Устройство кислотного аккумулятора. Устройство и принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора: полное руководство — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как устроен свинцово-кислотный аккумулятор. Какие химические процессы происходят при его работе. Каковы преимущества и недостатки этого типа аккумуляторов. Как правильно эксплуатировать и обслуживать свинцово-кислотные батареи.

Содержание

Основные компоненты свинцово-кислотного аккумулятора

Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из следующих основных компонентов:

Положительные электроды (пластины) из диоксида свинца (PbO2)
Отрицательные электроды (пластины) из губчатого свинца (Pb)
Электролит — раствор серной кислоты (H2SO4) в воде
Сепараторы между электродами
Корпус из пластика или эбонита
Крышка с отверстиями для долива электролита
Выводные клеммы

Электроды изготавливаются в виде решетчатых пластин, на которые нанесена активная масса. Решетки служат токоотводами и придают пластинам механическую прочность. Сепараторы предотвращают короткое замыкание между разноименными электродами.

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора основан на обратимых электрохимических реакциях между свинцом, диоксидом свинца и серной кислотой. Рассмотрим процессы, происходящие при разряде и заряде:

Процесс разряда:

При подключении нагрузки к выводам аккумулятора происходят следующие реакции:

На отрицательном электроде губчатый свинец окисляется и образует сульфат свинца: Pb + SO4^2- → PbSO4 + 2e-
На положительном электроде диоксид свинца восстанавливается до сульфата свинца: PbO2 + SO4^2- + 4H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O

В результате на обоих электродах образуется сульфат свинца, а концентрация серной кислоты в электролите уменьшается. Это приводит к снижению плотности электролита.

Процесс заряда:

При подключении источника тока к выводам аккумулятора происходят обратные реакции:

На отрицательном электроде сульфат свинца восстанавливается до губчатого свинца: PbSO4 + 2e- → Pb + SO4^2-
На положительном электроде сульфат свинца окисляется до диоксида свинца: PbSO4 + 2H2O → PbO2 + SO4^2- + 4H+ + 2e-

В результате на электродах восстанавливаются исходные активные вещества, а концентрация серной кислоты увеличивается. Плотность электролита при этом повышается.

Основные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Рассмотрим ключевые параметры, характеризующие свинцово-кислотные аккумуляторы:

Емкость — количество электричества, которое аккумулятор может отдать при разряде (измеряется в ампер-часах)
Напряжение — для одного элемента составляет около 2 В
Внутреннее сопротивление — определяет способность отдавать большие токи
Саморазряд — потеря емкости при хранении без нагрузки
Срок службы — зависит от режимов эксплуатации и обслуживания

Емкость аккумулятора зависит от площади пластин, их конструкции и состава активной массы. Увеличить емкость можно за счет применения пористых электродов с развитой поверхностью.

Преимущества и недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов

Основные преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов:

Низкая стоимость
Простота конструкции
Способность отдавать большие токи
Хорошо отработанная технология производства
Возможность глубокого разряда

Недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов:

Относительно небольшая удельная энергоемкость
Ограниченное число циклов заряд-разряд
Необходимость регулярного обслуживания
Чувствительность к глубоким разрядам
Выделение взрывоопасных газов при заряде

Несмотря на недостатки, свинцово-кислотные аккумуляторы остаются одними из самых распространенных благодаря низкой стоимости и надежности.

Правила эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов

Для обеспечения длительного срока службы свинцово-кислотных аккумуляторов необходимо соблюдать следующие правила эксплуатации:

Не допускать глубокого разряда (ниже 1,7-1,8 В на элемент)
Своевременно подзаряжать даже при хранении
Контролировать уровень и плотность электролита
Не допускать перезаряда и чрезмерного выделения газов
Избегать высоких температур и замерзания электролита
Периодически проводить уравнительный заряд

Правильная эксплуатация позволяет значительно продлить срок службы аккумуляторов и сохранить их характеристики.

Современные разновидности свинцово-кислотных аккумуляторов

В настоящее время существует несколько разновидностей свинцово-кислотных аккумуляторов с улучшенными характеристиками:

AGM (Absorbent Glass Mat) — с абсорбированным электролитом в стекловолоконных сепараторах
Гелевые — с загущенным электролитом в виде геля
EFB (Enhanced Flooded Battery) — с улучшенной жидкой заливкой для автомобилей с системой Start-Stop
VRLA (Valve Regulated Lead Acid) — герметизированные с регулирующими клапанами

Эти типы аккумуляторов отличаются повышенной стойкостью к глубоким разрядам, меньшим саморазрядом и увеличенным сроком службы по сравнению с обычными свинцово-кислотными батареями.

Обслуживание свинцово-кислотных аккумуляторов

Для поддержания работоспособности свинцово-кислотных аккумуляторов необходимо проводить следующие операции обслуживания:

Периодическая проверка уровня электролита и доливка дистиллированной воды
Контроль плотности электролита в каждой банке
Очистка поверхности аккумулятора и клемм от загрязнений
Подтяжка клеммных соединений
Проведение контрольно-тренировочных циклов
Уравнительный заряд для выравнивания плотности электролита

Правильное и своевременное обслуживание позволяет предотвратить преждевременный выход аккумуляторов из строя и сохранить их емкость.

Применение свинцово-кислотных аккумуляторов

Благодаря своим характеристикам свинцово-кислотные аккумуляторы широко применяются в различных областях:

Автомобильные стартерные батареи
Источники бесперебойного питания
Системы автономного энергоснабжения
Источники питания для электротранспорта
Резервные источники питания в телекоммуникациях
Накопители энергии в солнечных и ветряных электростанциях

Несмотря на появление новых типов аккумуляторов, свинцово-кислотные батареи остаются востребованными благодаря низкой стоимости и надежности.

§42. Кислотные аккумуляторы | Электротехника

Принцип действия. Аккумулятором называется химический источник тока, который способен накапливать (аккумулировать) в себе электрическую энергию и по мере необходимости отдавать ее во внешнюю цепь. Накапливание в аккумуляторе электрической энергии происходит при пропускании по нему тока от

Рис. 158. Заряд (а) и разряд (б) аккумулятора

постороннего источника (рис. 158,а). Этот процесс, называемый зарядом аккумулятора, сопровождается превращением электрической энергии в химическую, в результате чего аккумулятор сам становится источником тока. При разряде аккумулятора (рис. 158, б) происходит обратное превращение химической энергии в электрическую. Аккумулятор обладает большим преимуществом по сравнению с гальваническим элементом. Если элемент разрядился, то он приходит в полную негодность; аккумулятор же. после разряда может быть вновь заряжен и будет служить источником электрической энергии. В зависимости от рода электролита аккумуляторы разделяют на кислотные и щелочные.

На локомотивах и электропоездах наибольшее распространение получили щелочные аккумуляторы, которые имеют значительно больший срок службы, чем кислотные. Кислотные аккумуляторы ТН-450 применяют только на тепловозах, они имеют емкость 450 А*ч, номинальное напряжение — 2,2 В. Аккумуляторная батарея 32 ТН-450 состоит из 32 последовательно соединенных аккумуляторов; буква Т означает, что батарея установлена на тепловозе, буква Н — тип положительных пластин (намазные).

Устройство. В кислотном аккумуляторе электродами являются свинцовые пластины, покрытые так называемыми активными массами, которые взаимодействуют с электролитом при электрохимических реакциях в процессе заряда и разряда. Активной массой положительного электрода (анода) служит перекись свинца PbO₂, а активной массой отрицательного электрода (катода) — чистый (губчатый) свинец Pb. Электролитом является 25—34 %-ный водный раствор серной кислоты.

Пластины аккумулятора могут иметь конструкцию поверхностного или намазного типа. Пластины поверхностного типа отливают из свинца; поверхность их, на которой происходят электрохимические реакции, увеличена благодаря наличию ребер, борозд и т. п. Их применяют в стационарных аккумуляторных батареях и некоторых батареях пассажирских вагонов.

В аккумуляторных батареях тепловозов применяют пластины намазного типа (рис. 159, а). Такие пластины имеют остов из сплава свинца с сурьмой, в котором устроен ряд ячеек, заполняемых пастой.

Ячейки пластин после заполнения пастой закрывают свинцовыми листами с большим количеством отверстий. Эти листы предотвращают возможность выпадания из пластин активной массы и не препятствуют в то же время доступу к ней электролита.

Исходным материалом для изготовления пасты для положительных пластин служит порошок свинца Pb, а для отрицательных— порошок , перекиси свинца PbO₂, которые замешиваются на водном растворе серной кислоты. Строение активных масс в таких пластинах пористое; благодаря этому в электрохимических реакциях участвуют не только поверхностные, но и глубоколежащие слои электродов аккумулятора.

Для повышения пористости и уменьшения усадки активной массы в пасту добавляют графит, сажу, кремний, стеклянный порошок, сернокислый барий и другие инертные материалы, называемые расширителями. Они не принимают участия в электрохимических реакциях, но затрудняют слипание (спекание) частиц свинца и его окислов и предотвращают этим уменьшение пористости.

