Март 2016

Как известно, работа свинцово-кислотной аккумуляторной батареи основана на возникновении разности потенциалов между двумя электродами, погруженными в электролит. Активное вещество отрицательного катода – чистый свинец, а положительного анода – двуокись свинца. В системах резервного и автономного питания могут применяться аккумуляторы, изготовленные по разным технологиям: обслуживаемые наливные, герметичные гелевые или AGM. Вне зависимости от технологии, химические процессы, протекающие в свинцово-кислотных аккумуляторах, схожи:

При разряде через пластины проходит электрический ток, и пластины покрываются серным окислом (сульфатом) свинца. Сульфат свинца оседает на пластинах в виде пористого налета. При заряде идет обратная реакция восстановления активного вещества, на отрицательных пластинах накапливается чистый свинец, а на положительных – пористая масса окиси свинца. К сожалению, полное восстановление активного вещества в каждом новом цикле разряда-заряда невозможно . При эксплуатации неизбежно происходит так называемое старение аккумулятора, то есть постепенная потеря емкости – вплоть до допустимого предела эксплуатации, обычно принимаемого по снижению емкости до 60% от исходной. В идеальных условиях реальный срок эксплуатации аккумуляторов в буферном режиме может приближаться к номинальному.

Процесс старения аккумулятора может значительно ускориться в силу действия следующих разрушающих процессов:

• Сульфатация пластин;
• Коррозия пластин и осыпание активной массы;
• Испарение электролита или так называемое «высыхание» аккумулятора;
• Стратификация электролита (характерно только для наливных АКБ).

Сульфатация пластин

Когда аккумулятор разряжен, рыхлая активная масса превращается в твердые микрокристаллы сульфата свинца. Если зарядку аккумулятора не производить длительное время, микрокристаллы укрупняются, налет уплотняется и перекрывает доступ электролита к пластинам, что делает зарядку аккумулятора невозможной. Факторы, повышающие риск сульфатации: длительное хранение в разряженном состоянии; хронический недозаряд аккумулятора в циклическом режиме (необходим 100% заряд не реже чем раз в месяц); экстремально глубокий разряд аккумулятора. Сульфатация пластин может быть частично устранена специальными режимами заряда АКБ.

Коррозия и осыпание активного вещества

При коррозии чистый свинец решетки пластин, взаимодействуя с водой, окисляется в окись свинца. Окись свинца хуже проводит электроток к активному веществу намазки пластин, повышает внутреннее сопротивление и уменьшает стойкость аккумулятора к высоким токам разряда. На положительных пластинах коррозия ослабляет сцепление решетки с активным веществом. Кроме того, само активное вещество положительной пластины постепенно теряет прочность. При каждом цикле намазной слой пластины меняет состояние из объемной массы микрокристаллов окиси свинца в жесткую кристаллическую структуру сульфата свинца. Чередование сжатия и расширения снижает физическую прочность намазного слоя, что в сочетании с ослаблением сцепления приводит к сползанию и осыпанию активного вещества на дно аккумулятора. Коррозия и накопление отслоившегося активного вещества могут приводить к деформации пластин аккумулятора и, при наихудшем развитии событий, к их замыканию.

Факторы, повышающие риск коррозии и осыпания активной массы:

• заряд слишком высоким напряжением;
• заряд недостаточным током – то есть долгое нахождение под высоким напряжением в фазе наполнения;
• слишком долгое нахождение в фазе абсорбции («перезаряд»);
• заряд аккумулятора слишком большим током;
• ускоренный разряд аккумулятора слишком большим током.

Осыпание (сползание) активной массы электролита – необратимое явление. Самое опасное последствие сползания активной массы – замыкание пластин.

