании на емкость 20 часового режима разряда проводят то ком I_P = 0,05*С₂₀ при температуре +25°С до конечного разрядного напряжения 10,5 В у 12_ти вольтной батареи (1,75 В на аккумулятор). Например, для аккумуляторной батареи емкостью 60 А/ч ток разряда составляет 3 А, а для аккумулятора, емкостью 90 А/ч - 4,5 А. При определении номинальной емкости разряд прекращается при напряжении 10,5 В на 12_вольтовой батарее.

Резервная емкость(Rc) - это запас емкости аккумулятора, измеренный в минутах при разряде током в 25 А для батарей любой емкости при температуре 27°С. Она приблизительно соответствует времени движения автомобиля при выходе из строя его генератора. Для аккумулятора номинальной емкостью 55 А/ч резервная емкость составляет 85-90 мин. Это значит, что при выходе из строя генератора, автомобиль сможет двигаться еще примерно 1,5 часа за счет энергии аккумулятора, полностью заряженной на момент поломки. Приблизительно Rc = 1,63 Сn.

Внутреннее сопротивление аккумулятора

Сопротивление, оказываемое аккумулятором протекающему внутри него току (зарядному или разрядному), принято называть внутренним сопротивлением аккумулятора.

Сопротивление активных материалов положительного и отрицательного электродов, а также сопротивление электролита изменяются в зависимости от степени заряженности аккумулятора. Кроме того, сопротивление электролита весьма существенно зависит от температуры.

Поэтому омическое сопротивление также зависит от степени заряженности батареи и температуры электролита.

Сопротивление поляризации зависит от силы разрядного (зарядного) тока и температуры и не подчиняется закону Ома.

Внутреннее сопротивление одного аккумулятора и даже аккумуляторной батареи, состоящей из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов, незначительно и составляет в заряженном состоянии всего несколько тысячных долей Ома. Однако в процессе разряда оно существенно изменяется.

Электрическая проводимость активных масс уменьшается для положительного электрода примерно в 20 раз, а для отрицательного - в 10 раз. Электропроводность электролита также изменяется в зависимости от его плотности. При увеличении плотности электролита от 1,00 до 1,70 г./см? его электропроводность сначала растет до его максимального значения, а затем вновь уменьшается.

По мере разряда аккумулятора плотность электролита снижается от 1,28 г./см? до 1,09 г./см?, что приводит к снижению его электропроводности почти в 2,5 раза. В результате омическое сопротивление аккумулятора по мере разряда увеличивается. В разряженном состоянии сопротивление достигает значения, более чем в 2 раза превышающего его величину в заряженном состоянии.

Кроме состояния заряженности существенное влияние на сопротивление аккумуляторов оказывает температура. С понижением температуры удельное сопротивление электролита возрастает и при температуре -40°С становится примерно в 8 раз больше, чем при +30°С. Сопротивление сепараторов также резко возрастает с понижением температуры и в том же интервале температуры увеличивается почти в 4 раза. Это является определяющим фактором увеличения внутреннего сопротивления аккумуляторов при низких температурах.

В современных технологиях используется обратная величина, которая называется проводимостью.

Проводимость (S) = 1 / Сопротивление (R)

Ток утечки

Этот параметр присутствует в аккумуляторе любого типа. Бывает внутренним и внешним.

Внешний ток утечки определяется прежде всего качеством цепей, подключенных к батарее (отсутствием паразитных потребителей в этих цепях) и чистотой поверхности батареи.

Внутренний ток утечки невелик и для современной батареи 100Ач составляет около 1 мА (примерно эквивалентно потери 1% емкости в месяц) Его величина определяется чистотой электролита, особенно степенью загрязненности его солями металлов. [8]

Саморазряд аккумулятора

Саморазрядом называют снижение емкости аккумуляторов при разомкнутой внешней цепи, то есть при бездействии. Это явление вызвано окислительно-восстановительными процессами, самопроизвольно протекающими как на отрицательном, так и на положительном электродах. Саморазряду особенно подвержен отрицательный электрод вследствие самопроизвольного растворения свинца (отрицательной активной массы) в растворе серной кислоты. Саморазряд отрицательного электрода сопровождается выделением газообразного водорода. Скорость самопроизвольного растворения свинца существенно возрастает с повышением концентрации электролита. Повышение плотности электролита с 1,27 до 1,32 г/см? приводит к росту скорости саморазряда отрицательного электрода на 40%. Наличие примесей различных металлов на поверхности отрицательного электрода оказывает весьма значительное влияние (каталитическое) на увеличение скорости саморастворения свинца (вследствие снижения перенапряжения выделения водорода). Практически все металлы, встречающиеся в виде примесей в аккумуляторном сырье, электролите и сепараторах, или вводимые в виде специальных добавок, способствуют повышению саморазряда. Попадая на поверхность отрицательного электрода, они облегчают условия выделения водорода. Часть примесей (соли металлов с переменной валентностью) действуют как переносчики зарядов с одного электрода на другой. В этом случае ионы металлов восстанавливаются на отрицательном электроде и окисляются на положительном (такой механизм саморазряда приписывают ионам железа). Саморазряд положительного активного материала обусловлен протеканием реакции.