Намазные пластины имеют большую поверхность соприкосновения с электролитом и хорошо им пропитываются, что способствует уменьшению массы и размеров аккумулятора и позволяет получать при разряде большие токи.

Рис. 159. Устройство пластин (а) и общий вид (б) кислотного аккумулятора: 1 — блок намазных отрицательных пластин; 2 — выводные штыри; 3 — блок панцирных положительных пластин; 4 — панцирь; 5 — активная масса; 6 — отверстие с пробкой для заливки электролита; 7 — крышка; 8 — эбонитовый сосуд; 9 — пространство для осаждения шлама

При изготовлении аккумуляторов пластины подвергают специальным зарядно-разрядным циклам. Этот процесс носит название формовки аккумулятора. В результате формовки паста положительных пластин электрохимическим путем превращается в перекись (двуокись) свинца PbO₂ и приобретает коричневый цвет. Паста отрицательных пластин при формовке переходит в чистый свинец Pb, имеющий пористую структуру и называемый поэтому губчатым; отрицательные пластины приобретают серый цвет.

В некоторых аккумуляторах применены положительные пластины панцирного типа. В них каждая положительная пластина заключена в специальный панцирь (чехол) из эбонита или стеклоткани. Панцирь надежно удерживает активную массу пластины от осыпания при тряске и толчках; для сообщения же активной массы пластин с электролитом в панцире делают горизонтальные прорези шириной около 0725 мм.

Для предотвращения замыкания пластин посторонними предметами (щупом для измерения уровня электролита, устройством для заливки электролита и др.) пластины в некоторых аккумуляторах покрывают полихлорвиниловой сеткой.

Для увеличения емкости в каждый аккумулятор устанавливают несколько положительных и отрицательных пластин; одноименные пластины соединяют параллельно в общие блоки, к которым приваривают выводные штыри. Блоки положительных и отрицательных пластин обычно устанавливают в эбонитовом аккумуляторном сосуде (рис. 159,б) так, чтобы между каждыми двумя

Рис. 160. Прохождение через электролит положительных и отрицательных ионов при разряде (а) и заряде (б) кислотного аккумулятора

пластинами одной полярности располагались пластины другой полярности. По краям аккумулятора ставят отрицательные пластины, так как положительные пластины при установке по краям склонны к короблению. Пластины отделяют одну от другой сепараторами, выполненными из микропористого эбонита, полихлорвинила, стекловойлока или другого изоляционного материала. Сепараторы предотвращают возможность короткого замыкания между пластинами при их короблении.

Пластины устанавливают в аккумуляторном сосуде так, чтобы между их нижней частью и дном сосуда имелось некоторое свободное пространство. В этом пространстве скапливается свинцовый осадок (шлам), образующийся вследствие отпадания отработавшей активной массы пластин в процессе эксплуатации.

Разряд и заряд. При разряде аккумулятора (рис. 160, а) положительные ионы H₂+ и отрицательные ионы кислотного остатка
S0₄-, на которые распадаются молекулы серной кислоты H₂S0₄ электролита 3, направляются соответственно к положительному
1 и отрицательному 2 электродам и вступают в электрохимические реакции с их активными массами. Между электродами возникает
разность потенциалов около 2 В, обеспечивающая прохождение электрического тока при замыкании внешней цепи. В результате
электрохимических реакций, возникающих при взаимодействии ионов водорода с перекисью свинца PbO₂ положительного
электрода и ионов сернокислого остатка S0₄— со свинцом Pb отрицательного электрода, образуется сернокислый свинец PbS0₄ (сульфат свинца), в который превращаются поверхностные слои активной массы обоих электродов. Одновременно при этих реакциях образуется некоторое количество воды, поэтому концентрация серной кислоты понижается, т. е. плотность электролита уменьшается.

Аккумулятор может разряжаться теоретически до полного превращения активных масс электродов в сернокислый свинец и истощения электролита. Однако практически разряд прекращают гораздо раньше. Образующийся при разряде сернокислый свинец представляет собой соль белого цвета, плохо растворяющуюся в электролите и обладающую низкой электропроводностью. Поэтому разряд ведут не до конца, а только до того момента, когда в сернокислый свинец перейдет около 35 % активной массы. В этом случае образовавшийся сернокислый свинец равномерно распределяется в виде мельчайших кристалликов в оставшейся активной массе, которая сохраняет еще достаточную электропроводность, чтобы обеспечить напряжение между электродами 1,7—1,8 В.

Разряженный аккумулятор подвергают заряду, т. е. присоединяют к источнику тока с напряжением, большим напряжения аккумулятора. При заряде (рис. 160,б) положительные ионы водорода перемещаются к отрицательному электроду 2, а отрицательные ионы сернокислого остатка S0₄— — положительному электроду 1 и вступают в химическое взаимодействие с сульфатом свинца PbS0₄, покрывающим оба электрода. В процессе возникающих электрохимических реакций сульфат свинца PbS0₄ растворяется и на электродах вновь образуются активные массы: перекись свинца PbO₂ на положительном электроде и губчатый свинец Pb — на отрицательном. Концентрация серной кислоты при этом возрастает, т. е. плотность электролита увеличивается.

Электрохимические реакции при разряде и заряде аккумулятора могут быть выражены уравнением

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ? 2PbSO₄ + 2H₂O

Читая это уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево — процесс заряда.

Номинальный разрядный ток численно равен 0,1С_НОМ, максимальный при запуске дизеля (стартерный режим) — примерно 3С_НОМ, зарядный ток — 0,2 С_НОМ, где С_НОМ — номинальная емкость.

Полностью заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 2,2 В. Таково же приблизительно и напряжение на его зажимах, так как внутреннее сопротивление аккумулятора весьма мало. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 2 В, а затем медленно понижается до 1,8—1,7 В (рис. 161), при этом напряжении разряд прекращают во избежание повреждения аккумулятора. Если разряженный аккумулятор оставить на некоторое время в бездействии, то напряжение его снова восстанавливается до среднего значения 2 В. Это явление носит название «отдыха» аккумулятора. При нагрузке подобного «отдохнувшего» аккумулятора напряжение быстро понижается, поэтому измерение напряжения аккумулятора без нагрузки не дает правильного суждения о степени разряда.

При заряде напряжение аккумулятора быстро поднимается до 2,2 В, а затем медленно повышается до 2,3 В и, наконец, снова довольно быстро возрастает до 2,6—2,7 В. При 2,4 В начинают выделяться пузырьки газа, образующегося в результате разложения воды на водород и кислород. При 2,5 В оба электрода выделяют сильную струю газа, а при 2,6—2,7 В аккумулятор начинает как бы кипеть, что служит признаком окончания заряда. При отключении аккумулятора от источника зарядного тока напряжение его быстро снижается до 2,2 В.

Уход за аккумуляторами. Кислотные аккумуляторы быстро теряют емкость или даже приходят в полную негодность при

Рис. 161. Кривые напряжения кислотного аккумулятора при заряде и разряде

неправильной эксплуатации. В них происходит саморазряд, в результате которого они теряют свою емкость (примерно 0,5— 0,7 % в сутки). Для компенсации саморазряда неработающие аккумуляторные батареи необходимо периодически подзаряжать. При загрязнении электролита, а также крышек аккумуляторов, их выводов и междуэлементных соединений происходит повышенный саморазряд, быстро истощающий батарею.

Батарея аккумулятора должна быть всегда чистой, а выводы для предохранения от окисления покрыты тонким слоем технического вазелина. Периодически нужно проверять уровень электролита и степень заряженности аккумуляторов. Аккумуляторы должны периодически заряжаться. Хранение незаряженных аккумуляторов недопустимо. При неправильной эксплуатации аккумуляторов (разряде ниже 1,8—1,7 В, систематическом недозаряде, неправильном проведении заряда, длительном хранении незаряженного аккумулятора, понижении уровня электролита, чрезмерной плотности электролита) происходит повреждение их пластин, называемое сульфатацией. Это явление заключается в переходе мелкокристаллического сульфата свинца, покрывающего пластины при разряде, в нерастворимые крупнокристаллические химические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца РbO₂ и свинец РЬ. При этом аккумулятор становится непригодным для эксплуатации.

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора.

Принцип работы свинцового аккумулятора

Источником электроэнергии на автомобиле при неработающем или работающем с малой частотой вращения коленчатого вала двигателе является аккумуляторная батарея. В настоящее время на автомобилях наиболее широко применяются свинцовые аккумуляторные батареи, состоящие из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. Применение кислотных аккумуляторов объясняется тем, что они обладают небольшим внутренним сопротивлением и способны в течение короткого промежутка времени (несколько секунд) отдавать ток силой в несколько сотен ампер, что необходимо для питания стартера при пуске двигателя.

