Косулин Валерий Владимирович

В настоящее время предпочтение отдаётся свинцово-кислотным аккумуляторам поскольку по сравнению со щелочными:

а) они обладают наибольшей по сравнению с другими типами аккумуляторов ёмкостью на единицу стоимости;

б) имеют большую отдачу по ёмкости и энергии.

До последнего времени область применения свинцово-кислотных аккумуляторов ограничивалась:

б) негерметичностью из-за высокой текучести электролита и сильного газовыделения;

В настоящем обзоре будут рассмотрены лишь кислотные аккумуляторы, поскольку

во-первых благодаря современной технологии недостатки а), б) и кислотных аккумуляторов частично устранены;

во-вторых новейшие системы содержания и управления зарядом-разрядом аккумуляторов полностью исключают выход из строя аккумуляторов по причине глубокого разряда.

Конструкция (ЗНА) (Sealed) предполагает технологию изготовления, сходную с открытыми аккумуляторами, но обеспечивающую пониженное испарение воды. Газы, выделяющиеся при заряде-разряде собираются в резервуаре над слоем электролита.

“Прозрачная” конструкция кислотных аккумуляторов практически едина для разных фирм-изготовителей. Все современные исследованные нами конструкции негерметичных аккумуляторов предполагают контроль состояния электролита и пластин. Для этих целей корпуса изготавливаются из прозрачного ударопрочного материала, а в верхней части имеется транспортная (заливная) пробка. В закрытом состоянии эта пробка обеспечивает газообмен внутренней полости аккумуляторного элемента с окружающей средой. После извлечения пробки обеспечивается доступ к поверхностному слою электролита и к верхним частям пластин.

– визуально контролировать уровень электролита в каждом элементе батареи и его чистоту;

– определять сульфатацию торцов пластин;

– наблюдать “кипение” электролита при заряде;

– ареометром проверять плотность электролита;

– делать отбор электролита на лабораторный анализ.

Тем не менее не представляется возможным наблюдать сульфатацию и коробление внутренних пластин, сравнивать и измерять, делать анализ глубинных слоёв (ближе ко дну бака) электролита, хотя в технических описаниях указывается, что состав электролита, сульфатация и деформация пластин различны внутри объёма аккумуляторного элемента.

Все ЗНА можно условно разделить на два типа:

А) Конструкция с избыточным объёмом электролита обеспечивает запас на “выкипание”, так что долив электролита необходим примерно 1 раз в год.

Б) Конструкция с доливом воды аналогична закрытой конструкции, но предполагает в дополнение к описанному выше наличие резервуара с дистиллированной водой, снабжённого мерным клапаном. При понижении уровня электролита клапан открывается и происходит пополнение аккумуляторного бака. Плотность электролита при этом не регулируется, и, вследствие частичной летучести серной кислоты, происходит разбавление электролита.

Все современные негерметичные конструкции не рассчитаны на разборку и ремонт. Вскрытие возможно лишь путём нарушения целостности корпуса с опасностью последующего протекания.

Изготовитель гарантирует число попыток запуска (до 5), конечные напряжения на описанных выше интервалах для каждого типа аккумулятора, предназначенного для стартерного режима.

ЗНА обладают большим гарантийным сроком службы, высокой отдачей. Эти свойства зачастую играют определяющую роль при оснащении вводимых в строй и реконструируемых систем электропитания.

– осыпанием активной массы пластин в так называемый шлам которое преодолевается при помощи ингибиторов (замедлителей коррозии), вводимых в активную массу положительных пластин.

– сульфатацией пластин при разряде (саморазряде) и длительном хранении, которая замедляется применением так называемого “плавающего заряда” (Float charge).

Вследствие технологической разности во внутренних сопротивлениях элементов и повышенного напряжения “плавающего заряда” происходят два процесса, приводящие , в конечном итоге, к выходу из строя элементов батареи:

– “температурный разбег” напряжений на элементах;

– выкипание воды из элементов, “опережающих по напряжению”.

Таким образом, повышенному буферному напряжению сопутствуют два процесса:

– увеличение разброса параметров элементов батареи;

– выкипание воды из электролита и осыпание в шлам пластин.

Пониженному буферному напряжению сопутствует сульфатация пластин.

Выкипание воды из элементов сопровождается потерей ёмкости. Известно, что потеря 10% воды приводит к выходу из строя элемента по снижению ёмкости до 80% от номинальной. Некоторые фирмы для компенсации потери воды изготавливают аккумуляторы с избыточным объемом электролита.