Испарение электролита

При разряде на положительной пластине аккумулятора из воды образуется кислород. В нормальных условиях поддерживающего заряда кислород рекомбинирует на отрицательной пластине аккумулятора с водородом, восстанавливая исходное количество воды в электролите. Но диффузия кислорода в сепараторе затруднена, поэтому процесс рекомбинации не может быть 100% эффективным. Снижение доли воды изменяет зарядные характеристики аккумулятора и при определенном пороге делает заряд полностью невозможным. Факторы, повышающие риск «высыхания аккумулятора»: эксплуатация при высокой температуре окружающей среды; заряд слишком большим током или напряжением; слишком высокое напряжение поддерживающего заряда - «перезаряд» аккумулятора.

Испарение электролита – необратимое явление для гелевых и AGM аккумуляторов. Основная причина высыхания, особенно для AGM – «перезаряд» аккумуляторов.

Терморазгон и термический пробой аккумуляторов

Старение аккумулятора в силу перечисленных выше процессов происходит ускоренными темпами, однако все же достаточно медленно и часто незаметно.

Рекомбинация газов в герметичной батарее – это химический процесс с выделением тепла. Когда рекомбинация идет при правильных значениях напряжения и тока заряда, нагрев не создает проблем. Однако, когда батарея перезаряжена , внутренняя температура повышается быстрее, чем батарея может быть охлаждена снаружи. Повышение температуры уменьшает зарядное напряжение, что в стадии абсорбции приводит к одновременному увеличению тока. Это в свою очередь вновь повышает температуру.

Запускается самоподдерживающийся цикл увеличения тока и тепловыделения, приводящий, при худшем развитии ситуации, к деформации решеток и внутреннему короткому замыканию с необратимым разрушением аккумулятора.

Факторы, повышающие риск появления эффекта терморазгона:

• прерывистый или «пульсирующий» заряд из-за нестабильного внешнего источника энергии или некачественного зарядного устройства;
• слишком долгое нахождение в фазе абсорбции – «перезаряд»;
• плохой теплоотвод или повышенная температура окружающей среды.

Специфика разрушающих процессов в цепочке АКБ

Нетрудно заметить, что при заряде отдельного аккумулятора все факторы риска устранимы обеспечением правильных условий эксплуатации и зарядного алгоритма. Однако в системах резервного энергоснабжения редко используется менее двух аккумуляторов. При параллельно-последовательном соединении зарядное устройство «видит» значения зарядного тока и напряжения только на оконечных клеммах, поэтому на отдельных аккумуляторах напряжения могут серьезно отличаться от рекомендуемых значений. Аккумулятор, имеющий более высокий уровень саморазряда (больший ток утечки), может вызывать перезаряд последовательно соединенных с ним элементов и неполный заряд параллельно соединенных с ним элементов . Перезаряд и недозаряд повышают риск проявления практически всех разрушающих процессов. Поэтому для уменьшения опасности все аккумуляторы в цепочке должны иметь одинаковое состояние заряда и максимально близкие значения емкости. Для новых установок рекомендуется использовать аккумуляторы не только одной марки, но и одной заводской партии. Однако практика показывает, что и в одной партии не бывает даже двух аккумуляторов с точно совпадающими характеристиками емкости, степени заряда и внутренних токов утечки. Тем более требование одинаковых характеристик недостижимо, когда нужно заменить поврежденный аккумулятор в уже эксплуатируемой батарее.

Незначительный разброс по степени заряженности новых аккумуляторов чаще всего сглаживается в процессе приработки за несколько циклов разряда и заряда. Но при значительном разбросе или различиях характеристик емкости разбаланс между отдельными АКБ массива со временем только возрастает.

Систематические перезаряды аккумуляторов с меньшей емкостью и возможные переполюсовки недозаряженных аккумуляторов при глубоких разрядах приводят к накоплению повреждений и выходу из строя отдельных аккумуляторов. В силу эффекта терморазгона даже один вышедший из строя аккумулятор может уничтожить весь массив батареи.

Активное выравнивание заряда аккумуляторов

Сгладить различия параметров аккумуляторов можно используя специальное устройство, называемое балансир заряда АКБ или нивелир разбаланса.

ВАЖНО! Применение балансиров заряда снижает риск возникновения разрушающих процессов, однако не может исправить уже серьезно поврежденный АКБ.