Свинцовый аккумулятор электрической энергии был изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. В последующие годы конструкция аккумулятора, особенно – химический состав его электродов (пластин) постоянно совершенствовалась. В настоящее время свинцовые аккумуляторы и аккумуляторные батареи широко применяются в разных областях техники в качестве накопителей электроэнергии (стартерные батареи, аварийные и резервные источники энергии и т. п.).

Конструктивно аккумулятор представляет собой емкость, наполненную электролитом, в которой размещены свинцовые электроды.

В качестве электролита используется раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Электроды выполнены в виде пластин, одна из которых изготовлена из губчатого свинца Pb, а вторая – из диоксида свинца PbO₂. При взаимодействии электродов с электролитом между ними возникает разность потенциалов.

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца.

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на положительном электроде (аноде) и окисление свинца на отрицательном электроде (катоде). При пропускании через электроды аккумулятора зарядного тока в нем протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца начинается электролиз воды, при этом на аноде выделяется кислород, а на катоде — водород.

Электрохимические реакции (слева направо — при разряде, справа налево — при заряде):

Реакции на аноде:

PbO₂ + SO₄^2- + 4H⁺ + 2e^— ↔ PbSO₄ + 2H₂O;

Реакции на катоде:

Pb + SO₄^2- — 2e^— ↔ PbSO₄.

Физические процессы, происходящие в аккумуляторе, объясняются свойством электролитического растворения металлов, которое заключается в переходе положительно заряженных ионов металла в раствор. Легкоокисляющиеся металлы (например, свинец) обладают этим свойством в большей степени, чем инертные металлы.

При погружении свинцового электрода в раствор электролита от него начнут отделяться положительно заряженные ионы свинца и переходить в раствор, при этом сам электрод будет заряжаться отрицательно.

По мере протекания процесса растет разность потенциалов раствора и электрода, и переход положительных ионов в раствор будет замедляться.
При какой-то определенной разности потенциалов электрода и раствора наступит равновесие между силой электролитической упругости растворения свинца, с одной стороны, и силами электростатического поля и осмотического давления — с другой.
В результате переход ионов свинца в электролит прекратится.

При погружении электрода, изготовленного из двуокиси свинца, в раствор серной кислоты наблюдается такой же процесс, но результат получается иной. Двуокись свинца в ограниченном количестве переходит в раствор, где при соединении с водой ионизируется на четырехвалентные ионы свинца

Рв4+ и одновалентные ионы гидроксила ОН.
Четырехвалентные ионы свинца, осаждаясь на электроде, создают положительный потенциал относительно раствора. Серная кислота образует в воде практически только на ионы НO⁺ и HSO₄.
Таким образом, при разряде аккумулятора расходуется серная кислота, образуется вода, а на обоих электродах — сульфат свинца.

При заряде процессы протекают в обратном направлении.

При подключении потребителей в аккумуляторе возникает разрядный ток. При этом ионы сернокислотного остатка SO₄ соединяются со свинцом электродов и образуют на них сернокислый свинец PbSO₄, а ионы водорода соединяются с кислородом, выделяясь на положительной пластине в виде воды.

В результате электроды покрываются сернокислым свинцом, а серная кислота разбавляется водой, т. е. при разряде аккумулятора плотность электролита уменьшается. Поэтому по плотности электролита можно судить о степени заряженности аккумуляторной батареи.

При прохождении электрического (зарядного) тока через аккумуляторную батарею протекают обратные электрохимические процессы. Ионы водорода, образующиеся в результате распада воды, взаимодействуют с сернокислым свинцом электродов.
Водород, соединяясь с сернистым осадком, образует серную кислоту, а на электродах восстанавливается губчатый свинец. Выделяющийся из воды кислород, соединяется со свинцом положительной пластины, образуя перекись свинца.
В результате этих процессов содержание воды в электролите уменьшается, а содержание кислоты увеличивается, что приводит к повышению плотности электролита.

По завершению процессов восстановления свинца на электродах заряд аккумулятора прекращается. При дальнейшем прохождении электрического тока через электролит начинается процесс электролиза (разложения) воды, при этом аккумулятор «закипает», и выделяющиеся пузырьки образуют смесь водорода и кислорода. Смесь этих газов является взрывоопасной, поэтому следует избегать перезаряда до появления электролизных явлений по разложению воды.

Кроме того, длительный перезаряд приводит к потере электролитом воды (испарению), в результате чего его плотность повышается и для корректировки требуется доливка дистиллированной воды.
При доливке воды необходимо помнить, что вода, попадающая в концентрированную серную кислоту, закипает и сильно разбрызгивает кислотные капли, что при попадании на открытое тело или одежду может привести к ожогам кожи, слизистых оболочек, прожигу одежды и другим неприятным последствиям.

При постоянном напряжении источника зарядного тока по мере увеличения степени заряженности аккумулятора повышается его ЭДС и, следовательно, уменьшается сила зарядного тока. Когда напряжение на клеммах источника тока будет равно ЭДС полностью заряженного аккумулятора плюс ЭДС поляризации, зарядный ток прекратится.

Среднее значение напряжения аккумулятора – 2 В. Поскольку электрооборудование современных автомобилей рассчитано для работы при напряжении в бортовой сети 12 или 24 В, аккумуляторы соединяют в батареи (по 6 или 12 шт.).

Важным параметром аккумулятора является его емкость, т. е. количество электрической энергии, которую способен отдать аккумулятор. Емкость – это произведение силы разрядного тока на продолжительность разрядки до предельно допустимого разряженного состояния. Измеряется емкость аккумулятора в ампер-часах (А×ч). Емкость аккумулятора зависит, в первую очередь, от активной площади его электродов.
Поэтому повышения емкости можно достичь увеличением поверхности электродов, что достигается использованием нескольких параллельно соединенных между собой пластин, а также применением пористого материала для их изготовления, что позволяет использовать в качестве активной массы не только поверхность, но и внутренний объем пластин.

Емкость аккумулятора не постоянна, она зависит от силы разрядного тока, температуры электролита и состояния активной поверхности пластин. При увеличении разрядного тока и понижении температуры электролита емкость аккумулятора уменьшается, что объясняется неполным протеканием электрохимических реакций разрядки в этих условиях, вследствие сокращения времени разрядки и повышения вязкости электролита при низких температурах.

***

Устройство аккумуляторной батареи и ее маркировка

Главная страница

Страничка абитуриента

Дистанционное образование

Группа ТО-81
Группа М-81
Группа ТО-71

Специальности

Ветеринария
Механизация сельского хозяйства
Коммерция
Техническое обслуживание и ремонт автотранспорта

Учебные дисциплины

Инженерная графика
МДК. 01.01. «Устройство автомобилей»
Карта раздела
Общее устройство автомобиля
Автомобильный двигатель
Трансмиссия автомобиля
Рулевое управление
Тормозная система
Подвеска
Колеса
Кузов
Электрооборудование автомобиля
Основы теории автомобиля
Основы технической диагностики
Основы гидравлики и теплотехники
Метрология и стандартизация
Сельскохозяйственные машины
Основы агрономии
Перевозка опасных грузов
Материаловедение
Менеджмент
Техническая механика
Советы дипломнику

Олимпиады и тесты

«Инженерная графика»
«Техническая механика»
«Двигатель и его системы»
«Шасси автомобиля»
«Электрооборудование автомобиля»

Теория работы свинцово-кислотного аккумулятора 🔋

В свинцово-кислотном аккумуляторе основные продукты реакции, происходящие между положительным и отрицательным электродами аккумулятора в водном растворе серной кислоты, подчиняются так называемой теории двойной сульфатации в соответствии с уравнением:

⇐ заряд            

Pb + PbO₂+ 2H₂SO₄  ⇐        ⇒  2PbSO₄ + 2H₂ O  (1)

 разряд ⇒

Этому соотношению подчиняется взаимодействие активных веществ в аккумуляторе во время разряда, заряда, подзаряда, а также во время бездействия (холостого хода).

Основные соотношения между реагентами при бездействии (при разомкнутой внешней цепи аккумулятора) определяются следующими реакциями:

— на отрицательном электроде:

2H⁺ + 2e- ⇒ H₂↑ анодная полуреакция

Pb + SO₄^2- ⇒ PbSO₄ + 2e- катодная полуреакция

Pb + H₂ SO₄ ⇒ PbSO₄ + H₂↑ общая реакция (2)

— на положительном электроде:

PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2e- ⇒ PbSO₄ + 2H₂ O катодная полуреакция

H₂ O ⇒ 1/2 O₂ ↑ + 2H⁺ + 2e- анодная полуреакция

PbO₂ + H₂ SO₄ + H₂O ⇒ PbSO₄ + 2H₂ O + 1/2 O₂↑ общая реакция (3)

Приведенные уравнения реакций на отрицательном и положительном электродах показывают, что даже при разомкнутой внешней цепи аккумулятора в нем происходит образование сульфата свинца на обоих электродах, снижение плотности электролита, а также разложение воды с выделением газообразных водорода и кислорода, что приводит, таким образом, к снижению емкости аккумулятора, т. е. к саморазряду. Объем продуктов этих реакций зависит от концентрации серной кислоты (плотности электролита), температуры, состава сплава решеток и активной массы электродов, возраста аккумулятора и других причин.

