Характеристики акб: Характеристики автомобильных аккумуляторов

Характеристики автомобильных аккумуляторов

Без аккумулятора автомобиль превращается в бесполезную недвижимость — лишь редкие современные машины допускается заводить с толчка. Аккумулятор служит источником питания не только для стартера, но и для многочисленных электронных устройств, отвечающих за безопасность либо комфортабельность транспортного средства. Именно поэтому к подбору батареи стоит относиться очень серьёзно — неподходящее устройство может стать причиной отказа автомобиля в неподходящий момент либо даже его повреждения. Чтобы не допускать подобных ошибок, стоит внимательно рассмотреть основные характеристики аккумулятора для автомобиля.

Содержание

• Совместимость
• Электротехнические параметры
• Технологии
• Дополнительная информация
• Оптимальный выбор

Совместимость

Современные аккумуляторы максимально унифицированы, что позволяет облегчить их выбор, но между батареями всё же имеется немало различий. Главной отличительной чертой аккумулятора является его номинальное напряжение. Выделяют три основных вида батарей:

• 6 Вольт — для мопедов, багги, некоторых квадроциклов и прочей лёгкой техники;
• 12 Вольт — все легковые автомобили, большинство мотоциклов и квадроциклов;
• 24 Вольт — тяжёлые дизельные грузовики, спецтехника.

Конечно, существуют и нестандартные аккумуляторы, однако ими комплектуется только техника, изготовленная в единичном экземпляре.

Большинство современных батарей по-прежнему имеет классическую свинцово-кислотную компоновку. Её нельзя назвать наиболее эффективной, однако такая технология позволяет достичь оптимального баланса между характеристиками аккумулятора и его стоимостью. В последнее время начали набирать популярность гелевые батареи. Принцип их действия аналогичен, однако такие аккумуляторы содержат очень густой электролит, который не допускает выхода газов наружу — это позволяет улучшить характеристики устройства и сделать его максимально безопасным.

Существуют батареи, созданные с применением никель-металлгидридной технологии и литиевые аккумуляторы (литий-ионные, литий-полимерные, литий-фосфатные) — обычно они предназначаются для гибридных транспортных средств и несовместимы с электросетью обычного автомобиля.

При покупке аккумулятора необходимо обращать внимание на его клеммы, которые различаются по толщине и полярности. В отечественных и европейских автомобилях применяется прямая полярность батарей, что предполагает расположение плюсовой клеммы справа. Японские и некоторые американские автомобили требуют установки батарей с обратной полярностью — теоретически, можно использовать и другой аккумулятор, но для этого понадобится существенно удлинить провода. Толщина клемм может соответствовать двум стандартам — наиболее распространён европейский, которому соответствует диаметр 19,5 мм у контакта «+» и 17,9 мм у «-». Альтернативой ему служит азиатский стандарт, у которого диаметр клемм равен 12,7 и 11,1 мм соответственно.

Нельзя забывать о наружных габаритах батареи, например, в лёгких грузовиках могут использоваться 12-вольтовые приспособления с крупным корпусом, которые точно не подойдут для установки на легковушку. Покупателю рекомендуется обращать внимание и на тип крепления аккумулятора, который может быть верхним либо нижним. Закрепить батарею можно и с помощью самодельного фиксатора, но никто не даст гарантию надёжности электросистемы в этом случае. Чтобы не допустить ошибки при покупке, лучше перепишите всю информацию со старого аккумулятора либо возьмите с собой инструкцию по эксплуатации транспортного средства. Продавец поможет вам разобраться в условных обозначениях и подберёт подходящую батарею.

Электротехнические параметры

Главной характеристикой любого аккумулятора — в том числе и не автомобильного, является его ёмкость, которая измеряется в Ампер-часах (Ач). Подбор оптимальной батареи в этом случае осуществляется по рекомендациям производителя — в инструкции по эксплуатации транспорта должна указываться минимально допустимая ёмкость для гарантированного запуска мотора.

Специалисты дают следующие рекомендации по выбору аккумуляторов:

• До 40 Ач — малолитражные легковые авто, использующиеся в тёплом климате;
• До 60 Ач — бензиновые авто в умеренном климате;
• До 80 Ач — бензиновые и некоторые дизельные авто в холодном климате;
• До 100 Ач — любые бензиновые и дизельные легковые машины;
• Свыше 100 Ач — коммерческая и специальная техника.

Покупать батарею чрезмерно большой ёмкости не рекомендуется, поскольку генератор не будет успевать подзаряжать её и со временем произойдёт накопление серы в ячейках. В условиях суровой зимы неполная зарядка мощного аккумулятора способна уменьшить срок его службы почти вдвое.

Перед покупкой следует внимательно изучить характеристики аккумулятора

Очень большое значение имеет ток холодной прокрутки — он показывает, какой будет отдача аккумулятора при попытке завести автомобиль после ночи, проведённой под открытым небом на морозе. Существует два стандарта измерения этого показателя, которые отличаются базовыми условиями — DIN и EN. Продавцы иногда идут на махинации, пытаясь выдать ток по EN за DIN и привлечь клиента завышенными характеристиками аккумулятора — чтобы избежать этого, нужно самостоятельно взглянуть на изделие и найти соответствующие буквы после обозначения тока холодной прокрутки. Нормальным значением согласно DIN является ток выше 250 А, в соответствии с EN — 420 А и выше.

Рассматривая характеристики автомобильного аккумулятора, обязательно обратите внимание на резервную ёмкость такого компонента. В отличие от основного параметра, она измеряется не в Ампер-часах, а минутах, в течение которых батарея сможет работать без подзарядки с нагрузкой в 25 А. Такой стандарт измерения соответствует ситуации, в которой генератор выходит из строя холодной зимней ночью. Показатель позволяет узнать, хватит ли заряда, чтобы доехать домой либо до СТО с включёнными фарами, обогревом салона и всеми электронными системами. Резервная ёмкость батареи должна превышать 40 минут — оптимальным вариантом считаются модели с показателем, составляющим 60–120 минут непрерывной автономной работы автомобиля.