Физически устройство выравнивания заряда аккумуляторов представляет собой компактный электронный модуль, подключаемый к каждой паре последовательно соединенных элементов:

• для батареи номиналом 24В требуется один балансир заряда на цепочку (схема1).
• для батареи номиналом 48В требуется три балансира заряда на цепочку (схема 2).

Электропитание SBB осуществляется от самой батареи или от источника заряда. Собственное энергопотребление SBB мало и соизмеримо с потерями на саморазряд.

Эффективность нивелира SBB2-12-A принципиально выше, чем у других балансиров заряда, работа которых основана либо на шунтировании избыточной зарядной мощности (т.н. пассивные балансиры, создают прямые потери энергии), либо на селективном подзаряде элементов (выравнивание идет только во время заряда). Максимальный ток выравнивания SBB2-12-A – 5А, что превосходит возможности всех представленных на рынке альтернативных устройств.

Эффект применения балансира заряда :

1) Повышение общей надежности и увеличение срока службы аккумуляторов.

2) Увеличение энергоотдачи аккумуляторной батареи, т.к. при глубоких разрядах батарей более полно используется емкость всех аккумуляторов в последовательной цепи.

Балансиры SBB работают постоянно, поддерживая аккумуляторы в равновесном состоянии даже при выключенном зарядном устройстве.

Схема подключения

Схема подключения нивелира (балансира) на батарею 24В и 48В.

Ниже представлены схемы подключения нивелира заряда SBB2-12-A к свинцово-кислотным аккумуляторным аккумуляторам 12В в батареях номиналом 24В и 48В.

Схема 1. Батарея 24В из двух АКБ 12В	Схема 2. Батарея 48В из четырех АКБ 12В

Подключение нивелира (балансира) на батарею из нескольких параллельных цепочек.

Допускается работа одного балансира выравнивания заряда SBB на 2-3 параллельных цепочки аккумуляторов – если разбаланс невелик и нет превышения по максимальному току выравнивания. Отдельная балансировка каждой цепочки дает лучшие результаты за счет селективности корректирующего воздействия .

При использовании одного нивелира на несколько цепочек необходимо применять схему соединения аккумуляторов с шинами постоянного тока и соединением средних точек (Схема 3).

При использовании отдельного нивелира в каждой цепочке можно применять обычную схему соединения аккумуляторов (Схема 4).

Типы свинцово-кислотных аккумуляторов

На текущий момент на рынке аккумуляторов наиболее распространены следующие типы:

- SLA (Sealed Lead Acid) Герметичные свинцово-кислотные или VRLA (Valve Regulated Lead Acid) клапанно-регулируемые свинцово кислотные. Изготовлены по стандартной технологии. Благодаря конструкции и применяемых материалов, не требуют проверки уровня электролита и доливки воды. Имеют невысокую устойчивость к циклированию, ограниченные возможности работы при низком разряде, стандартный пусковой ток и быстрый разряд.

- EFB (Enhanced Flooded Battery) Технология разработана фирмой Bosch. Это промежуточная технология между стандартной и технологий AGM. От стандартной такие аккумуляторы отличаются более высокой устойчивостью к циклированию, улучшен прием заряда. Имеют более высокий пусковой ток. Как и у SLA\VRLA, есть ограничения работы при низкой заряженности.

- AGM (Absorbed Glass Mat) На текущий момент лучшая технология (по соотношению цена\характеристики). Устойчивость к циклированию выше в 3-4 раза, быстрый заряд. Благодаря низкому внутреннему сопротивлению обладает высоким пусковым током при низкой степени заряженности. Расход воды приближен к нулю, устойчива к расслоению электролита благодаря абсорбции в AGM-сепараторе.

- GEL (Gel Electrolite) Технология, при которой электролит находиться в виде геля. По сравнению с AGM обладают лучшей устойчивостью к циклированию, большая устойчивость к расслоению электролита. К недостаткам можно отнести высокую стоимость, и высокие требования к режиму заряда.