При подключении к аккумулятору нагрузки токообразующий процесс подчиняется уравнению (1) для фазы разряда. На отрицательном электроде (на границе раздела свинец — сульфат свинца) происходит образование электронов, поступающих во внешнюю цепь:

Pb ⇒ Pb²⁺ + 2e-

На положительном электроде на границе раздела окись свинца -сульфат свинца происходит поглощение электронов, поступающих через замкнутую внешнюю цепь, и образование воды:

PbO₂ + 4H⁺ + 2e- ⇒ Pb²⁺ + 2H₂ O

Анионы свинца , связываясь с кислотным остатком, образуют на обоих электродах сульфат свинца, покрывающий поверхность активных масс пластин. По мере разряда концентрация серной кислоты в электролите убывает.

₽20 590

В корзину

₽16 190

В корзину

₽15 990

В корзину

При подключении аккумулятору зарядного устройства токообразующий процесс проходит согласно уравнению (1) для фазы заряда.

На отрицательном электроде анионы свинца, образованные из сульфата свинца при растворении в электролите, связываются с электронами, поступающими из внешней цепи, образуя чистый (губчатый) свинец:

Pb²⁺ + 2e- ⇒ Pb

На положительном электроде процесс протекает согласно реакции (4) с образованием на электроде окиси свинца и отдачи во внешнюю цепь электронов:

Pb²⁺ + 2H₂ O ⇒ PbO₂ + 4H⁺ + 2e- (4)

По мере заряда увеличивается напряжение поляризации аккумулятора, и, когда оно превысит величину перенапряжения по кислороду, на положительном электроде начинает выделяться кислород:

2OH^— ⇒ 1/2 O₂↑ + H₂ O + 2e-

Когда напряжение поляризации превысит величину перенапряжения по водороду, на положительном электроде начинается образование водорода:

2H⁺ + 2e- ⇒ H₂↑

Таким образом, при заряде наряду с образованием на электродах исходных продуктов (свинца и окиси свинца) происходит повышение плотности электролита за счет восстановления серной кислоты, а на последней стадии заряда при повышенном напряжении часть подводимого электричества идет на разложение воды:

H₂ O ⇒ H₂↑ + 1/2 O₂↑

Из других побочных реакций на положительном электроде при заряде следует обратить внимание на образование озона и на окисление (коррозию) решетки, что оказывает решающее влияние на сокращение срока службы аккумулятора.

С уважением,
коллектив Бэттери Сервис

Simple Circuit контролирует работоспособность телекоммуникационных систем резервного питания со свинцово-кислотными батареями на напряжение 48 В

по Джон Мансон

Телекоммуникационная инфраструктура всегда питалась от отрицательного напряжения по отношению к земле, чтобы свести к минимуму коррозию подземного кабеля. Телекоммуникационные компании обычно используют питание –48 В с резервным питанием, обеспечиваемым большими аккумуляторными батареями, чтобы обеспечить работу системы при отключении электроэнергии. Эти системы резервного питания традиционно состоят из четырех последовательно соединенных свинцово-кислотных аккумуляторов на 12 В, хотя новые технологии литиевых элементов обещают добиться успеха по мере обновления систем.

Каждая система резервного питания должна постоянно контролироваться на предмет состояния заряда и работоспособности аккумуляторов. На самом деле, хотя штабелировать аккумуляторы легко, может быть сложно построить систему мониторинга, которая может измерять и оцифровывать как состояние отдельных элементов, так и отслеживать потенциал высокого напряжения объединенных элементов. Введите монитор стека многоячеечной батареи LTC6803.

LTC6803 предназначен для измерения и оцифровки потенциалов отдельных элементов в больших пакетах литиевых элементов с общим потенциалом выше 60 В (выдерживает скачки напряжения до 75 В). Хотя LTC6803 якобы предназначен для мониторинга систем с литиевыми батареями, его также можно использовать для поддержки традиционных стеков свинцово-кислотных батарей –48 В. Независимо от химического состава клеток все измерительные потенциалы находятся под землей или, возможно, плавают во время процедур технического обслуживания. В идеале эти батареи должны измеряться схемой, независимой от относительного заземления между батареями и оборудованием центрального офиса, поэтому желательна гальваническая развязка.

Поскольку диапазон АЦП для отдельного входного канала LTC6803 достигает максимального значения 5,37 В, делители используются для распределения потенциала каждой 12-вольтовой батареи по трем каналам. На рис. 1 показано, как это сделать. Потенциал каждой батареи получается путем суммирования троек показаний входных каналов (входы C _N). Здесь элементы управления балансировкой ячеек (выходные разрядные переключатели S _N) переназначены для постоянной активации делителей напряжения с использованием внешних резисторов 10 кОм путем установки всех битов конфигурации DCC в 1. Таким образом, каждый канал преобразует номинальный потенциал 4 В.

Шунтирующие конденсаторы емкостью 4,7 мкФ точно удерживают промежуточные напряжения при протекании малых токов выборки АЦП, а последовательные резисторы сопротивлением 100 Ом и катушки индуктивности 10 мкГн обеспечивают ограничение перенапряжения при горячей вставке. Для наилучшей точности следует использовать команду преобразования STCVDC (0x60), чтобы всегда включенные разрядные выключатели оставались включенными на протяжении всего процесса преобразования.

При прекращении связи и тайм-ауте части или при прямой команде перехода в режим ожидания выключатели уравновешивающего разряда выключаются, а делители эффективно отсоединяются, так что заметного разряда батареи не происходит. Упрощенная схема замещения конкретной секции делителя показана на рисунке 2.

Используется изолятор данных LTM2883 SPI, так что схема выдерживает любую разность заземления по отношению к соответствующей схеме микропроцессора. LTM2883 также обеспечивает изолированные шины питания постоянного тока, которые при необходимости могут обеспечить несколько сотен мВт.

LTC6803 представляет собой гибкое решение для измерения аккумуляторных батарей в телекоммуникациях, включая аккумуляторные батареи с 12-вольтовыми свинцово-кислотными батареями. Блоки 12 В измеряются путем суммирования показаний трех входных каналов, аппаратно сконфигурированных для разделения 12 В на подизмерения, таким образом достигается эффективный полный диапазон 16,1 В для каждой батареи. Изоляция функции сбора данных от поддержки процессора важна для устранения ошибок заземления и угроз безопасности и легко обеспечивается модулем изолятора SPI LTM2883.

Джон Мансон (Jon Munson) — старший инженер по приложениям компании Analog Devices, занимающийся поддержкой их линейки продуктов для преобразования сигналов. Джон имеет степень бакалавра в области электротехники и информатики Университета Санта-Клары. Он разработал аппаратное обеспечение для приборов, видео и коммуникационных продуктов. Хобби Джона включают hi-fi audio, авиацию и самодельные проекты, если позволяет время, когда он воспитывает двух своих дочерей.

Свинцово-кислотные батареи являются наиболее часто используемым типом батарей в фотогальванических системах. Хотя свинцово-кислотные батареи имеют низкую плотность энергии, лишь умеренную эффективность и высокие требования к обслуживанию, они также имеют длительный срок службы и низкие затраты по сравнению с другими типами батарей. Одним из исключительных преимуществ свинцово-кислотных аккумуляторов является то, что они являются наиболее часто используемой формой аккумуляторов для большинства применений перезаряжаемых аккумуляторов (например, в пусковых двигателях автомобилей) и, следовательно, имеют хорошо зарекомендовавшую себя зрелую технологическую базу.

Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из отрицательного электрода, изготовленного из губчатого или пористого свинца. Свинец является пористым, чтобы облегчить образование и растворение свинца. Положительный электрод состоит из оксида свинца. Оба электрода погружены в электролитический раствор серной кислоты и воды. В случае, если электроды соприкасаются друг с другом в результате физического перемещения батареи или изменения толщины электродов, два электрода разделяет электрически изолирующая, но химически проницаемая мембрана. Эта мембрана также предотвращает короткое замыкание через электролит. Свинцово-кислотные аккумуляторы накапливают энергию за счет обратимой химической реакции, показанной ниже.

Как показывают приведенные выше уравнения, разрядка батареи вызывает образование кристаллов сульфата свинца как на отрицательной, так и на положительной клеммах. как высвобождение электронов из-за изменения валентного заряда свинца. Для образования этого сульфата свинца используется сульфат из сернокислотного электролита, окружающего батарею. В результате электролит становится менее концентрированным. Полный разряд приведет к тому, что оба электрода будут покрыты сульфатом свинца и водой, а не серной кислотой, окружающей электроды. При полном разряде два электрода изготовлены из одного и того же материала, и между ними отсутствует химический потенциал или напряжение. На практике, однако, разрядка прекращается при напряжении отсечки, задолго до этого момента. Поэтому аккумулятор не должен разряжаться ниже этого напряжения.

