Виды зарядов и разрядов батарей, режимы заряд-разряд
В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи подвергают восстановительному или лечебно-тренировочному зарядам.
Восстановительный заряд для кислотных батарей производят током 45 А до напряжения 2,3-2,4 В у большинства элементов, далее отключают ток на 1-2 ч и затем продолжают заряд током 20 А в течение 1 ч. Операции заряда током 20 А с перерывами 1—2 ч повторяют 2-3 раза до тех пор, пока не будет бурное газовыделение при включении батареи под заряд. Щелочные батареи заряжают, током 150 А в течение 2-5 ч.
Лечебно-тренировочный заряд выполняют в такой последовательности:
для кислотных батарей — заряд током 35 А до постоянства напряжений и плотности электролита в течение двух последних часов заряда и обильного газовыделения, разряд током 45 А до напряжения 1,8 В на двух наиболее слабых аккумуляторах, заряд двухступенчатым режимом (1-я ступень током 65 А до достижения напряжения 2,4 В, 2-я ступень — током 35 А) до постоянства напряжения и плотности электролита у всех элементов батареи;
для щелочных батарей — разряд током 110 А, после чего сливают электролит, заливают теплой подщелоченной водой и оставляют для отстоя на 15-20 ч, далее выливают воду, батарею заполняют свежим электролитом и проводят лечебно-тренировочный цикл: заряд током 150 А в течение 12 ч, разряд током 110 А в течение 5 ч, заряд током 150 А — 6 ч, разряд током 110 А до напряжения 1 В на элементе, заряд током 150 А в течение 12 ч.
При комплектовании кислотных батарей из новых или отремонтированных аккумуляторов выполняют несколько циклов зарядов-разрядов.
Первый цикл проводят в два этапа: заряд током 40 А до достижения у большинства элементов напряжения 2,4 В, снижение тока до 25 А до „закипания” электролита. При достижении температуры электролита 40 °С батарею разряжают током 45 А до напряжения 1,8 В на одном-двух наиболее слабых элементах.
Второй цикл проводят через 2 ч после первого и дают заряд током 65 А до напряжения 2,4 В, далее ток снижают до 35 А до появления обильного газовыделения. Разряд производят аналогично первому.
Последующие режимы заряда и разряда выполняют подобно второму циклу. Критерием годности батареи к установке на тепловоз является отдача ее при втором разряде не’ менее 80 %, а при третьем не менее 86 % гарантированной емкости 10-часового разрядного режима.
Процесс подготовки новых щелочных батарей не отличается от лечебного заряда и должен обеспечить не менее 90 % гарантированной емкости. Если после контрольного заряда-разряда этого не произошло, то выполняют дополнительно 1-3 тренировочных цикла, пока ее емкость не достигнет нормы.
1. Каковы основные неисправности аккумуляторных батарей?
2. Какова плотность электролита, как ее измеряют?
3. Как измеряют уровень электролита?
4. Как определяют сопротивление изоляции аккумуляторной батареи?
5. В каких случаях производят разборку аккумуляторов и в какой последовательности?
6. Каким образом можно устранить сульфатацию аккумулятора?
7. Какие виды зарядов и разрядов аккумуляторных батарей выполняют в депо?
Источник
Что называется разрядом аккумулятора
Рис. 1. Схемы подключения батарей к зарядному устройству и характеристики зарядов
Коэффициент 0,5 в знаменателе формулы введен для того, чтобы обеспечить широкие пределы регулирования, позволяющие при необходимости осуществлять заряд половинным током (вторая ступень).
В каждую группу следует подключать максимально возможное число батарей с тем, чтобы в реостате гасилось, как можно меньше энергии. Все батареи одной группы должны иметь примерно одинаковую емкость и одинаковую степень разряда.
Разность плотностей электролита в полностью заряженных аккумуляторных элементах батареи не должна превышать 0,01 г/см3. Для выравнивания плотностей электролита в батареях, имеющих отдельные элементы с пониженной плотностью электролита, эти батареи дополнительно дозаряжают в течение 2 ч. Если плотности электролита в отдельных элементах после дозарядки батарей не выравнялись или плотность электролита во всех элементах батареи оказалась несколько выше или ниже нормы, то ее необходимо откорректировать до нормального значения с точностью ±0,01 г/см3. Корректировка производится в батарее, включенной на заряд, когда обильное газовыделение обеспечивает хорошее перемешивание электролита,
Корректировку плотности электролита рекомендуют проводить следующим образом. Если плотность электролита, приведенная к 25 °С, ниже требуемой, то в аккумуляторы доливают электролит плотностью 1,40 г/см3, я если она выше — доливают дистиллированную воду. Сначала из аккумулятора в зависимости от имеющейся и требуемой плотности отбирают определенный объем электролита. И, наконец, через 30 мин проверяют плотность электролита в аккумуляторах. При нормальном ее значении доводят уровень электролита до нормы. Если разница между фактической и требуемой плотностями электролита велика, то операцию отбора—доливки повторяют три-четыре раза с интервалами между ними в 30 мин. Это необходимо для выравнивания плотности электролита в аккумуляторе.