2РЬО2 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + О2

Скорость данной реакции также возрастает с ростом концентрации электролита.

Так как реакция протекает с выделением кислорода, то скорость ее в значительной степени определяется кислородным перенапряжением. Поэтому добавки, снижающие потенциал выделения кислорода (например, сурьма, кобальт, серебро), будут способствовать росту скорости реакции саморастворения двуокиси свинца. Скорость саморазряда положительного активного материала в несколько раз ниже скорости саморазряда отрицательного активного материала.

Другой причиной саморазряда положительного электрода является разность потенциалов материала токоотвода и активной массы этого электрода. Возникающий вследствие этой разности потенциалов гальванический микроэлемент превращает при протекании тока свинец токоотвода и двуокись свинца положительной активной массы в сульфат свинца. Саморазряд может возникать также, когда аккумулятор снаружи загрязнен или залит электролитом, водой или другими жидкостями, которые создают возможность разряда через электропроводную пленку, находящуюся между полюсными выводами аккумулятора или его перемычками. Этот вид саморазряда не отличается от обычного разряда очень малыми токами при замкнутой внешней цепи и легко устраним. Для этого необходимо содержать поверхность батарей в чистоте. Саморазряд батарей в значительной мере зависит от температуры электролита. С понижением температуры саморазряд уменьшается. При температуре ниже 0°С у новых батарей он практически прекращается. Поэтому хранение батарей рекомендуется в заряженном состоянии при низких температурах (до -30°С). В процессе эксплуатации саморазряд не остается постоянным и резко усиливается к концу срока службы. Снижение саморазряда возможно за счет повышения перенапряжения выделений кислорода и водорода на аккумуляторных электродах. Для этого необходимо, во-первых, использовать возможно более чистые материалы для производства аккумуляторов, уменьшать количественное содержание легирующих элементов в аккумуляторных сплавах, использовать только чистую серную кислоту и дистиллированную (или близкую к ней по чистоте при других методах очистки) воду для приготовления всех электролитов, как при производстве, так и при эксплуатации. Например, благодаря снижению содержания сурьмы в сплаве токоотводов с 5% до 2% и использованию дистиллированной воды для всех технологических электролитов, среднесуточный саморазряд снижается в 4 раза. Замена сурьмы на кальций позволяет еще больше снизить скорость саморазряда. Снижению саморазряда могут также способствовать добавки органических веществ - ингибиторов саморазряда. Применение общей крышки и скрытых межэлементных соединений в значительной степени снижает скорость саморазряда от токов утечки, так как значительно снижается вероятность гальванической связи между далеко отстоящими полюсными выводами.

Иногда саморазрядом называют быструю потерю емкости вследствие короткого замыкания внутри аккумулятора. Такое явление объясняется прямым разрядом через токопроводящие мостики, образовавшиеся между разноименными электродами.

Применение сепараторов-конвертов в необслуживаемых аккумуляторах исключает возможность образования коротких замыканий между разноименными электродами в процессе эксплуатации. Однако такая вероятность остается вследствие возможных сбоев в работе оборудования при массовом производстве. Обычно такой дефект выявляется в первые месяцы эксплуатации и батарея подлежит замене по гарантии. Обычно степень саморазряда выражают в процентах потери емкости за установленный период времени. Действующими в настоящее время стандартами саморазряд характеризуется также напряжением стартерного разряда при -18°С после испытания: бездействия в течение 21 суток при температуре +40°С. [9]

1.5 Источники бесперебойного питания

Источники бесперебойного питания, согласно действующим стандартам, классифицируют по принципу действия на три основные группы:

1) Off-Line/Stand-By/back-up UPS;

2) Line-Interactive;

3) On-Line.

Рассмотрим подробнее, что из себя представляет каждая из этих групп:

Источники бесперебойного питания типа Off-Line

Источники бесперебойного питания типа Off-Line стандартом определяются как пассивные, резервного действия (UPS-PSO). В нормальном режиме функционирования штатным питанием нагрузки является отфильтрованное напряжение первичной сети при допустимых отклонениях входного напряжения и частоты. В случаи, когда параметры входного напряжения выходят за значения настроенных диапазонов, включается инвертор источника бесперебойного питания, обеспечивающий непрерывность питания нагрузки. Инвертор питается от аккумуляторов.