В промежутке между полностью разряженным и заряженным состояниями свинцово-кислотная батарея испытывает постепенное снижение напряжения. Уровень напряжения обычно используется для индикации состояния заряда батареи. Зависимость аккумулятора от состояния заряда аккумулятора показана на рисунке ниже. Если аккумулятор оставить в состоянии низкого заряда в течение длительного периода времени, могут вырасти большие кристаллы сульфата свинца, что необратимо снизит емкость аккумулятора. Эти более крупные кристаллы отличаются от типичной пористой структуры свинцового электрода, и их трудно превратить обратно в свинец.

Реакция зарядки превращает сульфат свинца на отрицательном электроде в свинец. На положительном полюсе реакция превращает свинец в оксид свинца. В качестве побочного продукта этой реакции выделяется водород. В течение первой части цикла зарядки доминирующей реакцией является превращение сульфата свинца в свинец и оксид свинца. Однако по мере того, как зарядка продолжается и большая часть сульфата свинца превращается либо в свинец, либо в диоксид свинца, зарядный ток электролизует воду из электролита, и выделяются газообразные водород и кислород, процесс, известный как «загазование» батареи. Если ток подается на батарею быстрее, чем может быть преобразован сульфат свинца, то выделение газа начинается до того, как весь сульфат свинца будет преобразован, то есть до того, как батарея будет полностью заряжена. Газирование создает несколько проблем для свинцово-кислотных аккумуляторов. Выделение газа из батареи не только вызывает опасения по поводу безопасности из-за взрывоопасной природы образующегося водорода, но также приводит к уменьшению количества воды в батарее, которую необходимо заменять вручную, вводя в систему компонент обслуживания. Кроме того, выделение газа может привести к выделению активного материала из электролита, что приведет к необратимому снижению емкости аккумулятора. По этим причинам аккумулятор не следует регулярно заряжать выше напряжения, вызывающего газообразование. Напряжение газообразования изменяется в зависимости от скорости заряда.

Для большинства систем возобновляемой энергии наиболее важными характеристиками батареи являются срок службы батареи, глубина разрядки и требования к обслуживанию батареи. Этот набор параметров и их взаимосвязь с режимами зарядки, температурой и возрастом описаны ниже.

Глубина разряда в сочетании с емкостью батареи является фундаментальным параметром при проектировании блока батарей для фотоэлектрической системы, поскольку энергия, которую можно извлечь из батареи, определяется путем умножения емкости батареи на глубину разряда . Аккумуляторы классифицируются как аккумуляторы с глубоким или неглубоким циклом. Батарея глубокого разряда будет иметь глубину разряда более 50% и может достигать 80%. Чтобы достичь такой же полезной емкости, банк батарей с неглубоким циклом должен иметь большую емкость, чем банк батарей с глубоким циклом.

В дополнение к глубине разряда и номинальной емкости аккумулятора на мгновенную или доступную емкость аккумулятора сильно влияют скорость разряда аккумулятора и рабочая температура аккумулятора. Емкость аккумулятора падает примерно на 1% на каждый градус ниже 20°C. Тем не менее, высокие температуры также не идеальны для аккумуляторов, так как они ускоряют старение, саморазряд и использование электролита. На приведенном ниже графике показано влияние температуры аккумулятора и скорости разряда на емкость аккумулятора.

На следующем графике показано изменение функции батареи в зависимости от количества циклов и глубины разрядки свинцово-кислотной батареи с малым циклом. Свинцово-кислотная батарея глубокого цикла должна иметь срок службы более 1000 циклов даже при глубине разряда более 50%.

Помимо DOD, режим зарядки также играет важную роль в определении срока службы батареи. Перезарядка или недозарядка батареи приводит либо к осыпанию активного материала, либо к сульфатации батареи, что значительно сокращает срок службы батареи.

Окончательное влияние на зарядку аккумулятора оказывает температура аккумулятора. Хотя емкость свинцово-кислотного аккумулятора снижается при работе при низких температурах, работа при высоких температурах увеличивает скорость старения аккумулятора.

Кривые разряда постоянного тока для свинцово-кислотного аккумулятора емкостью 550 А·ч при различных скоростях разряда с предельным напряжением 1,85 В на элемент (Mack, 1979). Более длительное время разрядки дает более высокую емкость батареи.

Производство и утечка водорода и газообразного кислорода из батареи приводит к потере воды, поэтому в свинцово-кислотных батареях необходимо регулярно заменять воду. Другие компоненты аккумуляторной системы не требуют регулярного обслуживания, поэтому потеря воды может стать серьезной проблемой. Если система находится в удаленном месте, проверка потери воды может увеличить расходы. Аккумуляторы, не требующие обслуживания, ограничивают потребность в постоянном внимании, предотвращая или уменьшая количество газа, выходящего из аккумулятора. Однако из-за коррозионной природы электролита все батареи в той или иной степени вводят дополнительный компонент обслуживания в фотоэлектрическую систему.

В зависимости от того, какая из вышеперечисленных проблем вызывает наибольшую озабоченность в конкретном приложении, соответствующие модификации базовой конфигурации батареи повышают ее производительность. При использовании возобновляемых источников энергии вышеуказанные проблемы будут влиять на глубину разряда, срок службы батареи и требования к техническому обслуживанию. Изменения в батарее обычно связаны с модификацией в одной из трех основных областей:

Залитые свинцово-кислотные аккумуляторы характеризуются глубокими циклами и длительным сроком службы. Однако залитые батареи требуют периодического обслуживания. Мало того, что уровень воды в электролите должен регулярно контролироваться путем измерения его удельного веса, эти батареи также требуют «ускоренной зарядки».

Ускоренная или выравнивающая зарядка включает кратковременный периодический перезаряд, при котором выделяется газ и смешивается электролит, что предотвращает расслоение электролита в аккумуляторе. Кроме того, ускоренная зарядка также помогает поддерживать одинаковую емкость всех аккумуляторов. Например, если одна батарея имеет более высокое внутреннее последовательное сопротивление, чем другие батареи, то батарея с более низким значением SR будет постоянно недозаряжаться во время нормального режима зарядки из-за падения напряжения на последовательном сопротивлении. Однако, если аккумуляторы заряжаются при более высоком напряжении, то это позволяет полностью зарядить все аккумуляторы.

Залитая батарея подвержена потере воды из электролита из-за выделения водорода и газообразного кислорода. Удельный вес электролита, который можно измерить ареометром, укажет на необходимость добавления воды в аккумуляторы, если аккумуляторы полностью заряжены. С другой стороны, ареометр точно покажет SOC батареи, если известно, что уровень воды правильный. SG периодически измеряется после ускоренной зарядки, чтобы убедиться, что в аккумуляторе достаточно воды в электролите. SG батареи должен быть предоставлен производителем.

Однако для этих аккумуляторов обычно требуется более точный режим зарядки с более низким напряжением. Режим зарядки с более низким напряжением обусловлен использованием свинцово-кальциевых электродов для минимизации газовыделения, но для минимизации газовыделения от батареи требуется более точный режим зарядки. Кроме того, эти батареи могут быть более чувствительными к перепадам температуры, особенно если режим зарядки не компенсирует температуру или не предназначен для этих типов батарей.

Аккумулятор для фотоэлектрической системы будет рассчитан на определенное количество циклов при определенном DOD, режиме зарядки и температуре. Однако аккумуляторы могут испытывать либо преждевременную потерю емкости, либо внезапный выход из строя по целому ряду причин. Внезапный отказ может быть вызван внутренним коротким замыканием батареи из-за выхода из строя электрического сепаратора внутри батареи. Короткое замыкание в аккумуляторе снизит напряжение и емкость всего блока аккумуляторов, особенно если секции аккумулятора соединены параллельно, а также приведет к другим потенциальным проблемам, таким как перезарядка оставшихся аккумуляторов. Батарея также может выйти из строя из-за обрыва цепи (то есть может происходить постепенное увеличение внутреннего последовательного сопротивления), и это также повлияет на любые батареи, соединенные последовательно с этой батареей. Замерзание аккумулятора, в зависимости от типа используемого свинцово-кислотного аккумулятора, также может привести к необратимому выходу аккумулятора из строя.

Постепенное снижение емкости может усугубляться неправильной эксплуатацией, в частности ухудшением DOD. Однако работа одной части аккумуляторной батареи в условиях, отличных от другой, также приведет к снижению общей емкости и увеличению вероятности выхода из строя батареи. Аккумуляторы могут непреднамеренно эксплуатироваться в различных режимах либо из-за колебаний температуры, либо из-за выхода из строя батареи в одной цепочке батарей, что приводит к неравномерному заряду и разряду в цепочке.

Установка батарей должна производиться в соответствии с действующим стандартом страны, в которой они устанавливаются. В настоящее время существуют австралийские стандарты AS3011 и AS2676 для установки батарей. Существует также проект стандарта для батарей для приложений RAPS, который в конечном итоге станет австралийским стандартом.