Основными недостатками такого способа заряда свинцово-кислотных аккумуляторных батарей являются: большая продолжительность, необходимость постоянно контролировать и регулировать силу зарядного тока, нерациональный расход электроэнергии на электролиз воды в конце заряда, вредное влияние перезаряда на разрушение электродов. При этом способе в конце заряда наблюдается значительное повышение температуры электролита, что отрицательно влияет на срок службы аккумуляторной батареи. В связи с этим инструкцией по эксплуатации рекомендовано при повышении температуры электролита до 45 °С снижать зарядный ток в два раза или прервать заряд для охлаждения электролита до 30—35 °С.
Заряд при постоянном напряжении. Этот способ заряда обеспечивает простоту проведения и поддержания режима заряда. Аккумуляторные батареи в этом случае подключаются непосредственно (без реостатов) к источнику энергии, зарядное напряжение которого поддерживается постоянным в течение всего процесса. Напряжение источника должно быть равно зарядному напряжению аккумуляторной батареи, т. е. на каждый аккумуляторный элемент должно приходиться 2,4—2,5 В. Следовательно, общее напряжение источника энергии составит для 6-вольтовых батарей 7,2—7,5 В, для 12-вольтовых — 14,4—15,0 В. Значение зарядного тока для каждой из заряжаемых батарей устанавливается автоматически й зависит от .технического состояния батареи (степени разряда, температуры электролита и т.д.). В процессе заряда, когда напряжение батареи постоянно возрастает, сила тока понижается и к концу заряда становится заметно меньше, чем сила тока при заряде способом постоянства тока.
Несмотря на различие в значениях тока, общая продолжительность полного заряда батарей при обоих методах одинаковая. Но тем не менее заряд при постоянном напряжении в ряде случаев предпочтителен, так как сообщенная в этом случае энергия расходуется в основном непосредственно на сам процесс заряда, когда еще невозможно газовыделение, и только незначительную часть энергии батарея получает при напряжении, когда уже возможно газовыделение.
Заряд при постоянном напряжении позволяет вести форсированный процесс заряда, который известен под названием «закона ампер-часов». Суть такого метода заключается в том, что аккумуляторная батарея должна заряжаться током, численно равным 95% емкости, которую ей надо сообщить, т. е. заряд должен постепенно снижаться так, чтобы зарядный ток был всегда меньше, чем количество ампер-часов, которое недостает батарее до получения полного заряда. Таким образом, заряд будет протекать без перегрева электролита и чрезмерного газовыделения. Как показывает практика, заряд, проведенный согласно закону ампер-часов, позволяет восстановить 90% емкости, снятой с батареи за 2,5 ч. Для полного заряда батареи этим методом требуется 4—4,5 ч.
Как уже отмечалось, заряд аккумуляторной батареи на автомобиле является, по существу, зарядом при постоянном напряжении. Этот способ внедряется также на стационарных и подвижных зарядных станциях благодаря малому времени заряда и простоте обслуживания. Однако ввиду того, что полный заряд батареи в этом случае невозможен, заряд при постоянном напряжении следует рассматривать как вспомогательный метод, который должен сочетаться с периодическими полными зарядами при постоянном токе и с проведением контрольно-тренировочных циклов. К основным недостаткам этого способа относятся: перегрузка источника энергии в начале заряда (вследствие большого зарядного тока) и недогрузка его в конце заряда (зарядный ток значительно снижается), невозможность быстрого заряда сильно охлажденных батарей (при минусовых температурах) вследствие повышения вязкости электролита и соответственного повышения внутреннего сопротивления батарей.
Модифицированный заряд представляет собой некоторое приближение к заряду при постоянном напряжении. Цель его — снизить значение тока в начальный период заряда и уменьшить влияние колебаний напряжения в сети на зарядный ток, для чего последовательно с аккумуляторной батареей включают в цепь сопротивление малого значения. При данном методе заряда напряжение на шинах источника тока поддерживается постоянным в пределах от 2,5 до 3,0 В на аккумулятор.
Для отключения зарядного агрегата в конце заряда обычно применяют автоматические устройства. Это может быть комбинация чувствительного реле напряжения с часовым механизмом или счетчик ампер-часов. Реле напряжения пускает часовой механизм при достижении заданного значения напряжения батареи. Часовой механизм отсчитывает установочное время и затем отключает зарядное устройство.