Поскольку возможна компенсация выкипания воды, напряжение “плавающего заряда” для негерметичных аккумуляторов выбирается на пороге кипения электролита, величина его достаточна для компенсации саморазряда самого “отстающего” элемента батареи.

Более сложный способ (как правило, он является дополнением к первому) установка выравнивателей напряжения, рис. 2.5.1. Способ состоит в том, что параллельно каждому элементу батареи или только тем у которых наибольшее напряжение устанавливается нелинейный балласт. Выравнивание напряжения происходит за счет ограничения напряжения (параллельным параметрическим стабилизатором) на элементах на уровне необходимого “плавающего” (2.21В). Поскольку напряжение на батарее стабильно, то уменьшение напряжения на нескольких элементах приводит к пропорциональному увеличению напряжения на остальных.

Наличие отмеченных выше недостатков “классических” аккумуляторов привело к созданию герметичных с рекомбинацией газа (ГРГ) аккумуляторов с регулированием газовыделения и которые в зарубежной литературе получили название VRLA (Valve Regulated Lead Acid). В настоящее время, благодаря новым техническим решениям, ГРГ-аккумуляторы обладают бу льшей энергией на единицу массы, по сравнению с открытыми (рис 3.1).

Регулирующий клапан осуществляет одностороннее пропускание газов из бака аккумулятора наружу, но препятствует проникновению газообразных и иных примесей внутрь бака. Избыточное давление, создаваемое внутри бака регулируется клапаном и способствует протеканию процессов рекомбинации газа. Кроме того, клапан выполняет защитную функцию – предохраняет бак от разрушения повышенным внутренним давлением при закипании электролита.

Аккумуляторы ГРГ различаются способом абсорбции (связывания) электролита и газов. Из анализа технических описаний герметичных аккумуляторов таких фирм как YUASA, CHLORIDE, VARTA, HAGEN, OLDHAM France, выделено два типа связывания электролита:

А) Пропитка электролитом стекловолоконного сепаратора (СВС) сернокислотным электролитом. Капиллярная структура сепаратора предотвращает вытекание электролита. По такому принципу строятся аккумуляторы типа ГРГ-СВС фирм OLDHAM France, YUASA и CHLORIDE.

Б) Электролит с желеобразным силиконом (ГРГ-Гель) нетекучей, вязкой консистенции. Сепаратор в этом случае изготавливается аналогично “классическим” аккумуляторам. По такому принципу строятся аккумуляторы VARTA и HAGEN.

Стекловолоконный сепаратор СВС плотно прилегает к пластинам и препятствует их осыпанию, выполняя роль “опалубки” для активной массы. Желеобразный электролит используется совместно с “классическими” сепараторами, поэтому процессы осыпания пластин в желейных (гельных) аккумуляторах более интенсивны. Технологически желе-технология более дешева, однако технические характеристики аккумуляторов различаются. Ниже на рисунке приведены зависимости количества циклов заряд-разряд для обоих типов аккумуляторов.

Если герметичность бака нарушается, и внешний воздух проникает внутрь бака, коррозия отрицательной пластины усиливается за счёт кислорода воздуха.

Повышенное, по сравнению с атмосферным, давление внутри бака, регулируемое клапаном, способствует активизации химических реакций. Но повышенное давление усиливает коррозию пластин. Существует оптимальное давление внутри бака, при котором ежегодная потеря ёмкости за счёт коррозии равна потере ёмкости за счёт выкипания электролита (высушивания).

Коррозия пластин уменьшается применением сплавных пластин, причем различных сплавов для положительной и отрицательной. Зависимость процента коррозии пластин (по площади) от срока службы приведена на рис. для различных типов сплавов пластин (спл.).

Понижение напряжения “плавающего заряда”, как и понижение температуры ведут к саморазряду. Саморазряд приводит уменьшению гарантированного времени разряда до конечного напряжения. Сульфатация уменьшает эффективную площадь пластин и максимальную фактическую ёмкость.

Повышение напряжения “плавающего заряда”, как и повышение температуры ведут к потере воды и осыпанию пластин – старению аккумулятора.

Изменение температуры и зарядного напряжения, к одинаково влияют на долговечность аккумуляторов. Повышение любого из параметров ведёт к потере воды, понижение – к сульфатации.

Как старение, так и сульфатация приводят в конечном счёте к выходу из строя аккумулятора по критерию снижения фактической ёмкости ниже 80% от номинальной.