Среди других факторов, которые следует учитывать при установке аккумуляторной системы, — вентиляция, необходимая для определенного типа аккумуляторной батареи, условия заземления, на которых должна быть размещена аккумуляторная батарея, и меры, принятые для обеспечения безопасности тех, кто может иметь доступ к блоку батарей. Кроме того, при установке блока аккумуляторов необходимо следить за тем, чтобы температура аккумулятора находилась в пределах допустимых условий эксплуатации аккумулятора и чтобы температура аккумуляторов в блоке аккумуляторов большего размера была одинаковой. Аккумуляторы в очень холодных условиях могут замерзнуть при низком уровне заряда, поэтому зимой аккумулятор с большей вероятностью будет находиться в состоянии низкого заряда. Чтобы предотвратить это, блок аккумуляторов можно закопать под землю. Батареи, регулярно подвергающиеся воздействию высоких рабочих температур, также могут сократить срок службы.

Аккумуляторы потенциально опасны, и пользователи должны знать о трех основных опасностях: Серная кислота в электролите вызывает коррозию. Защитная одежда в дополнение к средствам защиты ног и глаз необходима при работе с батареями.

Аккумуляторы способны генерировать большой ток. Если металлический предмет случайно поместить на клеммы батареи, через этот предмет может протекать сильный ток. Наличие ненужных металлических предметов (например, ювелирных изделий) должно быть сведено к минимуму при работе с батареями, а инструменты должны иметь изолированные ручки.

Опасность взрыва из-за выделения газообразного водорода и кислорода. Во время зарядки, особенно перезарядки, некоторые аккумуляторы, в том числе большинство аккумуляторов, используемых в фотоэлектрических системах, могут выделять потенциально взрывоопасную смесь газообразного водорода и кислорода. Чтобы снизить риск взрыва, используется вентиляция для предотвращения накопления этих газов, а потенциальные источники воспламенения (т. е. цепи, которые могут генерировать искры или дуги) удаляются из корпуса батареи.

Аккумуляторы представляют компонент периодического обслуживания в фотоэлектрической системе. Для всех аккумуляторов, включая «необслуживаемые» аккумуляторы, требуется график технического обслуживания, который должен гарантировать, что:

Залитые аккумуляторы требуют дополнительного и более частого обслуживания. Для залитых аккумуляторов необходимо регулярно проверять уровень электролита и плотность электролита для каждого аккумулятора. Проверку удельного веса аккумулятора с помощью ареометра следует проводить не менее чем через 15 минут после уравнительного или ускоренного заряда. В аккумуляторы следует заливать только дистиллированную воду. Водопроводная вода содержит минералы, которые могут повредить электроды аккумулятора.

Свинец в свинцово-кислотном аккумуляторе представляет опасность для окружающей среды, если его не утилизировать должным образом. Свинцово-кислотные батареи следует перерабатывать, чтобы можно было восстановить свинец, не нанося ущерба окружающей среде.

Материалы, из которых изготовлены электроды, оказывают большое влияние на химический состав батареи и, следовательно, на напряжение батареи и ее зарядно-разрядные характеристики. Геометрия электрода определяет внутреннее последовательное сопротивление и скорость зарядки и разрядки.

Основными материалами анода и катода в свинцово-кислотной батарее являются свинец и диоксид свинца (PbO2). Свинцовый электрод выполнен в виде губчатого свинца. Желателен губчатый свинец, так как он очень пористый, и поэтому площадь поверхности между свинцом и сернокислотным электролитом очень велика. Добавление небольших количеств других элементов к свинцовому электроду для образования свинцовых сплавов может уменьшить некоторые недостатки, связанные со свинцом. Основные типы используемых электродов: свинец/сурьма (с использованием нескольких процентов сурьмы), сплавы свинца/кальция и сплавы свинца/сурьмы/кальция.

Батареи из сплава сурьмы и свинца имеют ряд преимуществ по сравнению с электродами из чистого свинца. К этим преимуществам относятся: более низкая стоимость свинца/сурьмы; повышенная прочность свинцово-сурьмяного электрода; и способность к глубокому разряду в течение короткого периода времени. Однако сплавы свинца и сурьмы подвержены сульфатации, и их нельзя оставлять при низком уровне заряда на продолжительное время. Кроме того, сплавы свинца и сурьмы увеличивают газовыделение батареи во время зарядки, что приводит к высоким потерям воды. Поскольку в эти батареи необходимо добавлять воду, они требуют более высокого обслуживания. Кроме того, свинцово-сурьмяные батареи имеют высокую скорость разряда и короткий срок службы. Эти проблемы (xx — проверьте, вызваны ли обе проблемы металлизацией)) вызваны растворением сурьмы на одном электроде и ее отложением или металлизацией на другом электроде. (xx повышенная адгезия PbO2 xx)

Свинцово-кальциевые батареи представляют собой технологию промежуточной стоимости. Как и сурьма, кальций также увеличивает прочность свинца отрицательного электрода, но, в отличие от сурьмы, добавление кальция снижает газообразование батареи, а также снижает скорость саморазряда. Однако свинцово-кальциевые аккумуляторы не следует сильно разряжать. Следовательно, эти типы батарей можно считать «необслуживаемыми», но они относятся только к батареям с коротким циклом.

Добавление сурьмы, а также кальция в электроды обеспечивает некоторые из преимуществ как сурьмы, так и свинца, но при повышенной стоимости. Подобные аккумуляторы с глубоким разрядом также могут иметь длительный срок службы. Кроме того, в электроды могут быть добавлены следовые количества других материалов для повышения производительности батареи.

В дополнение к материалу, используемому для изготовления электродных пластин, физическая конфигурация электродов также влияет на скорость зарядки и разрядки и на срок службы. Тонкие пластины обеспечивают более быструю зарядку и разрядку, но менее прочны и более склонны к осыпанию материала с пластин. Поскольку высокие токи зарядки или разрядки обычно не являются обязательным свойством батарей для систем возобновляемой энергии, можно использовать более толстые пластины, которые имеют меньшее время зарядки и разрядки, но также имеют более длительный срок службы.

В открытой залитой батарее любой образующийся газ может попасть в атмосферу, вызывая как проблемы с безопасностью, так и проблемы с техническим обслуживанием. Герметичная свинцово-кислотная (SLA), свинцово-кислотная батарея с регулируемым клапаном (VRLA) или рекомбинированная свинцово-кислотная батарея предотвращают потерю воды из электролита, предотвращая или сводя к минимуму утечку газообразного водорода из батареи. В герметичном свинцово-кислотном (SLA) аккумуляторе водород не уходит в атмосферу, а перемещается или мигрирует к другому электроду, где он рекомбинирует (возможно, с помощью процесса каталитической конверсии) с образованием воды. Вместо того, чтобы быть полностью герметичными, эти батареи имеют клапан сброса давления, чтобы предотвратить накопление избыточного давления в батарее. Герметичные батареи требуют строгого контроля зарядки, чтобы предотвратить накопление водорода быстрее, чем он может рекомбинировать, но они требуют меньше обслуживания, чем открытые батареи.

Свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном (VRLA) аналогичны герметичным свинцово-кислотным батареям (SLA) за исключением того, что клапаны должны выделять некоторое количество водорода почти при полном заряде. Аккумуляторы SLA или VRLA обычно имеют дополнительные конструктивные особенности, такие как использование гелеобразных электролитов и использование свинцово-кальциевых пластин для сведения к минимуму выделения газообразного водорода.

Несмотря на разнообразие типов батарей и областей применения, характеристиками, особенно важными для фотоэлектрических приложений, являются требования к обслуживанию батареи и способность к глубокой зарядке батареи при сохранении длительного срока службы. Чтобы обеспечить длительный срок службы при глубоком разряде, батареи глубокого цикла могут быть либо открытого типа, с избытком электролитического раствора и толстыми пластинами, либо батареи с иммобилизованным электролитом. Герметичные гелевые батареи могут быть классифицированы как батареи глубокого цикла, но они обычно выдерживают меньше циклов и более низкие разряды, чем специально разработанные батареи с залитыми пластинами или батареи AGM. В батареях с малым циклом обычно используются более тонкие пластины, изготовленные из свинцово-кальциевых сплавов, и глубина разряда обычно не превышает 25%.