Существуют еще несколько технологий изготовления аккумуляторов, как связанных с изменением формы пластин, так и специфическими условиями эксплуатации. Не смотря на различие технологий, физико-химические процессы протекающие при заряде - разряде аккумулятора одинаковые. По-этому алгоритмы заряда различных типов аккумуляторов практически идентичны. Различия,в основном, связаны со значением максимального тока заряда и напряжения окончания заряда.

Например, при заряде 12-ти вольтового аккумулятора по технологии:

Определение степени заряженности аккумулятора

Есть два основных способа определения степени заряженности аккумулятора, измерение плотности электролита и измерение напряжения разомкнутой цепи (НРЦ).

НРЦ - это напряжение на аккумуляторе без подключенной нагрузки. Для герметичных (не обслуживаемых) аккумуляторов степень заряженности можно определить только измерив НРЦ. Измерять НРЦ необходимо не раньше, чем через 8 часов после остановки двигателя (отключения от зарядного устройства), с помощью вольтметра класса точности не ниже 1.0. При температуре аккумулятора 20-25оС (по рекомендации фирмы Bosch). Значения НРЦ приведены в таблице.

(у некоторых производителей значения могут отличаться от приведенных) Если степень заряженности аккумулятора меньше 80%, то рекомендуеться провести заряд.

Алгоритмы заряда аккумуляторов

Существуют несколько наиболее распространенных алгоритмов заряда аккумулятора. На текущий момент большинство производителей аккумуляторов рекомендуют алгоритм заряда CC\CV (Constant Current \ Constant Voltage – постоянный ток \ постоянное напряжение).

Такой алгоритм обеспечивает достаточно быстрый и «бережный» режим заряда аккумулятора. Для исключения долговременного пребывания аккумулятора в конце процесса заряда, большинство зарядных устройств переходит в режим поддержания (компенсации тока саморазряда) напряжения на аккумуляторе. Такой алгоритм называется трехступенчатым. График такого алгоритма заряда представлен на рисунке.

Указанные значения напряжения (14.5В и 13.2В) справедливы при заряде аккумуляторов типа SLA\VRLA,AGM. При заряде аккумуляторов типа GEL значения напряжений должны быть установлены соответственно 14.1В и 13.2В.

Дополнительные алгоритмы при заряде аккумуляторов

Предзаряд У сильно разряженного аккумулятора (НРЦ меньше 10В) увеличивается внутреннее сопротивление, что приводит к ухудшению его способности принимать заряд. Алгоритм предзаряда предназначен для «раскачки» таких аккумуляторов.

Асимметричный заряд Для уменьшения сульфатации пластин аккумулятора можно проводить заряд асимметричным током. При таком алгоритме заряд чередуется с разрядом, что приводит к частичному растворению сульфатов и восстановлению емкости аккумулятора.

Выравнивающий заряд В процессе эксплуатации аккумуляторов происходит изменение внутреннего сопротивления отдельных «банок», что в процессе заряда приводит неравномерности заряда. Для уменьшения разброса внутреннего сопротивления рекомендуется проводить выравнивающий заряд. При этом аккумулятор заряжают током 0.05...0.1C при напряжении 15.6...16.4В. Заряд проводиться в течении 2...6 часов при постоянном контроле температуры аккумулятора. Нельзя проводить выравнивающий заряд герметичных аккумуляторов, особенно по технологии GEL. Некоторые производители допускают такой заряд для VRLA\AGM аккумуляторов.

Определение емкости аккумулятора

В процессе эксплуатации аккумулятора его емкость уменьшается. Если емкость составляет 80% от номинальной, то такой аккумулятор рекомендуется заменить. Для определения емкости аккумулятор полностью заряжают. Дают отстояться в течении 1....5 часов и затем разряжают током 1\20С до напряжения 10.8В (для 12-ти вольтового аккумулятора). Количество отданных аккумулятором ампер-часов является его фактической емкостью. Некоторые производители используют для определения емкости другие значения тока разряда, и напряжения до которого разряжается аккумулятор.