Это наиболее простые ИБП (рис. 6), а значит и самые дешевые. Источник бесперебойного питания состоит из двух параллельных ветвей:

* фильтр-нагрузка;

* выпрямитель-батарея-инвертор-нагрузка.

Рис. 6. Схем источника бесперебойного питания Stand-By типа

При нормальных характеристиках сети, напряжение в нагрузку поступает через фильтр, фильтрующий всевозможные помехи. Это, обычно, фильтр-ограничитель, хотя может быть и фильтр-стабилизатор либо их сочетание, а также статический переключатель.

Одновременно через выпрямитель подзаряжаются и аккумуляторы аккумуляторной батареи. При пропадании, завышении либо понижении входного напряжения, питание нагрузки электронным переключателем меняется на батарейное через инвертор (инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное). Переключатель обеспечивает время переключения от 2 до 15 мс. Отметим, что пропадание электроэнергии в ходе этого времени не оказывает сколь-нибудь заметного влияния на компьютерные системы, которые спокойно переносят отключение питания на 10-20 мс. Учитывая, что почти у всей современной аппаратуры блоки питания импульсные, переключение совершается незаметно для пользователя. Источники бесперебойного питания такого типа могут поддержать работу персонального компьютера в ходе 5-10 мин.

Основные недостатки ИБП Off-Line

Главными недостатками ИБП off-line считают:

* плохая работа источников питания этого типа в сетях с низким качеством электрической сети: плохая защита от провалов напряжения, превышений допустимого значения напряжения, изменений частоты и формы входного напряжения;

* невозможность своевременного восстановления емкости аккумуляторов при частых переключениях на батарейное питание;

* несинусоидальное выходное напряжение при питании от аккумуляторной батареи.

Итак, основное рекомендуемое использование источников бесперебойного питания off-line типа - устройство защиты нагрузки с импульсным блоком питания с редкими отклонениями в питающей сети.

Источники бесперебойного питания типа Line-Interactive

В источниках бесперебойного питания линейно-интерактивного типа (Line-Interactive, иногда Ferroresonant) сочетаются преимущества типа On-line с надежностью и эффективностью резервных (standby). В источниках бесперебойного питания этого типа в отличие от технологии Off-line в прямую цепь включен ступенчатый автоматический регулятор напряжения, построенный на основе автотрансформатора (трансформатор с переключающимися обмотками). В некоторых моделях применяется сетевой стабилизатор напряжения.

Инвертор связан с нагрузкой. При работе он питает нагрузку параллельно стабилизированному (conditioned) переменному напряжению сети. Нагрузка подключается полностью лишь в том случае, когда входное напряжение электросети пропадает.

Рис. 7. Схем источника бесперебойного питания Line-Interactive типа

Из-за такого взаимодействия («interaction») со входным сетевым напряжением данная архитектура и получила свое название. В определенном диапазоне изменения сетевого напряжения, выходное напряжение поддерживается в заданных границах за счет переключения обмоток трансформатора либо стабилизатором. Инвертор как правило работает при низком напряжении, регулирует выходное напряжение и подзарядку аккумуляторов до тех пор, пока не потребуется его включение для полного питания нагрузки при перебоях в электросети. Линейно-интерактивные источники бесперебойного питания нашли наиболее широкое применение в системах защиты компьютерных сетей.

Трансформатор, сделанный по специальной так называемой ferro_технологии, сглаживает скачки напряжения, при этом источник бесперебойного питания реже переключается на работу от аккумуляторной батареи, и следовательно повышается срок службы батареи. Обычно, эти источники бесперебойного питания оборудованы совершенными фильтрами, обеспечивающими защиту от помех различного происхождения. Типовое время переключения в режим питания от аккумуляторов или обратно составляет 2 мс. Одним из преимуществ ИБП такого типа является широкий диапазон допустимых входных напряжений.

Источники бесперебойного питания On-Line типа

Технология On-Line позволяет реализовать самый надежный тип источника бесперебойного питания. С выпрямителя (рис. 8) напряжение сети поступает на преобразователь постоянного напряжения высокого уровня в низкое ПН1, а далее - на преобразователь постоянного напряжения в переменное выходное напряжение (ПН2). Преобразователь ПН2 - инвертор, питание на который поступает как от аккумуляторов, так и от сети через выпрямитель-преобразователь напряжения ПН1, подключенных параллельно: при отклонениях в питающей электросети от нормы, входное напряжение для ПН2 снимается с аккумуляторной батареи.

Рис. 8. Схем источника бесперебойного питания On-Line типа

В большинстве систем источников бесперебойного питания мощностью до 5 кВА вместо непрерывно подключенного аккумулятора, подключен резервный преобразователь постоянного тока (DC-DC converter), включающийся при сбоях сети и дублирующий шину постоянного тока от низковольтного аккумулятора.