Строгие требования к батареям, используемым в фотогальванических системах, побудили некоторых производителей производить батареи, специально предназначенные для фотоэлектрических или других удаленных систем питания. Батареи, наиболее часто используемые в автономных фотоэлектрических системах, представляют собой свинцово-кислотные батареи с глубоким циклом или необслуживаемые батареи с более коротким циклом. Аккумуляторы глубокого цикла могут быть открытыми залитыми батареями (которые не требуют обслуживания) или батареями AGM с невыпадающим электролитом, которые не требуют обслуживания (но требуют осторожности при выборе регулятора). Специальные необслуживаемые батареи с коротким циклом, выдерживающие нечастую разрядку, также могут использоваться в фотоэлектрических приложениях, и при условии, что блок батарей спроектирован соответствующим образом, никогда не требуется глубина разряда более 25%. Батарея с длительным сроком службы в надлежащим образом спроектированной фотоэлектрической системе при правильном обслуживании может прослужить до 15 лет, но использование батарей, не рассчитанных на длительный срок службы или условий в фотоэлектрической системе, или являющихся частью плохой конструкции системы может привести к тому, что банк батарей выйдет из строя всего через несколько лет.

Батареи пусковые, осветительные запальные (СЛИ). Эти батареи используются в автомобильной промышленности и имеют высокую скорость разрядки и зарядки. Чаще всего используют электродные пластины, укрепленные либо свинцово-сурьмяным в залитой конфигурации, либо свинцово-кальциевым в герметичной конфигурации. Эти батареи имеют хороший срок службы в условиях мелкого цикла, но очень плохой срок службы при глубоком цикле. Аккумуляторы SLI не следует использовать в фотоэлектрических системах, поскольку их характеристики не оптимизированы для использования в системах с возобновляемыми источниками энергии, поскольку срок службы в фотоэлектрических системах очень мал.

Тяговые или двигательные батареи. Тяговые или двигательные батареи используются для обеспечения электроэнергией небольших транспортных средств, таких как тележки для гольфа. По сравнению с батареями SLI, они имеют большую способность к глубокому циклу при сохранении длительного срока службы. Хотя эта особенность делает их более подходящими для фотоэлектрических систем, чем для систем, в которых используются батареи SLI, батареи с движущей силой не следует использовать ни в каких фотоэлектрических системах, поскольку их скорость саморазряда очень высока из-за использования свинцово-сурьмяных электродов. Высокая скорость саморазряда приведет к большим потерям мощности в батарее и сделает всю фотоэлектрическую систему неэффективной, если только батареи не будут ежедневно испытывать большой DOD. Способность этих батарей выдерживать глубокие циклы также намного ниже, чем у настоящей батареи глубокого цикла. Поэтому эти батареи не подходят для фотоэлектрических систем.

Батареи для жилых домов или морских судов. Эти батареи, как правило, представляют собой компромисс между батареями SLI, тяговыми батареями и настоящими батареями глубокого цикла. Хотя они не рекомендуются, в некоторых небольших фотоэлектрических системах используются как моторные, так и морские батареи. Срок службы таких батарей будет ограничен в лучшем случае несколькими годами, так что экономичность замены батарей означает, что такие батареи, как правило, не являются долгосрочным экономичным вариантом.

Стационарные батареи. Стационарные батареи часто используются для аварийного питания или источников бесперебойного питания. Это батареи с неглубоким циклом, предназначенные для того, чтобы оставаться почти полностью заряженными в течение большей части их срока службы с редкими глубокими разрядами. Их можно использовать в фотоэлектрических системах, если размер блока батарей таков, что его глубина разряда никогда не падает ниже 10–25 %.

Батареи глубокого разряда. Аккумуляторы глубокого разряда должны иметь срок службы в несколько тысяч циклов при высоком уровне разряда (80% и более). С двумя типами батарей глубокого цикла могут наблюдаться большие различия в характеристиках циклов, поэтому следует сравнивать срок службы и глубину разряда различных батарей глубокого цикла.

Газообразование: выделение газообразного водорода и кислорода. Газообразование батареи приводит к проблемам с безопасностью и к потере воды из электролита. Потеря воды увеличивает требования к техническому обслуживанию батареи, поскольку воду необходимо периодически проверять и заменять.

Расслоение электролита. Серная кислота представляет собой тяжелую вязкую жидкость. По мере разрядки аккумулятора концентрация серной кислоты в электролите снижается, а при зарядке концентрация серной кислоты увеличивается. Это циклическое изменение концентрации серной кислоты может привести к расслоению электролита, когда более тяжелая серная кислота остается внизу батареи, а менее концентрированный раствор, вода, остается вверху. Непосредственная близость электродных пластин внутри батареи означает, что физическое встряхивание не смешивает серную кислоту и воду. Однако контролируемое газообразование электролита способствует смешиванию воды и серной кислоты, но его необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать проблем с безопасностью и потери воды. В большинстве свинцово-кислотных аккумуляторов требуется периодическое, но нечастое выделение газа из аккумулятора для предотвращения или устранения расслоения электролита в процессе, называемом «ускоренной» зарядкой.

Сульфатация аккумулятора. При низком уровне заряда на свинцовом электроде могут расти большие кристаллы сульфата свинца, в отличие от мелкозернистого материала, который обычно образуется на электродах. Сульфат свинца является изоляционным материалом.

Разлив серной кислоты. Вытекание серной кислоты из корпуса аккумуляторной батареи представляет серьезную угрозу безопасности. Гелеобразование или иммобилизация жидкой серной кислоты снижает вероятность разлива серной кислоты.

Потеря активного материала электродов. Потеря активного материала с электродов может происходить в результате нескольких процессов. Одним из процессов, который может вызвать необратимую потерю емкости, является отслаивание активного материала из-за объемных изменений между ххх и сульфатом свинца. Кроме того, ХХХ. Неправильные условия зарядки и выделение газа могут привести к осыпанию активного материала с электродов, что приведет к необратимой потере емкости.

Коррозия состоит из множества областей восстановления/окисления, в которых обе реакции протекают на одном и том же электроде. Для аккумуляторной системы коррозия приводит к нескольким пагубным последствиям. Одним из эффектов является преобразование металлического электрода в оксид металла.

Все химические реакции протекают как в прямом, так и в обратном направлении. Чтобы шла обратная реакция, реагенты должны получить достаточно энергии, чтобы преодолеть электрохимическую разницу между реагентами и продуктами, а также перенапряжение. Обычно в аккумуляторных системах вероятность протекания обратной реакции мала, так как мало молекул с достаточно большой энергией. Однако, несмотря на малые размеры, некоторые частицы обладают достаточной энергией. В заряженной батарее существует процесс, посредством которого батарея может разряжаться даже в отсутствие нагрузки, подключенной к батарее. Величина, которую батарея разряжает при стоянии, называется саморазрядом. Саморазряд увеличивается с повышением температуры, потому что большая часть продуктов будет иметь достаточно энергии для протекания реакции в обратном направлении.

Идеальным набором химических реакций для батареи был бы такой, при котором имеется большой химический потенциал, который высвобождает большое количество электронов, имеет низкое перенапряжение, самопроизвольно протекает только в одном направлении и представляет собой единственную химическую реакцию, которая может произойти . Однако на практике существует несколько эффектов, которые ухудшают работу батареи из-за нежелательных химических реакций, таких эффектов, как изменение фазы объема реагентов или продуктов, а также из-за физического движения реагентов и продуктов внутри батареи.

Во время химических реакций многие материалы изменяются либо в фазе, либо, если они остаются в одной и той же фазе, объем и плотность материала могут изменяться в результате химической реакции. Наконец, материалы, используемые в батарее, в первую очередь анод и катод, могут изменить свою кристалличность или структуру поверхности, что, в свою очередь, повлияет на реакции в батарее. Многие компоненты в окислительно-восстановительных реакциях претерпевают фазовый переход либо при окислении, либо при восстановлении. Например, в свинцово-кислотном аккумуляторе ионы сульфата переходят из твердой формы (в виде сульфата свинца) в растворы (в виде серной кислоты). Если сульфат свинца рекристаллизуется где-либо, кроме анода или катода, то этот материал теряется в аккумуляторной системе. При зарядке в электронном обмене могут участвовать только материалы, соединенные с анодом и катодом, и поэтому, если материал не касается анода или катода, то он уже не может быть перезаряжен. Образование газовой фазы в аккумуляторе также представляет особые проблемы. Во-первых, газовая фаза обычно имеет больший объем, чем исходные реагенты, что приводит к изменению давления в аккумуляторе. Во-вторых, если предполагаемые продукты находятся в газообразном состоянии, они должны быть ограничены анодом и катодом, иначе они не смогут быть заряжены.

В стандартной «затопленной» свинцово-кислотной батарее электроды погружены в жидкую серную кислоту. Несколько модификаций электролита используются для улучшения характеристик батареи в одной из нескольких областей. Ключевыми параметрами электролита, которые контролируют работу батареи, являются объем и концентрация электролита, а также образование «захваченного» электролита.

Изменение объема электролита может быть использовано для повышения надежности батареи. Увеличение объема электролита делает аккумулятор менее чувствительным к потерям воды и, следовательно, делает регулярное техническое обслуживание менее критичным. Увеличение объема батареи также увеличит ее вес и снизит плотность энергии батареи.

В батареях с «неподвижным» электролитом серная кислота иммобилизуется либо путем «желирования» серной кислоты, либо с помощью «поглощающего стекломата». Оба имеют более низкое выделение газа по сравнению с залитой свинцово-кислотной батареей и, следовательно, часто встречаются в герметичных свинцово-кислотных батареях, не требующих обслуживания.