Рис. 1. Изменение параметров свинцового аккумулятора в процессе модифицированного заряда
1 — температура электролита; 2 — ток заряда; 3 — напряжение заряда: 4 — плотность электролита
В практике применяются методы заряда, представляющие в какой-то мере варианты описанных выше способов заряда. Например, в процессе длительной эксплуатации имеют место случаи, когда плотность электролита и степень заряженности отдельных аккумуляторов в батарее бывают различны. Для таких батарей перед зимней эксплуатацией целесообразно провести уравнительный заряд.
Уравнительный заряд. Цель его — обеспечить в аккумуляторной батарее более полное восстановление заряженности электродов во всех аккумуляторах. Уравнительный заряд рекомендуется как мера, устраняющая сульфатацию электродов; он нейтрализует воздействие глубоких разрядов на отрицательные электроды. Заряд ведется до тех пор, пока во всех аккумуляторах не будет достигнуто постоянство значений плотности электролита и напряжения в течение 3 ч.
Заряд малыми токами. Он проводится с целью компенсации электроэнергии, потерянной в результате саморазряда аккумуляторной батареи. Заряд малым током (0,025—0,1 А) производится при нахождении батарей непосредственно на автомобилях или в местах хранения. Такой заряд также осуществляется двумя способами: при постоянном токе и при постоянном напряжении.
На подзаряд малыми токами устанавливаются только исправные полностью заряженные батареи, в которых тщательно откорректированы плотность и уровень электролита. Такой подзаряд проводят непрерывно, если температура воздуха выше 5 °С, если же она ниже—применяют периодический подзаряд. Непрерывный подзаряд — эффективное средство для поддержания батарей в заряженном состоянии, требующее небольшой мощности зарядных источников.
Контрольно-тренировочный цикл ( КТЦ ). Он проводится с целью определения технического состояния аккумуляторной батареи, проверки ее по емкости, выявления отстающих аккумуляторов в батарее и прочих неисправностей. Для автомобильных батарей, залитых электролитом, КТЦ проводится один раз в год и в тех случаях, когда необходимо определить отдаваемую батареей емкость и оценить пригодность ее к дальнейшей эксплуатации.
В процессе разряда определяется его продолжительность и температура электролита. После разряда аккумуляторные батареи заряжаются обычным способом и годные из них направляются в эксплуатацию. Емкость батареи, снятая при разряде, приводится к температуре 25 °С; в период гарантированного срока эксплуатации она должна быть не менее 90% от номинального значения. Если же емкость аккумуляторной батареи снизится до 40% номинального значения, то такая батарея под. лежит списанию.
Разряд можно вести либо непрерывно, либо с перерывами. Когда продолжительность разряда исчисляется долями минуты или секунды и циклы разряд-заряд чередуются с большей частотой, разряд называется импульсным.
Непрерывный разряд, в течение которого аккумуляторная батарея отдает полную емкость, может быть либо коротким (от нескольких мин до 1 ч), либо длительным (от 100 и более часов). Например, для автомобильных стартерных батарей коротким разрядом является 5-минутный режим разряда, а длительным — 20-часовой. Короткие режимы разряда иногда называют форсированными. Они также могут быть прерывистыми. Примером может служить работа аккумуляторной батареи на стартер при неоднократном пуске автомобильного двигателя.
Батарея также может работать в режиме перемещающегося разряда, т. е. в течение определенного времени она разряжается одним значением тока или на определенное сопротивление, затем переключается на определенное время на режим разряда, имеющий другие значения тока или внешнего сопротивления.
При разряде большой силой тока, т. е. стартерном разряде, емкость аккумуляторной батареи практически зависит от размеров поверхности электродов. Объясняется это тем, что электролит не успевает проникнуть в поры электродов и сульфат свинца, образующийся на поверхности, в силу своего большого молекулярного объема закупоривает поры активной массы электродов. Поэтому батареи для стартерных режимов разряда имеют более тонкие электроды и большее их число в аккумуляторе.
При небольших скоростях разряда электродная масса разряжается практически на всю глубину. При длительном режиме разряда емкость аккумуляторной батареи ограничивается емкостью положительных электродов, при стартерных — емкостью отрицательных электродов.
Источник
Архив WinRAR_1 / 3 — Электорооборудование / 52 — процессы заряда и разряда АКБ
1.5. Характеристики заряда и разряда аккумуляторной батареи
Основные характеристики аккумулятора — зарядные и разрядные. Процесс, при котором происходит преобразование химической энергии в электрическую, называется разрядом, обратный процесс — зарядом.
После полного восстановления активных веществ плотность электролита перестает повышаться. Это служит признаком конца заряда аккумулятора. В конце заряда также начинается процесс разложения воды нa кислород и водород, характеризующийся появлением на поверхности электролита пузырьков газа.