Существует оптимальное с точки зрения ресурса и долговечности напряжение “плавающего заряда” для каждого значения температуры батареи. Тем не менее, относительное изменение температуры менее существенно сказывается на ресурсе батареи, чем относительное изменение напряжения. В некоторой степени возможно за счёт увеличения напряжения “плавающего заряда” скомпенсировать уменьшение температуры и наоборот, уменьшением напряжения скомпенсировать её повышение.

Важно отметить, что термокомпенсация напряжения заряда для ГРГ батарей служит единственным способом добиться компромисса между сульфатацией и потерей воды, поскольку компенсация этой потери невозможна.

В настоящее время фирмы-изготовители источников питания, такие, как YUASA, SIEMENS, ABB, TeleNokia, ITALTEL, Epicsson Nikola Tesla, выпускают выпрямители поддерживающие режим термокомпенсации “плавающего заряда”. Отечественных выпрямителей такого класса в настоящее время нет. На рисунке 3.3 приведена типичная зависимость напряжения “плавающего заряда” от температуры, поддерживаемая указанными выше выпрямителями.

– ежемесячный поэлементный контроль напряжения на восьми элементах батареи с регистрацией в аппаратном журнале.

– ежегодный тест на сохранение ёмкости, включающий номинальный заряд, паузу 1 час, разряд током 8А в течении часа, контроль ЭДС.

Существует следующее способы автотестирования:

а) Разряд на штатную активную (нетехнологическую) нагрузку с отключением от выпрямителя, с последующим штатным зарядом от выпрямителя в комплекте с батареей;

б) Разряд на технологическую нагрузку с отключением выпрямителя, обеспечивающего режим “плавающего заряда”; при таком способе должны быть соблюдены несколько условий:

– отсутствие аварийного состояния в течении времени полного заряда батареи (примерно 24часа) для гарантии полной ёмкости в батарее;

– примерное равенство тока технологической нагрузки номинальному току разряда батарей;

в) Циклирование разряда-заряда автоматизированным тестером при выведении батареи из технологии и использовании специализированного зарядно-разрядного устройства.

4.1.2 Тестирование по внутренним параметрам батареи проводится с подключением специального стационарного или переносного тестера рис. 4.1. При этом измеряются:

– внутреннее сопротивление по постоянному и переменному току;

– фарадеевская ёмкость элемента (ячейки);

– напряжение на элементе;

– ток элемента (батареи).

По измеренным параметрам алгоритмически, с помощью микро-ЭВМ определяются следующие технические характеристики батареи (элемента):

– фактическая ёмкость в ампер-часах;

– процент сульфатации;

– остаточный ресурс (во временном измерении или в циклах заряд-разряд).

Данный способ обеспечивает высокую точность и достоверность измерения. Недостатки, присущие этому способу ограничивают область его применения:

– необходимость введения специальных измерительных элементов в технологические цепи;

– необходимость использования тест-сигналов, подводимых к шинам батареи, которые влияют на качество напряжения питания аппаратуры;

– требуется высокая квалификация обслуживающего персонала при проведении подключений;

– высокая цена устройства.

4.1.3 Тестирование на форсированном температурном цикле проводится в лабораторных условиях с отдельными элементами, принимаемыми на эксплуатацию. Как сказано выше, высокая температура усиливает коррозионные процессы, выкипание воды. Таким образом, при повышенной температуре воздуха можно имитировать ускоренное старение элементов для прогнозирования срока их службы в нормальных условиях.

Данный способ обладает большой погрешностью, поскольку:

– не использует предысторию аккумулятора;

– контролирует малые разности напряжений на фоне шумов нагрузки аккумулятора; это свойство частично исправляется за счет усреднения (интегрирования) разностного сигнала.

4.2.2 Контроль заряженности при помощи импульсного разряда допустим в пределах требований к качеству напряжения аккумулятора. Метод основывается на увеличении внутреннего сопротивления аккумулятора в процессе разряда. Суть метода такова: параллельно нагрузке подключается схема, состоящая из последовательно включенных мощного электронного ключа с сопротивлением, много меньше сопротивления нагрузки. Через определённые интервалы времени через ключ пропускают серию коротких импульсов рис.4.2. Энергия аккумулятора, расходуемая на эти импульсы незначительна. Тестирование проводится автоматически программно-логическим устройством по глубине провала напряжения во время импульса.

При этом, в аккумуляторной батарее, где один или несколько элементов частично потеряли ёмкость, в основном эти элементы будут определять результаты тестирования.