Технологии

Наибольшее распространение на территории России получили обслуживаемые аккумуляторы, которые требуют регулярного долива дистиллированной воды для поддержания свойств электролита. Главное преимущество подобной технологии — невысокая себестоимость изделия, а также его превосходная надёжность. Обслуживаемый аккумулятор не боится глубокого разряда и может быть восстановлен после длительного хранения автомобиля под открытым небом на морозе. Очень популярная модификация таких батарей — малообслуживаемые устройства, которые требуют восполнения запаса дистиллированной воды примерно один раз в год против 2–3 раз у обычных обслуживаемых аккумуляторов. Такие приспособления имеют увеличенный срок эксплуатации и большую морозостойкость.

Однако в последнее время на российский рынок вышли необслуживаемые батареи, которые вовсе не требуют долива электролита и могут работать без вмешательства человека в течение всего срока годности. Жидкость в их банках может быть впитана в специальный стекловолоконный наполнитель, который препятствует её испарению.

Кроме того, недавно были разработаны и гелевые аккумуляторы, технические характеристики которых также позволяют называть их необслуживаемыми. Благодаря добавлению кремния в электролит, он превращается в густой гель, не испаряющийся и не меняющий своего объёма даже под воздействием сильного нагрева. Гелевые аккумуляторы считаются наиболее безопасными — благодаря полному отсутствию газообразования их можно хранить даже в жилых помещениях.

Поскольку свинец достаточно плохо переносит длительное пребывание в агрессивной среде, которую представляет собой электролит на базе серной кислоты, его необходимо легировать для получения требуемых параметров надёжности. Чаще всего используется сурьма, которая делает батарею намного более устойчивой к таким воздействиям, как нагрев и переохлаждение. Однако аккумуляторы с большим количеством сурьмы имеют достаточно серьёзный недостаток, который представлен закипанием электролита при значительных отклонениях электротехнических параметров от нормы.

Чтобы устранить этот недостаток, были разработаны батареи с другими легирующими веществами — наибольшую популярность получил кальций.

Кальциевые батареи очень надёжны и долговечны, а также практически не подвержены разрушению при воздействии на них ударных нагрузок и вибраций. Образующийся при контакте с серной кислотой сульфат кальция покрывает свинцовые пластины аккумулятора, защищая их от коррозии и чрезмерного перегрева при перезарядке. Как результат, устройства кальциевого типа выдерживают скачки напряжения в пределах 25% без существенных повреждений. Казалось бы, кальциевые батареи, эффективные и недорогие в производстве, должны полностью вытеснить с рынка устройства другого типа. Однако стоит обратить внимание на значительные недостатки таких аккумуляторов:

• Потеря половины ёмкости при первом глубоком разряде без возможности её последующего восстановления;
• После потери 70% ёмкости существует вероятность полного выхода из строя батареи — это может произойти, если автомобиль долгое время будет стоять с включённым электрооборудованием;
• Кальциевые устройства запрещается использовать в автомобилях с неисправным электрооборудованием — это гарантированно нарушает их нормальную работу;
• При температуре ниже -30 градусов хранить кальциевый аккумулятор лучше в тёплом помещении — иначе гарантию его исправности получить не удастся;
• Для перезарядки такого приспособления потребуется дорогостоящее зарядное устройство с электронным управлением.

Чтобы избавиться от недостатков кальциевых и сурьмянистых аккумуляторов, многие крупные компании начали выпуск гибридных батарей, в которых используется оба легирующих элемента. Они имеют умеренную надёжность и ёмкость, но не повреждаются при глубоком разряде и не требуют соблюдения столь же строгих правил. Существуют и альтернативные гибридные батареи, в которых вторым легирующим элементом кроме кальция является серебро. Такие устройства очень надёжны и долговечны, а также невосприимчивы к быстрому глубокому разряду, но по понятным причинам дороги. Выпускаются и малосурьмянистые аккумуляторы, в которых содержание легирующего элемента не превышает 3% — они невосприимчивы к нагреву и глубокому разряду, но имеют ограниченный срок пригодности.

Дополнительная информация

Обслуживаемые аккумуляторы позволяют контролировать уровень электролита без малейших проблем — достаточно открутить пробку одной банки, чтобы увидеть, требуется ли долив дистиллированной воды. Однако малообслуживаемые и необслуживаемые устройства такой возможности не предоставляют — без помощи специалиста получить доступ к внутренним компонентам таких батарей не удастся. Контроль плотности электролита осуществляется в них с помощью специального индикатора, называемого «магическим глазком». В зависимости от степени износа батареи он меняет свой цвет с зелёного на красный, сигнализируя о необходимости обслуживания либо замены источника питания. В моделях с белыми стенками уровень электролита удаётся замерить, посветив на них фонариком.

Многие современные аккумуляторы оснащены полиэтиленовым пористым сепаратором, который устанавливается внутри их корпуса — такое приспособление предотвращает замыкание пластин между собой и существенно повышает срок эксплуатации устройства. Сепаратор улучшает характеристики источника питания, предотвращая его разрушение при длительном воздействии вибраций или сильных ударов. Ещё одним защитным компонентом для батареи является отсекатель пламени, который предотвращает возгорание и взрыв при попадании на корпус искры. Он применяется в качественных устройствах обслуживаемой и малообслуживаемой компоновки, повышая уровень защиты автомобиля.

При сильном нагреве батареи серная кислота, содержащаяся в электролите, способна испаряться, образуя едкий аэрозоль. Его появление представляет собой угрозу для безопасности транспорта, а также снижает остаточный срок эксплуатации приспособления. Чтобы устранить эти проблемы, аэрозоль необходимо улавливать и осаждать обратно в резервуары. Для этого применяют крышки аккумуляторов с лабиринтной формой — она позволяет осаждать электролит в форме конденсата, стекающего в банки через специальные каналы.

Аккумуляторы могут комплектоваться защитными крышками и колпачками, которые предотвращают случайный контакт клемм с металлическими деталями автомобиля или проводами — с их помощью удаётся избежать появления серьёзных неполадок электросистемы. Некоторые модели нестандартных размеров, например, азиатские батареи либо изделия для специальной техники, могут комплектоваться набором переходников. В них часто включены накладки, обеспечивающие фиксацию широких клемм на тонких стержнях, а также провода увеличенной длины для быстрой смены полярности. Среди особенностей батарей нужно назвать и наличие ручки для переноски — она выручает автомобилистов, которым приходится поднимать источник питания на высокий этаж многоквартирного дома для его прогрева.