Разрядными характеристиками аккумулятора называют зависимость изменения ЭДС, напряжения и плотности электролита аккумулятора при постоянной силе разрядного тока от времени заряда (рис. 1.2).
В момент включения аккумулятора на разряд напряжение на его зажимах падает скачком на величину JpRa
вcледствие падения напряжения аккумулятора (см. рис. 1.2)
Рис. 1.2 Характеристики разряда
где Ip — ток разряда; Ra — внутреннее сопротивление
Происходящее при разряде поглощение сepной кислоты и выделение взамен ее воды вызывает уменьшение концентрации электролита, находящегося в поpax пластин, вследствие чего ЭДС аккумулятора Ea , а слeдoвaтeльно , и напряжение плавно снижаются. Сначала химическим превращениям подвергаются наиболее доступные поверхностные слои активной массы, затем химические реакции распространяются на наиболее глубокие слои пластин. Кроме того, сернокислый свинец PbSO4 , в который превращается активная масса пластин при разряде, занимает больший объем, чем исходные материалы (PbO2 и Pb) и, отлагаясь на внутренних поверхностях пор, суживает их сечение. Эти два обстоятельства замедляют диффузию электролита в пластины, и к концу разряда концентрация последнего в порах пластин и с ней ЭДС аккумулятора быстро падают, стремясь к нулю, а значительная часть активной массы, лежащая в глубине пластин, еще не использована. При этом происходят уже необратимые процессы, и сильно ускоряется сульфатация аккумулятора, поэтому аккумулятор нельзя разряжать ниже 1,7 В.
Если разряженный аккумулятор выключить, то его ЭДС будет плавно повышаться. Это восстановление ЭДС называется «отдыхом» аккумулятора .
Плотность электролита по мере разряда уменьшается по закону прямой, так как при постоянной силе разрядного тока количество серной кислоты, замещаемой водой за единицу времени в результате химических реакций, будет одинаково. Признаки, определяющие конец разряда:
1. Понижение напряжения до предельного значения (1,7 В на элемент).
2. Уменьшение плотности электролита до определенного минимума ( 1,15 г/см 3 ).
На характер зависимости разрядного напряжения аккумулятора от времени влияют температура электролита и сила разрядного тока. При понижении температуры (ниже О °С) резко увеличиваются вязкость и удельное сопротивление электролита. Последнее в диапазоне температур +30. 40 о С возрастает в 20 — 30 paз. С повышением вязкости уменьшается скорость диффузии.
3арядные характеристики аккумулятора — зависимость изменения плотности электролита, ЭДС и напряжения аккумулятора при постоянной силе зарядного тока от времени заряда (рис. 1.3).
В начале заряда резко увеличивается напряжение заряда по отношению к ЭДС на значение падения напряжения на внутреннее сопротивление. Затем напряжение медленно возрастает, что обусловлено увеличением ЭДС в результате повышения плотности электролита. Происходящая химическая реакция при заряде возвращает активную массу пластин в ее первоначальное состояние. При этих реакциях взамен поглощаемой воды выделяется серная кислота, вследствие чего плотность электролита повышается. К концу заряда в ocнoвнoм весь сернокислый свинец превратится в пероксид свинца на положительном и губчатый свинец на отрицательном электродах. Химические реакции прекращаются и вследствие этого напряжение и плотность электролита перестают увеличиваться. Дальнейшее прохождение тока вызывает только разложение воды на водород и кислород, которые энергично выделяются в виде пузырьков. Перезаряд аккумулятора вредно отражается на пластинах.
Признаками конца заряда можно считать следующие явления:
Рис 1.3. Характеристики заряда аккумулятора
1. Напряжение аккумулятора достигло максимального значения и перестало повышаться.
2.Плотность электролита достигла максимума и перестала увеличиваться.
3.Интенсивно выделяются пузырьки газа (аккумулятор «кипит»)
Источник
Какие бывают аккумуляторы в мобильной, компьютерной и бытовой технике
Аккумуляторы окружают нас повсеместно. Их можно встретить как в привычных каждому пользователю мобильных гаджетах, так и в сложных системах резервного электропитания. В каждой из областей используется свой тип аккумуляторной батареи, в которой ее характеристики «раскрываются» наилучшим образом. В данном материале поговорим о типах аккумуляторных элементов, областях применения и основных правилах эксплуатации.
Аккумуляторы. Общие принципы
По историческим меркам аккумулятор — довольно «молодое» изобретение, которому немногим более 160 лет. Основной принцип работы любого аккумуляторного элемента — протекание в нем обратимой электрохимической реакции, т. е. при приложении к контактам элемента постоянного напряжения, на его пластинах (электродах) накапливается электрическая энергия, при приложении нагрузки — происходит ее расходование. Причем протекает такая реакция на протяжении большого количества циклов заряда/разряда. Как правило, возможное количество перезарядок зависит от типа аккумуляторного элемента, но в среднем, современный аккумулятор способен обеспечить 300–1000 полных циклов.