Геллинг. В «гелеобразной» свинцово-кислотной батарее электролит может быть иммобилизован путем гелеобразования серной кислоты с использованием силикагеля. Преимущество гелеобразного электролита заключается в том, что газовыделение уменьшается, и, следовательно, батареи не требуют особого обслуживания. Кроме того, в гелеобразных батареях не происходит расслоения электролита и, следовательно, не требуется ускоренная зарядка, а поскольку электролит гелеобразен, также снижается вероятность разлива серной кислоты. Однако для дальнейшего снижения газовыделения в этих батареях с «гелевыми элементами» также обычно используются свинцово-кальциевые пластины, что делает их непригодными для приложений с глубоким разрядом. Еще одним недостатком является то, что условия зарядки гелевой свинцово-кислотной батареи должны контролироваться более тщательно, чтобы предотвратить перезарядку и повреждение батареи.

Абсорбирующее матирование стекла. Вторая технология, которую можно использовать для иммобилизации серной кислоты, — это «абсорбирующий стеклянный мат» или батареи AGM. В аккумуляторе AGM серная кислота поглощается стекловолоконным матом, который помещается между пластинами электродов. Аккумуляторы AGM обладают многочисленными преимуществами, в том числе возможностью глубокой разрядки без ущерба для срока службы, высокой скоростью заряда/разряда и расширенным диапазоном рабочих температур. Основным недостатком этих аккумуляторов является необходимость в более тщательно контролируемых режимах зарядки и их более высокая начальная стоимость.

Герметичный свинцово-кислотный аккумулятор (SLA), также известный как VRLA, свинцово-кислотный аккумулятор с регулируемым клапаном, имеет следующие характеристики: не требует технического обслуживания, герметичен и не чувствителен к расположению. Аккумуляторы SLA оснащены предохранительным клапаном для выпуска газа в случае слишком большого внутреннего давления. Аккумуляторы
SLA используются во многих приложениях, таких как домашние системы сигнализации, резервные системы, генераторы, фонари, прожекторы, тренажеры, генераторы, мотоциклы, квадроциклы, игрушки и многое другое.

В некоторых случаях, когда это позволяют физические размеры, вы можете перейти на аккумулятор с большей силой тока. Например, устройство, использующее 12 В 7,2 Ач, может использовать 12 В 9 Ач для более длительного времени работы. Если больше, то батарея физически не влезет в устройство, так как физические размеры будут другими.

Аккумуляторы SLA со временем естественным образом разряжаются. Если его периодически не заряжать, полная емкость аккумулятора может быть не достигнута снова. Аккумуляторы SLA саморазряжаются со скоростью около 3% в месяц. UPS Battery Center рекомендует проверять и заряжать батареи SLA каждые три месяца. Никогда не храните аккумулятор SLA дольше шести месяцев без подзарядки. Всегда храните батареи в прохладном, сухом месте. Как правило, батарея может храниться от 6 месяцев до 1 года на полке при температуре 25 градусов по Цельсию.

Эффект памяти также известен как эффект ленивой батареи; это происходит в некоторых перезаряжаемых батареях и заставляет их удерживать меньше заряда с течением времени.
Первоначальное значение относится к некоторым никель-кадмиевым батареям, которые постепенно теряют свою максимальную энергоемкость, если их часто перезаряжают после частичной разрядки. Аккумуляторы с таким химическим составом должны быть полностью разряжены перед зарядкой.

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы не имеют памяти и работают лучше, когда полностью заряжены. Чем реже вы разряжаете герметичный свинцово-кислотный аккумулятор, тем дольше он прослужит. Никогда не оставляйте герметичный свинцово-кислотный аккумулятор разряженным. Всегда перезаряжайте после использования.

Немедленно извлеките вздутый аккумулятор из оборудования, в котором он находится. Аккумулятор расширяется из-за перезарядки. Высокая скорость перезарядки приведет к нагреву батареи. Он принимает больший ток по мере нагрева, нагревая его еще больше. Этот цикл перегрева называется термической полосой и способен достаточно быстро вывести батарею из строя, иногда всего за несколько часов. Это все тепло, которое вызывает вздутие батареи.

Время работы от батареи зависит от потребляемой оборудованием мощности, а также от ее емкости и времени работы. Каждое приложение отличается. Свяжитесь с производителем вашего устройства, чтобы определить, как долго устройство будет работать с указанным аккумулятором.

Да, вы определенно можете заменить батарейку в домашней сигнализации без мастера. Процесс занимает менее 5 минут. Возможно, после этого вам придется позвонить в компанию по охранной сигнализации, чтобы сбросить ошибку с панели охранной сигнализации. Процесс прост и может быть выполнен без технического специалиста.

Перед тем, как убрать свою электрическую кэдди для гольфа на зиму, обязательно полностью зарядите аккумулятор, а затем отключите его от системы. Хранить в прохладном сухом месте. Если батарея остается подключенной к устройству, скорость саморазряда намного выше, и батарея разряжается быстрее.

Замена аккумулятора 12 В 7 Ач на 12 В 9 Ач не повредит эхолот. Результатом этого обновления станет более длительное время работы эхолота. Физические размеры обеих батарей абсолютно одинаковы. Не будет проблем с установкой этой батареи в эхолот.

Нет никаких проблем с использованием аккумулятора 12В 5Ач в системе охранной сигнализации. Никакого ущерба системе сигнализации не будет. Чуть более высокий ток приведет к более длительному времени срабатывания сигнализации при сбое питания.

Можно ли использовать в моем электрическом самокате обычные герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы? Могу ли я использовать батареи, предназначенные для аварийного освещения или сигнализации, для работы моего скутера?

Для электросамокатов (электровелосипедов) необходимо использовать аккумуляторы, специально предназначенные для мобильных устройств. Не используйте аккумуляторы SLA, предназначенные для аварийного освещения, сигнализации или даже ИБП. Какими бы хорошими ни были эти батареи, они не предназначены для использования в мобильных устройствах. Хотя скутер изначально будет работать, вы заметите низкую производительность, быструю разрядку и быструю и преждевременную смерть аккумуляторов. Аккумуляторы также могут быстро вздуться и вздуться.

Чтобы получить максимальную отдачу от вашего eBike, купите правильные аккумуляторы. Покупайте высококачественные герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы. Эти аккумуляторы предназначены для интенсивного использования. Они обеспечат вам гораздо большую отдачу от потраченных денег, они прослужат дольше и обеспечат более длительное время в пути.

Вам необходимо заменить все четыре батареи. Замена только одной батареи в системе приведет к преждевременному выходу из строя новой батареи. Другие батареи повредят новую. Чтобы максимально продлить срок службы устройства, обязательно замените сразу все батареи на новые. Другие батареи могут быть еще не разряжены, но могут быть сильно повреждены. Это только вопрос времени, когда они истечет.

Современные системы сигнализации уведомят вас о необходимости замены батарейки. В некоторых системах сигнализации время от времени будет раздаваться звуковой сигнал, в некоторых на панели будет отображаться код ошибки, а в некоторых загорится индикатор неисправности. Эти уведомления указывают на неисправность батареи и необходимость ее замены.

Как правило, батарейки для домашней сигнализации служат очень долго, потому что они не потребляют много энергии и используются редко. Батареи системы сигнализации могут работать от 4 до 7 лет, мы даже видели, что некоторые из них прослужили дольше. Как показывает опыт, проверяйте батарею сигнализации каждые 5 лет.

Не используйте заряженный автомобильный аккумулятор для зарядки небольших герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов. Автомобильные зарядные устройства предназначены для работы с большими аккумуляторами SLI и зарядки при высокой силе тока. Для небольших батарей, таких как 6 В 5 Ач или 12 В 9 Ач, это будет слишком большая сила тока.

Основные компоненты свинцово-кислотного аккумулятора

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

Процесс разряда:

Процесс заряда:

Основные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Преимущества и недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов

Правила эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов

Современные разновидности свинцово-кислотных аккумуляторов

Обслуживание свинцово-кислотных аккумуляторов

Применение свинцово-кислотных аккумуляторов

§42. Кислотные аккумуляторы | Электротехника

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора.

Принцип работы свинцового аккумулятора

Главная страница

Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Теория работы свинцово-кислотного аккумулятора 🔋

Simple Circuit контролирует работоспособность телекоммуникационных систем резервного питания со свинцово-кислотными батареями на напряжение 48 В

Автор

Свинцово-кислотные аккумуляторы | PVEducation

Ускоренная зарядка

Удельный вес (SG)

Особые указания для гелевых, герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов

Установка

Аккумуляторы для фотоэлектрических или удаленных источников питания (RAPS)

Доступны несколько других типов батарей специального назначения, которые описаны ниже.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Похожие записи

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика

Добавить комментарий Отменить ответ