Вывод: даже в случаи незначительных отклонениях параметров входного напряжения от нормы On-Line устройства обеспечивают на выходе номинальное напряжение в области ±1-3%. Присутствие обходной цепи (bypass) позволяет подключать нагрузку прямо к силовой сети. Качество питания и надежность поставки электроэнергии, предоставляемое устройствами с архитектурой такого типа, существенно выше, чем у предыдущих.

Недостатки источников бесперебойного питания On-line типа: невысокий, по сравнению с ранее рассмотренными типами, КПД (85-90%) из-за двойного преобразования (по отношению к Standby и Line-Interactive) и высокая цена. Однако, уровень защиты нагрузки и стабильность выходных параметров ИБП - разумный компромисс между безопасностью, КПД и ценой устройства. Потери в ИБП мощностью в 4000ВА не превышают 380Вт и могут быть несоизмеримыми с той задачей, которую решает подобный источник питания. [10] [11]

2. Исследование основных характеристик аккумуляторных батарей

Для проведения исследований? были предоставлены АКБ ведущего мирового производителя промышленных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей - марки FIAMM: модель FG20721. Внешний вид данной АКБ представлен на рис. 9. Моноблоки серии FG - герметизированные клапанно-регулируемые необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, электролит которых абсорбирован в стекловолокнистый наполнитель, служащий одновременно сепаратором (технология AGM).

Рис. 9. Внешний вид АБ FIAMM FG20721

Этот вид АКБ был выбран в силу своих отличительных особенностей:

* Экономичность

* Универсальность применения

(буферный и циклический режимы)

* Надежность

* Низкая величина саморазряда

* Способность к восстановлению после глубокого разряда

Основными характеристики АКБ:

Номинальная ёмкость, Ач: 7.2

Номинальное напряжение, В: 12

Диапазон температуры окружающей среды,°С: от -20 до +50

Масса, кг: 2.45

Габариты, мм: 151х65х94

Гарантия: 6 месяцев

Срок службы: 5 лет

Клеммы: Фастон 4.8/6.3

В таблице 1 приведены полные аналоги АБ FIAMM FG20721

Таблица 2.1. Аналоги АБ FIAMM FG20721

Бренд	Наименование	Описание	Напряжение	Емкость
CSB	GP 1272 F2	Аккумулятор CSB GP 1272 - 12В, 7,2Ач (12v, 7,2ah) 151х65х94+6, 2,6 кг.	12	7.2
CSB	GPL 1272	Аккумулятор для буферного режима. Срок службы до 10 лет.	12	7.2
CSB Battery Co.	GP 1272 F2 Тайвань	Аккумулятор CSB GP 1272 - 12В, 7,2Ач 151х65х94+6, 2,6 кг	12	7.2
Delta	HR 12-7,2	Аккумулятор DELTA HR12-7,2 12В, 7,2Ач (12V, 7,2ah) 151х65х100, 2,55 кг	12	7.2

Исследование АКБ представляет собой измерение таких параметров, как внутреннее сопротивление, резервная ёмкость, напряжение на клеммах и ток стартерного заряда. Рассмотрим методы измерения, применявшиеся в ходе исследования.

2.1 Методы исследования основных параметров АКБ

2.1.1 Метод исследование внутреннего сопротивления

Для определения внутреннего сопротивления АКБ используют «нагрузочную вилку» на рис. 10 представлена схема подключения нагрузочной вилки к АКБ.



Рис. 10. Схема подключения нагрузочной вилки к АКБ

«Омическая» технология измерения сопротивления АКБ основана на законе Ома, который выражает отношения между изменениями в напряжении, силе тока и сопротивлении или проводимости в электрической цепи.

Закон Ома может быть выражен следующим образом:

ДU = I x R или ДU = I / G,

где ДU - изменение напряжения в цепи (В), I - сила тока в амперах (A),

R_сопротивление в Омах (Ом), G_проводимость в Сименсах (S)

Таким образом, омическая технология в батареях использует измеренное сопротивление или значение проводимости, чтобы определить характеристики разрядки батареи под нагрузкой. Более низкая проводимость соответствует пониженной способности батареи проводить ток при снижении напряжения батареи. Таким образом, измерение омических факторов может использоваться для оценки характеристик заряда батареи.

В данном исследовании использовался тестер АКБ фирмы S-line MY_99 рис 3.

Схема подключения тестера предоставлена на рис. 11.



Рис. 11. Функциональная схема подключения тестера MY_99 к АКБ

(ИТ- измеритель импульса тока, ИН - измеритель напряжения, СУ - система управления, обработки данных и сравнения с Rк - откалиброванное сопротивление, ВР - вывод результатов на дисплей)