Работоспособным считается аккумулятор, остаточная емкость которого составляет 70–80 % от начальной. Элементы с меньшими показателями остаточной емкости считаются непригодными для дальнейшей эксплуатации, поскольку не могут обеспечить расчетную автономность.
Какого бы типа не был аккумулятор, костяк конструкции и основной принцип действия у них остается неизменным. В каждом аккумуляторе есть два электрода (положительный и отрицательный, иначе именуемые анод и катод), погруженные в специальную среду — электролит, являющуюся прекрасным «поставщиком» ионов вследствие электролитической диссоциации.
Ион — атом или молекула, несущая на себе электрический заряд. Если ион положительно заряжен — его называют катион, если отрицательно — анион.
В зависимости от используемого материала электродов и применяемого типа электролита существуют различные вариации аккумуляторных элементов, каждый из которых имеет свои конструкционные и эксплуатационные особенности. Ниже поговорим о наиболее распространенных типах аккумуляторов, сферах их применения и особенностях эксплуатации.
Свинцовые аккумуляторы
Несмотря на преклонный возраст технологии, свинцовые аккумуляторы до сих пор успешно применяются в системах резервного питания, автомобильном транспорте, системах аккумулирования возобновляемых источников энергии (солнечная и ветряная энергетика, гидроэнергетика и т. д.).
Как видно из названия, в качестве основного материала, из которого изготавливают электроды, выступает свинец. Точнее, для производства положительных электродов — просто свинец, а для изготовления отрицательных электродов — оксид свинца. В качестве электролита, как правило, выступает раствор серной кислоты.
Существует большое количество конструкций свинцового аккумулятора, направленных на улучшение его эксплуатационных характеристик. Поскольку свинец сам по себе достаточно мягкий металл с невысокой физической прочностью, в чистом виде он слабо противостоит вибрационным нагрузкам, поэтому для использования аккумуляторов, например, в транспорте, в сплав свинца добавляют кальций, делающий структуру металла более прочной.
Для использования свинцового аккумулятора в источниках бесперебойного питания, дабы не допустить контакт пользователя с кислотой, исключить необходимость обслуживания, а также не создавать условия для взрыва водорода, выделяемого из АКБ, при ее заряде, используют свинцовые аккумуляторы определенного типа. Такими аккумуляторами являются источники питания типа AGM (Absorbent Glass Mat), в которых абсорбированным электролитом (не жидким) пропитан специальный пористый мат из стекловолокна.
Довольно часто свинцовые аккумуляторы, выполненные по технологии AGM, ошибочно называют гелевыми. На самом деле это не так. Гелевые аккумуляторы — отдельная ветвь развития свинцовых источников питания.
Аккумуляторы, электролитом в которых выступает раствор серной кислоты в желеобразном состоянии, называются гелевыми. Они рассчитаны на медленную отдачу энергии, поэтому основная область их применения — использование в инертных системах накопления и расходования электроэнергии (солнечная энергетика, питание моторов кресел для инвалидов, гольф-каров и т. д.).
К неоспоримым преимуществам свинцовых аккумуляторов относятся их невысокая стоимость и возможность работы в широком диапазоне температур окружающей среды (от — 40 до + 40 ° С).
Один свинцовый аккумуляторный элемент выдает напряжение порядка 2 В и способен выдать удельной энергии из расчета 30–60 Вт*ч с 1 кг массы, что в сравнении с другими типами — достаточно мало. Такие аккумуляторы имеют высокие значения саморазряда, а их глубокий разряд приводит к разрушению и осыпанию пластин электродов и безвозвратной порче аккумулятора.
Никель-кадмиевые аккумуляторы
Следующим типом аккумуляторных элементов, активно использующихся во многих сферах, являются никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd). Их можно встретить в детских игрушках, пультах управления, фонариках, ручном аккумуляторном электроинструменте и т. д.
Конструкция элемента не претерпела изменений, только в качестве материала для изготовления электродов используются никель и кадмий, а точнее гидраты закиси этих металлов. В качестве электролита применяют гидроксид калия. Один элемент на основе этих металлов может выдать напряжение 1,2–1,35 В, а значение удельной энергии находится в диапазоне 40–80 Вт*ч/кг.
Никель-кадмиевые аккумуляторы — одни из самых морозоустойчивых. Они работают без существенной потери своей емкости при температурах, близких к –50 ° С, к тому же, абсолютно не боятся глубокого разряда, и после цикла зарядки полностью восстанавливают свои эксплуатационные характеристики.
Хранить NiCd аккумуляторы рекомендуется полностью разряженными.