Оптимальный выбор

При подборе аккумуляторной батареи обязательно обратите внимание на её совместимость с вашим автомобилем — достаточно перепутать напряжение или полярность, чтобы устройство не подошло для транспортного средства. Оцените объём двигателя и климатические условия, в которых будет эксплуатироваться автомобиль — от этих параметров зависит ёмкость и сила тока холодной прокрутки. Только после определения этих характеристик приступайте к выбору аккумулятора по технологии его изготовления. Если автомобиль будет использоваться в тёплом климате, стоит отдать предпочтение кальциевой модели, а в холодном — гибридной либо малосурьмянистой. Не забывайте проверять, соответствует ли выбранная вами батарея стандартам надёжности и безопасности.

Электрические характеристики аккумуляторных батарей | Аккумуляторные батареи

Подробности

Категория: Оборудование

• эксплуатация
• ремонт
• хранение энергии

Содержание материала

• Аккумуляторные батареи
• Электрические характеристики аккумуляторных батарей
• Принцип действия аккумулятора
• Свинцово-кислотные аккумуляторы
• Пластины аккумуляторов
• Сепараторы для свинцово-кислотных аккумуляторов
• Сосуды для свинцово-кислотных аккумуляторов
• Сборка для свинцово-кислотных аккумуляторов
• Железо–никелевые аккумуляторы
• Никель-кадмиевые аккумуляторы
• Серебряно-цинковые аккумуляторы
• Электролит для свинцовых аккумуляторов
• Свойства щелочных электролитов
• Приготовление электролита
• Источники повреждений аккумуляторных батарей
• Заряд аккумуляторных батарей
• Зарядные устройства
• Ремонт аккумуляторных батарей
• Оборудование мастерской по ремонту аккумуляторных батарей
• Ремонт
• Сборка аккумуляторных батарей
• Охрана труда и техника безопасности
• Особенности эксплуатации аккумуляторных батарей на электростанциях и подстанциях
• Основные сведения по монтажу
• Порядок эксплуатации аккумуляторных батарей
• Техническое обслуживание аккумуляторных батарей

Страница 2 из 26

1. 3. Основные электрические характеристики аккумуляторных батарей

Электродвижущая сила и напряжение. Электродвижущей силой (ЭДС) называется разность потенциалов положительного и отрицательного электродов аккумулятора при разомкнутой внешней цепи.
Величина ЭДС зависит, главным образом, от электродных потенциалов, т. е. от физических и химических свойств веществ, из которых изготовлены пластины и электролит, но не зависит от размеров пластин аккумулятора.
ЭДС кислотного аккумулятора зависит также от плотности электролита. Теоретически и практически установлено, что ЭДС аккумулятора с достаточной для практики точностью можно определить по формуле
Е=0,85 + g,
где g– плотность электролита при 15°С, г/см³.
Для кислотных стартерных аккумуляторов, в которых плотность электролита колеблется в пределах от 1,12 до 1,29 г/см³,  ЭДС изменяется соответственно от 1,97 до 2,14 В.
Измерить ЭДС с абсолютной точностью почти невозможно. Однако для практических целей ЭДС приблизительно и достаточно точно можно измерить вольтметром, имеющим высокое внутреннее сопротивление (не менее 1000 Ом на 1 В). При этом через вольтметр будет проходить ток незначительной величины.
Напряжением аккумулятора называется разность потенциалов положительных и отрицательных пластин при замкнутой внешней цепи, в которую включен какой-либо потребитель тока, т. е. при прохождении тока через аккумулятор. При этом показания вольтметра при измерении напряжения всегда будут меньше, чем при замере ЭДС, и эта разность будет тем больше, чем больший ток проходит через аккумулятор.
ЭДС и напряжение зависят от ряда факторов. ЭДС изменяется от плотности и температуры электролита. Напряжение в свою очередь зависит от ЭДС, величины разрядного тока (нагрузки) и внутреннего сопротивления аккумулятора.
Зависимость ЭДС аккумулятора от плотности электролита (концентрации раствора Н2SО4) приведена ниже:

Плотность электролита при 25°С,
г/см³. …………………………….. 1,05        1,10        1,15        1,20        1,25        1,28        1,30
Н2SО4, %……………………….. 7,44       14,72      21,68      27,68       33,8        37,4        39,7
ЭДС аккумулятора, в………. 1,906      1,960      2,005      2,048      2,095      2,125      2,144
Из этой зависимости видно, что с увеличением концентрации серной кислоты ЭДС также увеличивается. Отсюда, однако, не следует, что для получения большей ЭДС можно чрезмерно увеличивать плотность электролита. Установлено, что стартерные аккумуляторные батареи достаточно хорошо работают тогда, когда плотность электролита в них составляет 1,27 – 1,29 г/см³.Кроме того, электролит плотностью 1,29 г/см³имеет самую низкую точку замерзания.
При изменении температуры электролита ЭДС аккумулятора также меняется. Так, с изменением температуры электролита от +20°С до -40°С ЭДС аккумулятора снижается с 2,12 до 2,096 в. В значительно большей степени с изменением температуры электролита меняется напряжение, так как оно зависит не только от ЭДС, но и от внутреннего сопротивления аккумулятора, которое с понижением температуры значительно возрастает.
Между ЭДС, напряжением, внутренним сопротивлением и величиной разрядного тока существует следующая зависимость:
U=Е-Ir,
где U – напряжение;
Е – э. д. с. аккумулятора;
I – величина разрядного тока;
r – внутреннее сопротивление аккумулятора.
Из этой формулы видно, что при постоянном значении ЭДС, измеряемой при разомкнутой цепи, напряжение аккумулятора падает по мере увеличения отдаваемого в процессе разряда тока.
Внутреннее сопротивление. Внутреннее сопротивление аккумулятора сравнительно мало, но в тех случаях, когда аккумуляторная батарея разряжается силой тока большой величины, например, при пуске двигателя стартером, внутреннее сопротивление каждого аккумулятора имеет очень существенное значение.
Внутреннее сопротивление складывается из сопротивления электролита, сепараторов и пластин. Главной составляющей является сопротивление электролита, которое изменяется с изменением температуры и концентрации серной кислоты.
Зависимость удельного сопротивления электролита плотностью 1,30 г/см³ от температуры показана ниже:

Температура, °С                            Удельное   сопротивление электролита Ом·см
+ 40                                                                             0,89
+ 25                                                                             1,28
+ 18                                                                             1,46
0                                                                             1,92
–  18                                                                            2,39
Как видно из приведенных данных, с понижением температуры электролита от +40°С до -18°С удельное сопротивление возрастает в 2,7 раза. Наименьшее значение удельного сопротивления имеет электролит плотностью 1,223 г/см³при 15°С (30%-ный раствор Н2SО4 по весу).
Вторым составляющим сопротивления в аккумуляторе является сопротивление сепараторов. Оно зависит в основном от их пористости. Сепараторы изготавливают из электроизолирующего материала, поры которого заполнены электролитом, что и обусловливает электропроводимость сепаратора.
В связи с этим можно было бы предположить, что с изменением температуры сопротивление сепаратора будет изменяться в той же пропорции, что и сопротивление электролита, но это не совсем так. Некоторые виды сепараторов, например, сепараторы из микропористого эбонита (мипора) не чувствительны к изменению температуры.
Третьим фактором, входящим в общую сумму внутреннего сопротивления элемента, служит активная масса и решетки положительных и отрицательных пластин.
Сопротивление губчатого свинца отрицательной пластины незначительно отличается от сопротивления материала решетки, в то время как сопротивление перекиси свинца положительной пластины превышает сопротивление решетки в 10000 раз. В отличие от сопротивления электролита сопротивление решетки уменьшается с понижением температуры. Но ввиду того, что сопротивление электролита во много раз больше сопротивления пластин, то уменьшение их сопротивления с понижением температуры весьма незначительно компенсирует общее снижение сопротивления электролита.
На сопротивление пластин влияет степень заряженноcти аккумуляторной батареи. В процессе разряда сопротивление пластин возрастает, так как сернокислый свинец, образующийся на положительных и отрицательных пластинах, почти не проводит электрический ток.
По сравнению с другими типами аккумуляторов кислотные аккумуляторы имеют сравнительно малое внутреннее сопротивление, что и определяет их широкое применение в качестве стартерных батарей на автомобильном транспорте.
Емкость. Емкостью аккумулятора называется количество электричества, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при заданном режиме разряда, температуре и конечном напряжении. Емкость измеряют в ампер-часах и определяют по формуле
C=Iptp,
где С – емкость, а·ч;
Ip – сила разрядного тока, а;
tp – время разряда, ч.
Величина емкости аккумуляторной батареи в основном определяется следующими факторами: режимом разряда (величиной разрядного тока), концентрацией электролита и температурой. Аккумуляторы при форсированных режимах разряда отдают емкость меньше, чем при разряде более длительными режимами (небольшой величиной тока).
Снижение емкости при форсированных режимах разряда происходит по следующим причинам.
В процессе разряда превращение активной массы пластин сернокислый свинец происходит не только на поверхности пластин, но и внутри них. Если разряд осуществляют током небольшой силы и медленно, то электролит успевает проникать в глубокие слои активной массы, а вода, образующаяся в результате реакции в порах, успевает смешаться с основной массой электролита. При форсированных режимах разряда концентрация серной кислоты в электролите внутри пластин значительно снижается, свежий электролит не успевает проникнуть в глубь активной массы, реакция идет в основном на поверхности пластин, так как поры закупориваются и внутрилежащие слои активной массы почти не принимают участия в реакции. При этом в результате значительного увеличения внутреннего сопротивления аккумулятора напряжение на его зажимах резко падает.
Однако после того как аккумулятор будет разряжен при форсированном режиме, после небольшого перерыва его снова можно разряжать. Это служит наглядным подтверждением того, что снижение емкости в аккумуляторе при разряде большой величиной силы тока происходит в результате неполного использования активной массы пластин.
Кроме величины разрядного тока, на емкость аккумулятора значительно влияет концентрация электролита, которая определяет потенциал пластин, электрическое сопротивление электролита и его вязкость, влияющую в свою очередь на способность проникания электролита в глубокие слои активной массы пластин.
В процессе разряда плотность электролита уменьшается и в конце разряда к активной массе пластин поступает недостаточное количество кислоты, в результате чего напряжение аккумулятора падает и дальнейший его разряд становится невозможным. Чем больше разница между концентрациями электролита, находящегося вне пластин, и электролита, находящегося в порах активной массы, тем интенсивнее происходит процесс проникновения кислоты в поры пластин. В этом отношении применение электролита с большей плотностью, казалось бы, должно увеличить емкость. Но в действительности чрезмерно большая плотность не ведет к увеличению емкости, так как увеличение плотности электролита неизбежно приводит к повышению вязкости электролита, в результате чего процесс проникновения электролита в глубину активной массы пластин ухудшается, и напряжение на зажимах аккумулятора падает.
Установлено, что наибольшую емкость имеет аккумуляторная батарея с плотностью электролита 1,27 – 1,29 г/см³.
Емкость аккумуляторной батареи зависит также от температуры. С понижением температуры емкость снижается, а с повышением увеличивается. Это объясняется тем, что с понижением температуры увеличивается вязкость электролита, в результате чего он поступает к пластинам в недостаточном количестве.
Значения вязкости электролита плотностью 1,223 г/см³ в зависимости от температуры приведены ниже:
Температура, °С………… +30        +25        +20        +10          0          – 10       – 20       – 30
Абсолютная вязкость,
пз(пуаз)………………….. 1,596     1,784     2,006    2,600    3,520    4,950   7,490    12,200
Емкость положительных и отрицательных пластин с изменением температур изменяется не в одинаковой степени. Если при обычной температуре емкость элемента лимитируется положительными пластинами, то при низких температурах – отрицательными, так как при понижении температуры емкость отрицательной пластины уменьшается в значительно большей степени, чем положительной.
В последнее время емкость аккумуляторных батарей при низких температурах удалось значительно повысить за счет применения более тонких синтетических сепараторов с высокой пористостью (до 80%) и присадок, так называемых расширителей, к активной массе отрицательных пластин, которые придают ей большую пористость.
Помимо режима разряда, концентрации электролита и температуры емкость аккумуляторной батареи зависит от срока ее службы, от срока хранения, в течение которого батарея бездействовала, от наличия вредных примесей и т. д. Емкость новой аккумуляторной батареи, поступающей в эксплуатацию, первое время (в течение гарантийного срока службы) повышается, так как происходит формирование пластин, после чего на протяжении определенного периода остается постоянной и затем начинает постепенно падать. Потеря емкости аккумуляторной батареей в конце срока службы объясняется уменьшением пористости отрицательных пластин и выпадением активной массы положительных пластин.
Если заряженная батарея продолжительное время бездействовала, то при ее разряде отданная емкость будет значительно меньше. Это объясняется естественным явлением саморазряда при бездействии батареи.