4.2.3 Учет полученного и отданного батареей количества электричества предполагает использование так называемых счётчиков ампер-часов. Поскольку отдача батареи в ампер-часах не равна 100%, и зависит от времени эксплуатации, необходимо постоянно учитывать поправку, связывающую фактическую ёмкость в батарее (которую она способна отдать в нагрузку), полученное и отданное ею количество ампер-часов. Кроме того, известна зависимость фактической емкости от температуры батареи. В результате, при помощи этого метода можно измерять и прогнозировать емкость с точностью ± 5%. При изменении отдачи батареи (старение) точность может сильно ухудшится. Отдача также зависит от разрядного тока, что требует соответствующей коррекции показаний счётчика.

4.2.4 Комбинированный метод получает наибольшее распространение в настоящее время, поскольку сочетает в себе в той или иной мере все прежде описанные методы.

Тестирование проводится с использованием высокопроизводительной вычислительной техники, статистических и эмпирических зависимостей. Ряд зарубежных фирм предлагает подобные устройства в качестве отдельных и встраиваемых компонентов систем гарантированного питания.

В зарубежной литературе представлено несколько комбинированных систем контроля состояния батареи, одна из них изображена на рисунке.

Типичная диагностическая система (Battery Diagnostic System) состоит из измерительно-коммутационного блока (1), вычислительного блока (персональ-ный компьютер 486DX4x100) (2) и печатающего устройства. Измерительно-ком-мутационный блок содержит измерительные аналого-цифровые преобразователи, аварийные выключатели нагрузки батареи, интерфейс на базе однокристальной микро-ЭВМ и светодиодную сигнализацию – “BDS-исправно”, “Разряд батареи”, “Авария батареи”, “Критическая остаточная ёмкость”. Такая система позволяет накапливать и анализировать информацию о состоянии батареи (нескольких батарей) и выводить её в удобном виде.

В настоящее время предлагаются системы контроля и содержания аккумуляторных батарей особо надёжных систем с поэлементным контролем. Такой подход позволяет заблаговременно позаботиться о восстановлении ненадёжных элементов, не дожидаясь их явного отказа.

В качестве рекомендаций для отечественного потребителя рекомендуется модернизация отечественных телекоммуникационных систем электропитания по следующим направлениям. Направления приведены по мере значимости.

5.1 Контроль недопустимого разряда и превышения напряжения. Наиболее необходимая функция системы электропитания с аккумуляторной батареей. Система контроля должна сочетаться с системой аварийного отключения нагрузки при глубоком разряде, местной и дистанционной (удалённой) сигнализацией.

5.2.1 Повышение стабильности напряжения выпрямителей до ± 1%. В настоящее время отечественные выпрямители обеспечивают суммарную временную, температурную и нагрузочную (по току нагрузки) стабильность не лучше ± 1%. Положение усугубляется тем, что выпрямители отечественные выпрямители стабилизируют напряжение непосредственно на своём выходе. Влияние токораспределительной сети сказывается на стабильности напряжения.

5.2.2 Температурная компенсация напряжения “плавающего заряда”. Данное направление необходимо при переходе на ГРГ аккумуляторы. Без модернизации в этом направлении отечественного выпрямительного оборудования, срок службы ГРГ будет значительно ниже (примерно на 50%), по сравнению с заявленным фирмой-изготовителем. Кроме того, претензии на выход из строя батареи в режиме содержания без термокомпенсации фирмами-изготовителями не принимаются.

Пункты 5.2.1 и 5.2.2 могут быть выполнены при разработке дополнительного устройства, включаемого в цепь обратной связи серийного выпрямителя. Предлагаемое устройство должно находиться в непосредственной близости от батареи, контролировать окружающую температуру батареи, возможно температуру корпусов элементов, а также напряжение непосредственно на зажимах батареи.

Поскольку для правильного содержания батареи необходимо соблюдение среднего значения “плавающего напряжения”, устройство может обладать невысоким быстродействием, интегрируя флуктуации напряжения выпрямителя. Таким образом, устройство не должно влиять на динамику выпрямителя, а лишь статически (квазистатически) корректировать по цепи основной обратной связи выходное напряжение выпрямителя.

– для более гибкого управления током нагрузки в режиме отключения основного источника (вплоть до отключения неприоритетных потребителей с предварительным их оповещением);

– для анализа и сопоставления резервного времени разряда батареи фактическим током с предполагаемым временем восстановления аварийной ситуации.

– для автоматического учёта фактически полученной и отданной батареей ёмкости с целью принятия решения о её работоспособности и оставшемся ресурсе.