К отрицательным моментам относят их малую удельную емкость, высокий саморазряд, длительное время зарядки (восполнять энергию нужно малыми зарядными токами) и ярко выраженный «эффект памяти».
Чтобы не испортить аккумулятор, его необходимо заряжать только после полного разряда! Пренебрежение этим правилом повлечет быструю потерю емкости и выход элемента из строя.
Заряжают NiCd-элементы малыми зарядными токами, значения которых составляет порядка 10 % от емкости аккумулятора.
Никель-металлогидридные аккумуляторы
Логическим продолжением никель-кадмиевых аккумуляторов стали никель-металлогидридные (NiMH) элементы питания. В них учтены и практически устранены недостатки предшественников. Аккумуляторы при тех же массогабаритных показателях имеют большую в 2–3 раза емкость, обладают высокой надежностью, с легкостью переносят глубокий разряд и перезаряд, менее подвержены эффекту памяти.
Немаловажную роль в популяризации и широком распространении NiMH элементов сыграл тот факт, что они не содержат в своем составе кадмия, очень вредного для окружающей среды металла. Следовательно, с повестки дня снимаются вопросы правильного хранения и утилизации таких элементов.
Для производства анода используют гидрид никеля с лантаном или литием — так называемый металлогидридный электрод. В качестве катода — оксид никеля. Электролитом выступает соединение гидроксида калия.
Заряжают никель-металлогидридные аккумуляторы большими (в сравнении с NiCd-элементами) токами, величины которых составляют порядка 20–25 % от емкости аккумулятора, но очень важно контролировать температуру элемента во время заряда. Если она превышает 45 °С, нужно немедленно прервать процесс зарядки, в противном случае существует риск порчи элемента.
Зарядку для NiMH-аккумуляторов можно использовать в паре с NiCd-элементами. Обратная совместимость недопустима! Алгоритмы зарядки никель-кадмия более примитивны, они могут причинить вред NiMH-элементу.
Никель-металлогидридные аккумуляторы хранят полностью заряженными. Поскольку этому типу элементов присущ высокий саморазряд, для сохранения работоспособности элемента его нужно периодически подвергать полному циклу разряда/заряда.
Никель-металлогидридные аккумуляторы используют в тех же сферах, что и никель-кадмиевые, однако, благодаря повышенной емкости, их охотно применяют в фототехнике, использующей для питания элементы типа АА и ААА.
NiMH элементы — самые морозоустойчивые. Они без проблем переносят эксплуатацию при экстремально низких температурах, достигающих -60 °С. По этой причине их довольно успешно применяют в электроинструменте, используемом при выполнении работ на открытом воздухе в зимнее время.
Один элемент генерирует 1,2–1,25 в ЭДС, а его удельная энергия составляет 60–75 Вт*ч/кг. Теоретический расчетный «потолок» этого параметра находится на уровне 300 Вт*ч/кг, но видимо технологии производства NiMH-элементов, еще не до конца совершенны.
Литий-ионные аккумуляторы
Современные мобильные устройства уже сложно представить без литий-ионных аккумуляторов. Именно их разработка дала мощный толчок к развитию легких и миниатюрных решений источников питания, и, как следствие, миниатюризации всего сегмента мобильных гаджетов.
Сильными сторонами Li-ion являются высокая плотность аккумулируемой энергии, ее удельное значение, в большинстве случаев, составляет солидные 280 Вт*ч/кг, недостижимые при использовании аккумуляторов другого типа. Именно по этой причине Li-ion аккумуляторы используются не только для питания персональных гаджетов, но и для приведения в движение различных самокатов, велосипедов с электродвигателем и даже автомобилей.
Справедливости ради следует сказать, что «литий-ионный аккумулятор» — это обобщенное название целой группы электрохимических элементов, переносчиком заряда в которых выступают ионы лития. Разница заключается в составе материала катода и типе электролита.
Наибольшее распространение в бытовом сегменте получили литий-полимерные аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется специальный твердый полимер, а катодный и анодный материал нанесены на тонкие слои алюминиевой и медной фольги соответственно. Такое конструктивное решение позволяет производить аккумуляторы любой формы и размера, изящно «вписывая» их в разрабатываемые устройства.
Существенный недостаток твердого полимера — его плохая проводимость при нормальной температуре окружающей среды (+ 25 °С). Наилучшие показатели достигаются при увеличении температуры до + 60 °С, а это уже опасно с точки зрения обычного использования. Поэтому производители идут на небольшие ухищрения, добавляя к полимеру электролит в жидком или желеобразном состоянии.
Существенное отличие конструкции литий-ионных аккумуляторов от традиционной конструкции заключается в обязательном наличии разделительного сепаратора, исключающего свободное перемещение ионов лития, в моменты, когда аккумулятор не используется.