• Назад
• Вперёд

• Назад
• Вперёд

org/BreadcrumbList»>
• Вы здесь:  
• Главная
• Книги
• Оборудование
• Аккумуляторные батареи

Еще по теме:

• Предремонтные испытания электрических машин
• Взрывозащищенная контрольно-измерительная и аппаратура автоматики
• Ремонт электрооборудования на судах
• Интеграция системы передачи и хранения ремонтных заявок с системой их режимной проработки
• Строительство, реконструкция и ремонт дымовых труб

Эксплуатационные характеристики батареи

— Как определить и протестировать батарею

 

 

		В этом разделе описаны основные параметры, которые используются для характеристики производительности ячейки. Оценка этих характеристик необходима для выбора оптимальной батареи для приложения.

 

Спецификации, стандарты и реклама

Аккумуляторы

могут рекламироваться как Long Life, High Capacity, High Energy, Deep Cycle, Heavy Duty, Fast Charge, Quick Charge, Ultra и другие, плохо определенные параметры, и существует несколько отраслевых или юридических стандартов, точно определяющих, что каждый из этих терминов средства. Рекламные слова могут означать все, что хочет продавец. Помимо базовой конструкции батареи, производительность на самом деле зависит от того, как используются батареи, а также от условий окружающей среды, в которых они используются, но эти условия редко, если вообще когда-либо, указываются в рекламе для массового рынка. Для потребителя это может быть очень запутанным или вводящим в заблуждение. Однако сама аккумуляторная промышленность не использует такие расплывчатые термины для определения производительности аккумуляторов, и спецификации обычно включают заявление, определяющее или ограничивающее условия эксплуатации или окружающей среды, в которых может быть обеспечена заявленная производительность.

В следующем разделе описаны основные параметры, используемые для характеристики элементов или батарей, и показано, как эти параметры могут меняться в зависимости от условий эксплуатации.

 

Кривые нагнетания

Энергетические элементы

были разработаны для широкого спектра применений с использованием множества различных технологий, что обеспечивает широкий диапазон доступных рабочих характеристик. На приведенных ниже графиках показаны некоторые из основных факторов, которые инженер по применению должен учитывать при выборе батареи, чтобы она соответствовала требованиям к производительности конечного продукта.

 

Химия клетки

Номинальное напряжение гальванического элемента определяется электрохимическими характеристиками активных химических веществ, используемых в элементе, так называемой клеточной химией. Фактическое напряжение, появляющееся на клеммах в любой конкретный момент времени, как и в любой ячейке, зависит от тока нагрузки и внутреннего импеданса ячейки, а это зависит от температуры, состояния заряда и возраста ячейки.

На приведенном ниже графике показаны типичные кривые разрядки для элементов с использованием ряда химических элементов при разряде со скоростью 0,2°C. Обратите внимание, что химический состав каждой ячейки имеет собственное характерное номинальное напряжение и кривую разряда. Некоторые химические вещества, такие как ионно-литиевые, имеют довольно плоскую кривую разряда, в то время как другие, такие как свинцово-кислотные, имеют выраженный наклон.

Мощность, выдаваемая элементами с наклонной кривой разряда, постепенно падает на протяжении всего цикла разряда. Это может привести к проблемам с приложениями высокой мощности ближе к концу цикла. Для приложений с низким энергопотреблением, которым требуется стабильное напряжение питания, может потребоваться включить регулятор напряжения, если наклон слишком крутой. Обычно это не вариант для приложений с высокой мощностью, поскольку потери в регуляторе отнимут у батареи еще больше энергии.

Плоская кривая разряда упрощает конструкцию приложения, в котором используется аккумулятор, поскольку напряжение питания остается достаточно постоянным на протяжении всего цикла разряда. Наклонная кривая облегчает оценку состояния заряда батареи, поскольку напряжение элемента можно использовать как меру остаточного заряда в элементе. Современные литий-ионные элементы имеют очень плоскую кривую разряда, и для определения состояния заряда необходимо использовать другие методы

 

 

На оси X показаны характеристики ячейки, нормализованные в процентах от емкости ячейки, так что форма графика может быть показана независимо от фактической емкости ячейки. Если бы ось X была основана на времени разряда, длина каждой кривой разряда была бы пропорциональна номинальной емкости элемента.

 

Температурные характеристики

Производительность ячейки

может резко меняться в зависимости от температуры. В нижнем пределе, в батареях с водными электролитами, сам электролит может замерзнуть, установив нижний предел рабочей температуры. При низких температурах литиевые батареи страдают от литиевого покрытия анода, что приводит к необратимому снижению емкости. В крайнем случае активные химические вещества могут разрушаться, разрушая батарею. В промежутке между этими пределами производительность элемента обычно улучшается с повышением температуры. Дополнительные сведения см. также в разделе «Управление температурным режимом» и «Ресурс батареи».

На приведенном выше графике показано, как производительность ионно-литиевых аккумуляторов ухудшается при снижении рабочей температуры.

Вероятно, более важным является то, что как для высоких, так и для низких температур, чем дальше рабочая температура от комнатной температуры, тем больше снижается срок службы. См. Неисправности литиевых батарей.