Контрольно-тренировочный цикл

Для уменьшения сульфатации пластин аккумулятора одна из методик это проведение контрольно тренировочных циклов (КТЦ). КТЦ состоят из нескольких последовательных циклов заряда с последующим разрядом током 0.01...0.05С. При проведении таких циклов, сульфат растворяется, емкость аккумулятора может быть частично восстановлена.

Чудесные зарядки, десульфаторы, эквалайзеры, а вы знаете что то что многие им приписывают от незнания называются простым словом, алгоритм заряда. Я долго про это говорю и тем не менее все больше каких-то чудесных устройств и чудесных рассказов я слышу, о подобных устройствах. Странно, почему я обычный инженер уже через месяц наблюдений высказываю и рассказываю об этих алгоритмах, и оказывается они могут совпадать с другими типами устройств. То есть алгоритм у эквалайзера и, например, алгоритм ЗУ, или алгоритм ЗУ инвертора с эффектом выравнивания заряда, могут совпадать между собой.

Внимание: тут я не имею в виду и не говорю что они идентичны, так как в большинстве случаев он может допиливаться или писаться еще на теле МП -микропрограммы каждым самостоятельно с нуля. Формы импульсов и время импульсов, и импульс изменения напряжения, и тока могут отличатся, и иметь разный временной диапазон. Но зачастую, в 50% случаев они могут быть схожи. Если не по времени, то по формам сигнала, если не по форме сигнала, но приближенные к ней.

Дабы каждый производитель опирается на свои наблюдения и свои данные.

Так вот сам по себе этот метод рабочий что у ЗУ, что у эквалайзера, что у ЗУ инверторов. Очень полезная микропрограмма, которая позволяет АКБ прослужить хоть не на 50% дольше, но на 10% шанс увеличить их жизнь существует.

Вообще, если АКБ вышел из строя, многие до сих пор рассказывают и верят в сказки. Покупают подобные вышеописанные устройства и ждут чуда. Но, к сожалению, это устройство ничего не воскрешает и ничего не восстанавливает. Его задача проводить профилактику АКБ в режиме реального времени. Вот именно из-за этой профилактики АКБ начинают вести себя стабильней, не уходят, например, при последовательном подключении один в перезаряд другой не в до заряд.

Как говорится, лучше вовремя делать профилактику, чем потом четно пытаться устранить последствия.

Да наслушался сказок я про эти чудо устройства, 4 года собирал свою статистику, и вот наконец все сложилось. Конечно же, разбор устройства точно расставит все точки над И и наличие дросселя или ваттных сопротивлений скажет о том, что есть раскачка. Но это не говорит о том что один АКБ должен разряжаться, заряжая другой, это ребятки полный бред 🙂

Ибо задача этих устройств выравнивать напряжение банок АКБ, которых у 12 вольтового АКБ 6, у щелочного 10, и соответственно в два раза больше у 24 вольтового АКБ и так далее.

Честно я думал по началу что это устройство разряжает заряженный АКБ, но посмотрев результат уже на второй год я от этого отказался. Принцип схож с десульфатором, но алгоритмы другие. В общем в будущем расковыряю и произведу полное тестирование. Устройство мне никто не дарил и оно было куплено за личные средства и это мое мнение. Больше инфы, больше и точнее будут данные. Но факт в том, что они уже не совпадают с мнением большинства — это точно.

Одинаковый ток подзаряда даже при оптимальном напряжении подзаряда батареи может быть недостаточным для поддержания всех элементов батареи в полностью заряженном состоянии. Это происходит из-за различий в саморазряде отдельных элементов.

Для приведения всех элементов АБ в полностью заряженное состояние и для предупреждения сульфатации электродов необходимо проводить уравнительные заряды напряжением 2,30ч2,35 В на элемент до достижения установившегося значения плотности электролита во всех элементах 1,20ч1,21г/см3 при температуре 20 °С. Уравнительный заряд проводят по программе. Производить уравнительный заряд батареи должен работник, ответственный за эксплуатацию АБ.

Для фирменных батарей необходимость, периодичность и условия выполнения уравнительных зарядов определяют в соответствии с технической документацией фирм-поставщиков или заводов-изготовителей.