Другой элемент, который должен обязательно присутствовать в схеме аккумулятора — BMS-контроллер (Battery Management System), отвечающий за корректную и сбалансированную зарядку ячеек аккумулятора.
Li-ion аккумуляторы при высокой удельной емкости обладают малым весом. Для их зарядки нужно не так уж много времени. У них практически отсутствует эффект памяти и саморазряд. К аккумуляторам литий-ионного типа не предъявляется особых требований к соблюдению циклов заряда/разряда. Заряжать их можно в любое удобное время, не привязываясь к величине остаточного заряда элемента. Хранить Li-ion батареи рекомендуется наполовину заряженными.
Самым существенным недостатком литий-ионного элемента является его категорическое «нежелание» полноценно работать при отрицательных температурах. Эксплуатация литиевого элемента на морозе очень быстро приблизит его выход из строя.
Источник
Характеристика заряда и разряда
При разряде напряжение на выводах аккумулятора меньше ЭДС, а при заряде больше.
Зарядное напряжение (1.8)
Из формул видно, что напряжение аккумулятора, которое преодолевает сопротивление внешней цепи отличается от его ЭДС на величину внутреннего падения напряжения, преодолевающего внутреннее сопротивление аккумулятора, которое, в свою очередь, состоит из омических потерь напряжения внутри аккумулятора Ir и потенциала поляризации y.
Как видно из формул 1.8. при заряде аккумулятора напряжение на его выводах должно быть больше ЭДС на сумму внутренних потерь.В начале разряда происходит скачок напряжения на величину омических потерь внутри аккумулятора, а затем резкое повышение напряжения за счет потенциала поляризации, вызванное быстрым увеличением плотности электролита в порах активной массы (участок А, рис.1.1.).
Далее происходит медленный рост напряжения, обусловленный ростом ЭДС вследствие увеличения плотности электролита в объеме аккумулятора в результате растворения сульфата свинца и превращения его на плюсовом
электроде в двуокись свинца и на отрицательном в губчатый свинец (участок Б).
После того как основное количество PbSO4 преобразуется в PbO2 и Pb, затраты энергии все в большей мере вызывают электролиз воды. Избыточное количество ионов Н2 и О2 , появляющееся в электролите, еще больше увеличивает разность потенциалов разноименных электродов. Это приводит к быстрому росту зарядного напряжения (участок В), 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, а на отрицательном – водород), вызывая «кипение» электролита.
Рис. 1.1 Изменение напряжения аккумулятора при заряде и разряде
При полном заряде вся энергия расходуется только на электролиз воды (участок В 1 ). Этим объясняется и постоянство зарядного напряжения, которое служит одним из признаков окончания заряда.
После прекращения заряда напряжение на выводах аккумулятора черзко снижается до значения его неравновесной ЭДС, то есть 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 (участок Г).
При разряде напряжение на выводах аккумулятора 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 (участок А). Далее при установившемся процессе разряда происходит снижение плотности электролита, обуславливающее постепенное снижение разрядного напряжения (участок Б). Одновременно происходит изменение соотношение 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 и препятствуют прохождению электролита в глубину электродов.
Это вызывает усиление поляризации, приводящее к более быстрому снижению разрядного напряжения (участок В).
При прекращении разряда напряжение на выводах аккумулятора быстро повышается на величину омических потерь, достигая значения неравновесной ЭДС. Дальнейшее изменение ЭДС из-за выравнивания концентрации электролита в порах активной массы и в объеме аккумулятора приводит к постепенному установлению значения равновесной ЭДС (участок Г).
1.4.4. Емкость аккумулятора
Емкость аккумулятора – это количество электричества, полученное от аккумулятора при его разряде до установленного конечного напряжения. В практических расчетах емкость принято выражать в ампер-часах (А·ч).
Согласно определению разрядную емкость Ср можно вычислить умножив силу разрядного тока Iр на продолжительность разряда (при условии Iр = const), то есть
Разрядная емкость, на которую рассчитан аккумулятор и которая указывается заводом-изготовителем, называется номинальной емкостью.
Емкость зависит от целого ряда конструктивных и технологических факторов, а также условий эксплуатации.
Наиболее существенными конструктивными факторами являются количество активной массы и электролита, толщина и размеры электродов. Основными технологическими факторами являются рецептура активной массы и ее пористость. Эксплуатационные параметры – температура аккумулятора и сила разрядного тока.
1.4.5 Саморазряд
Это явление вызвано окислительно-восстановительными процессами самопроизвольно протекающими как на отрицательном, так и на положительном электродах.