 

Характеристики саморазряда

Скорость саморазряда — это мера того, как быстро ячейка будет терять свою энергию, оставаясь на полке из-за нежелательных химических процессов внутри ячейки. Скорость зависит от химического состава клетки и температуры.

 

Химия клеток

Ниже показан типичный срок годности некоторых первичных элементов:

• Цинк-углерод (Leclanché) от 2 до 3 лет
• Щелочные 5 лет
• Литий 10 лет и более

Типичные скорости саморазряда обычных перезаряжаемых элементов следующие:

• Свинцово-кислотный от 4% до 6% в месяц
• Никель Кадмий от 15% до 20% в месяц
• Никель-металлогидрид 30% в месяц
• Литий от 2% до 3% в месяц

 

Влияние температуры

Скорость нежелательных химических реакций, которые вызывают внутреннюю утечку тока между положительным и отрицательным электродами элемента, как и все химические реакции, увеличивается с температурой, тем самым увеличивая скорость саморазряда батареи. См. также Срок службы батареи. На приведенном ниже графике показана типичная скорость саморазряда литий-ионной батареи.

 

Внутренний импеданс

Внутренний импеданс ячейки определяет ее пропускную способность по току. Низкое внутреннее сопротивление позволяет использовать большие токи.

 

Эквивалентная схема батареи

На диаграмме справа показана эквивалентная схема для энергетического элемента.

• Rm — сопротивление металлического пути через ячейку, включая клеммы, электроды и межсоединения.
• Ra — сопротивление электрохимического тракта, включающего электролит и сепаратор.
• Cb — емкость параллельных пластин, образующих электроды ячейки.
• Ri — нелинейное контактное сопротивление между пластиной или электродом и электролитом.

Типичное внутреннее сопротивление порядка миллиом.

 

Влияние внутреннего сопротивления

Когда ток протекает через элемент, происходит падение напряжения IR на внутреннем сопротивлении элемента, что снижает напряжение на клеммах элемента во время разряда и увеличивает напряжение, необходимое для зарядки элемента, тем самым уменьшая его эффективную емкость, а также уменьшая его заряд /эффективность разряда. Более высокие скорости разряда приводят к более высоким внутренним падениям напряжения, что объясняет кривые разряда с более низким напряжением при высоких скоростях C. См. «Скорость разрядки» ниже.

 

Внутренний импеданс зависит от физических характеристик электролита: чем меньше размер гранул электролита, тем ниже импеданс. Размер зерна контролируется производителем ячейки в процессе измельчения.

 

Спиральная конструкция электродов часто используется для увеличения площади поверхности и, таким образом, снижения внутреннего импеданса. Это снижает тепловыделение и обеспечивает более высокую скорость зарядки и разрядки.

 

Внутреннее сопротивление гальванического элемента зависит от температуры и уменьшается с повышением температуры из-за увеличения подвижности электронов. График ниже является типичным примером.

Таким образом, ячейка может быть очень неэффективной при низких температурах, но эффективность повышается при более высоких температурах из-за более низкого внутреннего импеданса, а также из-за увеличения скорости химических реакций. Однако более низкое внутреннее сопротивление, к сожалению, также приводит к увеличению скорости саморазряда. Кроме того, срок службы ухудшается при высоких температурах. Может потребоваться некоторая форма нагрева и охлаждения для поддержания ячейки в ограниченном диапазоне температур для достижения оптимальной производительности в приложениях с высокой мощностью.

 

Внутреннее сопротивление большинства химических элементов элементов также имеет тенденцию к значительному увеличению к концу цикла разрядки, поскольку активные химические вещества преобразуются в свое разряженное состояние и, следовательно, эффективно израсходованы. Это в основном отвечает за быстрое падение напряжения на ячейке в конце цикла разрядки.

 

Кроме того, джоулев тепловой эффект I ² R Уменьшение внутреннего сопротивления элемента приведет к повышению температуры элемента.

 

Падение напряжения и потери I ² R могут быть незначительными для элемента емкостью 1000 мАч, питающего мобильный телефон, но для автомобильного аккумулятора на 100 элементов емкостью 200 Ач они могут быть значительными. Типичное внутреннее сопротивление для литиевого аккумулятора мобильного телефона на 1000 мА составляет от 100 до 200 мОм и около 1 мОм для литиевого элемента на 200 Ач, используемого в автомобильном аккумуляторе. См. пример.

 

При работе в режиме C падение напряжения на ячейку в обоих случаях составит около 0,2 вольта (чуть меньше для мобильного телефона). Потери I ² R в мобильном телефоне будут составлять от 0,1 до 0,2 Вт. Однако в автомобильном аккумуляторе падение напряжения на всей аккумуляторной батарее составит 20 В, а потери мощности I ² R, рассеиваемые в виде тепла внутри аккумуляторной батареи, составят 40 Вт на элемент или 4 кВт для всей аккумуляторной батареи. Это в дополнение к теплу, выделяемому электрохимическими реакциями в клетках.

 

По мере старения элемента сопротивление электролита имеет тенденцию к увеличению. Старение также приводит к ухудшению состояния поверхности электродов, увеличению контактного сопротивления и одновременному уменьшению эффективной площади пластин, уменьшая их емкость. Все эти эффекты увеличивают внутреннее сопротивление клетки, отрицательно влияя на ее работоспособность. Сравнение фактического импеданса элемента с его импедансом, когда он был новым, может быть использовано для измерения или представления возраста элемента или его эффективной емкости. Такие измерения намного удобнее, чем фактическая разрядка ячейки, и их можно проводить, не разрушая тестируемую ячейку. См. «Измерение импеданса и проводимости»

 

Внутреннее сопротивление также влияет на эффективную емкость элемента. Чем выше внутреннее сопротивление, тем выше потери при зарядке и разрядке, особенно при более высоких токах. Это означает, что при высоких скоростях разряда доступная емкость элемента ниже. И наоборот, если он разряжается в течение длительного периода, емкость в ампер-часах выше. Это важно, потому что некоторые производители указывают емкость своих аккумуляторов при очень низкой скорости разряда, из-за чего они выглядят намного лучше, чем они есть на самом деле.