Частота проведения уравнительных зарядов и их продолжительность зависят от состояния батареи и должны быть не реже одного раза в год с продолжительностью не менее 6 часов. На тех АБ, где по условию работы электроустановки напряжение подзаряда может поддерживаться только на уровне 2,15 В на элемент, уравнительные заряды необходимо проводить ежеквартально

Если во время контроля отклонение напряжения на АЭ превышает среднее значение на ±0,05 В, то необходимо дополнительно проконтролировать плотность электролита в этом элементе (и при необходимости скорректировать ее). Если в АБ имеются единичные элементы с пониженным напряжением и сниженной плотностью электролита (отстающие аккумуляторы), то для них необходимо проводить дополнительный уравнительный заряд от отдельного выпрямительного устройства.

Уравнительный заряд производится без вывода АБ из работы. Зарядное устройство включается по схеме заряда на все элементы (основные и концевые). Номинальное напряжение на шинах постоянного тока поддерживается при помощи переключения шинок управления в положение 100го элемента. Для выравнивания тока заряда необходимо подключить дополнительное разрядное сопротивление между 100м и последним элементом (RН1).

В том случае, если аккумуляторная батарея имеет дополнительные элементы, то необходимо подключить дополнительное разрядное сопротивление параллельно этим элементам (Rн2).Возможен вариант использования одного регулируемого сопротивления, в нормальном режиме подключенного между 108-120 эл., которое при уравнительном заряде подключается к 100 - 120 эл.

Контрольный разряд АБ

Контрольный разряд АБ на ПС производится с целью определения ее фактической емкости током 10ти или 3х часового режима разряда. Решение о проведении контрольного разряда оформляется после анализа ее состояния и работоспособности по результатам инспекторских осмотров, проверки толчковым током, наличии значительного количества отстающих элементов, наличии невыясненных причин отказов включения масляных выключателей. Контрольный разряд выполняет лицо, ответственное за эксплуатацию АБ, при наличии разрешенной заявки и в соответствии с утвержденной главным инженером МЭС программой.

Перед контрольным разрядом АБ необходимо произвести уравнительный заряд АБ. Перед началом разряда необходимо зафиксировать дату разряда, напряжение, плотность электролита каждого АЭ и температуру в контрольных элементах.

Глубина разряда должна строго контролироваться по двум параметрам: по напряжению и плотности электролита. Если контрольный разряд проводится током 3х или 10ти часового режима разряда, то в этом случае разряд должен прекращаться при достижении хотя бы на одном элементе напряжения 1,8 В. При разряде малыми токами разряд должен прекращаться:

· при снижении напряжения до 1,8 В хотя бы на одном элементе;

· при снижении плотности электролита до значения с= 1,15 г/см3 (на 0,03ч0,05 г/см3 против первоначальной плотности в начале разряда)

· при снятии номинальной емкости 10ти часового режима разряда.

При разряде не допускается отнимать от АБ емкость, большую гарантированной для данного режима разряда. Во время разряда на контрольных и отстающих АЭ следует измерять температуру и плотность электролита согласно с таблицей №2.

Таблица №2 Объем необходимых измерений при разряде АБ

В конце разряда на всех элементах АБ необходимо измерить и записать напряжение, температуру и плотность электролита, а также напряжение между полюсами АБ и между каждым полюсом и «землей». Отобрать пробы электролита из контрольных элементов для химического анализа и проверки содержания примесей в электролите. После первого года эксплуатации анализ электролита необходимо выполнить из всех элементов АБ.

Значение тока разряда каждый раз должно быть одно и то же Результаты измерений при контрольных разрядах должны сравниваться с результатом измерений предыдущих разрядов. Их значения не должны отличаться более чем на 10 %.

Если при контрольном разряде выяснится, что емкость АБ значительно отличается от номинальной, необходимо проверить емкость электродов при помощи кадмиевого электрода и в зависимости от результатов проверки наметить мероприятия по восстановлению емкости АБ.