Особенно подвержен саморазряду отрицательный электрод из-за протекания процесса растворения свинца в растворе серной кислоты
Кроме того практически все металлы, встречающиеся в виде примесей в аккумуляторном сырье, электролите и сепараторах или вводимые в виде специальных добавок способствуют повышению саморазряда, так как попадая на поверхность отрицательного электрода, облегчают условия выделения водорода.
Соли металлов с переменной валентностью действуют как переносчики зарядов с одного электрода на другой. В этом случае, ионы металлов восстанавливаются на положительном электроде.
Саморазряд положительного активного материала обусловлен протеканием реакции
скорость которой также возрастает с ростом концентрации электролита.
Другой причиной саморазряда положительного электрода является разность потенциала токоотвода и активной массы этого электрода. Возникающий вследствие этой разности потенциалов гальванический микроэлемент превращает при протекании тока свинец токоотвода в двуокись свинца, положительной активной массы в сульфат свинца.
Саморазряд возникает также при загрязнении снаружи поверхности аккумулятора электролитом, водой и другими жидкостями. При понижении температуры скорость саморазряда уменьшается.
1.5 Методы заряда аккумуляторных батарей
1.5.1 Заряд при постоянстве тока
При этом режиме сила тока остается постоянной (график процесса приведен на рис.1.1.). Для этого в ходе заряда следует изменять напряжение источника или сопротивление цепи.
Общее время заряда может быть определено по исходной степени разряженности. По емкости, которую необходимо сообщить при заряде, можно определить время заряда (в часах)
(1.10)
где С – количество электричества, необходимое батарее для ее полного заряда до номинальной емкости от степени заряженности перед зарядом (оценивается по плотности электролита и вычисляется из условия соответствия 0,001г/см 3 плотности электролита 6,25 % разряженности батареи);
I3 – сила тока заряда, А;
h — общий КПД процесса заряда, который при комнатной температуре для исправных батарей может быть принят равным 0,85-0,9, если зарядный ток численно составляет не более 0,1С20, А.
1.5.2 Модифицированный заряд
Этот способ представляет собой приближение к заряду при постоянстве напряжения. Цель его – несколько уменьшить силу тока в начальный период заряда и снизить влияние колебаний напряжения в сети на зарядный ток, для чего последовательно с аккумуляторной батареей включают в цепь заряда резистор небольшого сопротивления.
При данном методе напряжение на шинах источника тока поддерживается постоянным, на некотором значении в пределах от 2,5 до 3 В на один аккумулятор.
Для отключения зарядного агрегата в конце заряда обычно применяют автоматические устройства.
1.5.3 Уравнительный заряд
Такой заряд проводится при постоянной силе тока, равной 10 % номинальной емкости и менее, как и заряд при постоянстве тока, но в течение большего времени, чем обычно. Цель – обеспечить в батарее полной восстановление активных масс во всех электродах всех аккумуляторов. Уравнительный заряд нейтрализует воздействие глубоких разрядов на отрицательные электроды и рекомендуется как мера, устраняющая возможную сульфатацию электродов. Заряд продолжается до тез пор, пока во всех аккумуляторах не будет наблюдаться постоянство плотности электролита и напряжения в течение трех часов.
1.5.4 Форсированный заряд
Заряд может производиться токами, равными до 79 % от номинальной емкости, но в течение короткого времени, тем меньшего, чем больше ток. В процессе заряда необходимо контролировать температуру электролита и при достижении 45 0 С прекращать заряд. Однако применение форсированного заряда должно быть исключением, так как его систематическое многократное повторение для одной и той же батареи заметно сокращает срок ее службы.
1.5.5 Постоянный подзаряд
Подзаряд ведется током, приблизительно компенсирующим саморазряд батареи. Существуют различные способы постоянного подзаряда: при постоянном напряжении, незначительно превышающим напряжение батареи; при параллельном включении батарей включении батарей и ограничении силы тока в цепи каждой батареи.
Основной недостаток постоянного подзаряда ускорение процесса коррозии решеток положительных электродов. Достоинство –поддержание батареи в состоянии полного заряда независимо от срока хранения.
1.5.6. Заряд при постоянстве напряжения
При этом способе в течение всего времени напряжение внешнего источника поддерживается постоянным (рис.1.2.). Зарядный ток убывает с течением времени по причине возрастания напряжения на батарее
(1.11)
где Uз — напряжение зарядного устройства; Е – ЭДС батареи; R – сопротивление зарядной цепи.
Рис.1.2 Изменение силы зарядного тока от времени
На автомобиле заряд происходит при постоянном напряжении, поэтому при разряженной батарее в начале заряда может возникнуть большой ток генератора. В этом случае для предохранения генератора от перегрузки устанавливаются специальные ограничители тока, либо это ограничение осуществляется за счет внутренних свойств самого генератора (самоограничение).
Автомобильные генераторы
Дата добавления: 2018-05-31 ; просмотров: 702 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Источник