 

Скорость разряда

Приведенные ниже кривые разрядки литий-ионного элемента показывают, что эффективная емкость элемента уменьшается, если элемент разряжается с очень высокой скоростью (или, наоборот, увеличивается при низкой скорости разряда). Это называется смещением емкости, и этот эффект характерен для большинства клеточных химических процессов.

 

Нагрузка от батареи

Производительность разряда батареи зависит от нагрузки, которую должна питать батарея.

Если разрядка происходит в течение длительного периода в несколько часов, как в некоторых приложениях с высокой скоростью, таких как электромобили, эффективная емкость батареи может быть в два раза больше указанной емкости при скорости C. Это может быть наиболее важно при выборе дорогих аккумуляторов для использования с высокой мощностью. Емкость маломощных аккумуляторов для бытовой электроники обычно указывается для разряда со скоростью C, тогда как SAE использует разряд в течение 20 часов (0,05C) в качестве стандартного условия для измерения амперной емкости автомобильных аккумуляторов. На приведенном ниже графике показано, что эффективная емкость свинцово-кислотной батареи с глубоким разрядом почти удваивается при снижении скорости разряда с 1,0°C до 0,05°C. При времени разряда менее одного часа (высокий показатель C) эффективная емкость резко падает.

На эффективность зарядки также влияет скорость зарядки. Объяснение причин этого дано в разделе «Время зарядки».

 

Из этого графика можно сделать два вывода:

• Следует проявлять осторожность при сравнении характеристик емкости батареи, чтобы убедиться, что используются сопоставимые скорости разряда.
• В автомобильной технике, если для резкого ускорения или подъема на холм регулярно используются высокие значения силы тока, дальность действия транспортного средства будет уменьшена.

 

Рабочий цикл

Рабочие циклы различны для каждого приложения. Приложения для электромобилей и гибридных автомобилей налагают на аккумулятор особые переменные нагрузки. См. пример нагрузочного тестирования. Стационарные батареи, используемые в приложениях для хранения энергии распределенных сетей, могут иметь очень большие изменения SOC и много циклов в день.

Важно знать, сколько энергии используется за цикл, и проектировать для максимальной пропускной способности и мощности, а не для среднего значения.

 

Примечания: Для информации

• Типичный небольшой электромобиль потребляет от 150 до 250 ватт-часов энергии на милю при обычном вождении. Таким образом, для пробега в 100 миль при 200 Вт·ч на милю потребуется батарея емкостью 20 кВт·ч.
• В гибридном электромобиле используются батареи меньшего размера, но они могут потребоваться для работы при очень высокой скорости разряда до 40°C. Если транспортное средство использует рекуперативное торможение, батарея также должна выдерживать очень высокие скорости зарядки, чтобы быть эффективной. См. раздел о конденсаторах для примера того, как это требование может быть выполнено.

 

Уравнение Пейкерта

Уравнение Пейкерта является удобным способом описания поведения клеток и количественной оценки смещения емкости в математических терминах.

Это эмпирическая формула, которая приблизительно показывает, как доступная емкость батареи изменяется в зависимости от скорости разряда. C = I ⁿ  T, где «C» — теоретическая емкость батареи, выраженная в ампер-часах, «I» — ток, «T» — время, а «n» — число Пейкерта, константа для данного батарея. Уравнение показывает, что при более высоких токах в батарее остается меньше доступной энергии. Число Пейкерта напрямую связано с внутренним сопротивлением батареи. Более высокие токи означают больше потерь и меньшую доступную мощность.

Значение числа Пейкерта показывает, насколько хорошо батарея работает при непрерывных сильных токах. Значение, близкое к 1, указывает на то, что аккумулятор работает хорошо; чем выше число, тем больше теряется емкость при разряде батареи при больших токах. Число Пейкерта батареи определяется опытным путем. Для свинцово-кислотных аккумуляторов число обычно составляет от 1,3 до 1,4

 

На приведенном выше графике показано, что эффективная емкость аккумулятора снижается при очень высоких скоростях непрерывного разряда. Однако при прерывистом использовании батарея успевает восстановиться в периоды покоя, когда температура также возвращается к уровню окружающей среды. Из-за этого потенциала восстановления снижение емкости меньше, а эффективность работы выше, если батарея используется с перерывами, как показано пунктирной линией.

Это поведение, противоположное двигателю внутреннего сгорания, который работает наиболее эффективно при длительных устойчивых нагрузках. В этом отношении электроэнергия является лучшим решением для транспортных средств доставки, которые подвержены постоянным перебоям в работе.

 

Участки Рагоне

График Рагона полезен для характеристики компромисса между эффективной мощностью и управляемой мощностью. Обратите внимание, что графики Рагона обычно строятся в логарифмическом масштабе.

На приведенном ниже графике показана превосходная гравиметрическая плотность энергии литий-ионных элементов. Также обратите внимание, что литий-ионные элементы с анодами из титаната лития (Altairnano) обеспечивают очень высокую плотность мощности, но пониженную плотность энергии.

 

Плотность энергии и мощности — график Рагона

Источник Альтаирнано

 

На приведенном ниже графике Рагона сравниваются характеристики ряда электрохимических устройств. Это показывает, что ультраконденсаторы (суперконденсаторы) могут обеспечивать очень большую мощность, но емкость хранения очень ограничена. С другой стороны, топливные элементы могут хранить большое количество энергии, но имеют относительно низкую выходную мощность.

 

Ragone Участок электрохимических устройств

 

Наклонные линии на графиках Рагона указывают относительное время, в течение которого устройство заряжается или выходит из него. С одной стороны, мощность может подаваться в конденсаторы или извлекаться из них за микросекунды. Это делает их идеальными для получения энергии рекуперативного торможения в электромобилях. С другой стороны, топливные элементы имеют очень плохие динамические характеристики, которым требуется несколько часов для выработки и доставки энергии. Это ограничивает их применение в приложениях для электромобилей, где они часто используются в сочетании с батареями или конденсаторами для решения этой проблемы. Литиевые батареи находятся где-то посередине и представляют собой разумный компромисс между ними.

 

См. также Сравнение альтернативных накопителей энергии.

 

Импульсная характеристика

Способность подавать импульсы высокого тока является требованием многих аккумуляторов. Токонесущая способность ячейки зависит от эффективной площади поверхности электродов. (См. Компромиссы энергии/мощности). Однако текущий предел устанавливается скоростью, с которой происходят химические реакции внутри клетки. Химическая реакция или «перенос заряда» происходит на поверхности электродов, и начальная скорость может быть довольно высокой, поскольку химические вещества вблизи электродов трансформируются. Однако, как только это произошло, скорость реакции становится ограниченной скоростью, с которой активные химические вещества на поверхности электрода могут пополняться путем диффузии через электролит в процессе, известном как «массоперенос». Тот же принцип применяется к процессу зарядки и более подробно объясняется в разделе «Время зарядки». Таким образом, импульсный ток может быть значительно выше скорости C, которая характеризует характеристики непрерывного тока.

 

Срок службы

Это один из ключевых рабочих параметров ячейки, который указывает ожидаемый срок службы ячейки.

 

 

Срок службы определяется как количество циклов, которые элемент может выполнить до того, как его емкость упадет до 80 % от исходной заданной емкости.

Каждый цикл зарядки-разрядки и связанный с ним цикл преобразования активных химических веществ, который он вызывает, сопровождается медленным ухудшением химических веществ в ячейке, которое будет почти незаметно для пользователя. Это ухудшение может быть результатом неизбежных, нежелательных химических воздействий на клетку или рост кристаллов или дендритов, изменяющих морфологию частиц, составляющих электроды. Оба этих события могут привести к уменьшению объема активных химических веществ в клетке и, следовательно, ее емкости или к увеличению внутреннего импеданса клетки.

Обратите внимание, что элемент не умирает внезапно в конце указанного срока службы, а продолжает медленно изнашиваться, так что он продолжает нормально функционировать, за исключением того, что его емкость будет значительно меньше, чем была, когда он был новым.

 

Определенный срок службы — полезный способ сравнения батарей в контролируемых условиях, однако он может не дать наилучшего представления о сроке службы батарей в реальных условиях эксплуатации. Аккумуляторы редко эксплуатируются в последовательных полных циклах зарядки-разрядки, гораздо чаще они подвергаются частичным разрядам различной глубины перед полной перезарядкой. Поскольку в частичных разрядах задействовано меньшее количество энергии, батарея может выдерживать гораздо большее количество неглубоких циклов. Такие циклы использования типичны для гибридных электромобилей с рекуперативным торможением. Посмотрите, как срок службы зависит от глубины разряда (DOD) в разделе Срок службы батареи.

 

Срок службы также зависит от температуры, как рабочей, так и температуры хранения. Подробнее см. в разделе «Неисправности литиевых батарей».

 

Общая пропускная способность

Более репрезентативным показателем срока службы батареи является Пропускная способность за весь срок службы . Это общее количество энергии в ватт-часах, которое может быть введено в аккумулятор и извлечено из него за все циклы в течение всего срока службы до того, как его емкость упадет до 80% от первоначальной емкости в новом состоянии. Это зависит от химического состава клетки и условий эксплуатации. К сожалению, эта мера еще не используется производителями элементов питания и еще не принята в качестве стандарта аккумуляторной промышленности. Пока он не станет широко использоваться, его нельзя будет использовать для сравнения производительности элементов различных производителей таким образом, но, когда он доступен, он, по крайней мере, обеспечивает более полезное руководство для инженеров по применению для оценки полезного срока службы используемых батарей. в их конструкциях.

 

См. также Состояние работоспособности (SOH) и Оценка срока службы батареи

 

Глубокий разряд

Срок службы уменьшается с увеличением глубины разряда (DOD) (см. Срок службы батареи), и многие химические элементы не допускают глубокого разряда, и элементы могут быть необратимо повреждены, если они полностью разряжены. Для максимизации потенциального DOD аккумуляторов глубокого цикла требуются специальные конструкции элементов и химические смеси.

 

Зарядные характеристики

 

Кривые зарядки и рекомендуемые методы зарядки включены в отдельный раздел, посвященный зарядке

.

 

 

 

 

 

Напряжение батареи | PVEducation

Напряжение батареи является фундаментальной характеристикой батареи, которая определяется химическими реакциями в батарее, концентрациями компонентов батареи и поляризацией батареи. Напряжение, рассчитанное из условий равновесия, обычно называют номинальным напряжением батареи. На практике номинальное напряжение батареи не может быть легко измерено, но для практических систем батарей (в которых перенапряжения и неидеальные эффекты невелики) напряжение холостого хода является хорошим приближением к номинальному напряжению батареи.

Поскольку электрический потенциал (напряжение) большинства химических реакций составляет порядка 2 В, а напряжение, требуемое нагрузками, обычно выше, в большинстве аккумуляторов многочисленные отдельные аккумуляторные элементы соединены последовательно. Например, в свинцово-кислотных батареях каждая ячейка имеет напряжение около 2В. Шесть ячеек соединены в типичную свинцово-кислотную батарею на 12 В.

Изменение напряжения при разрядке

Из-за эффектов поляризации напряжение батареи при протекании тока может существенно отличаться от равновесного напряжения или напряжения холостого хода. Ключевой характеристикой аккумуляторной технологии является то, как напряжение батареи изменяется в условиях разрядки, как из-за эффектов равновесной концентрации, так и из-за поляризации. Кривые разрядки и зарядки аккумулятора показаны ниже для нескольких различных аккумуляторных систем. Кривые разряда и заряда не обязательно симметричны из-за наличия дополнительных реакций, которые могут иметь место при более высоких напряжениях, возникающих при зарядке.

Рисунок: Изменение напряжения в зависимости от уровня заряда для нескольких различных типов батарей.

Напряжение отсечки

Во многих типах аккумуляторов, включая свинцово-кислотные, аккумулятор не может быть разряжен ниже определенного уровня, иначе аккумулятор может быть поврежден. Это напряжение называется «напряжением отсечки» и зависит от типа аккумулятора, его температуры и скорости разряда аккумулятора.

Измерение состояния заряда по напряжению

В то время как снижение напряжения батареи при разряде является отрицательным аспектом батарей, который снижает их эффективность, один практический аспект такого снижения, если оно является приблизительно линейным, заключается в том, что при заданной температуре батарея может использоваться для аппроксимации состояние заряда аккумулятора.