Автомобильный стартерный аккумулятор – это химический источник тока, действие которого основано на использовании обратимых электрохимических процессов. Простейший свинцовый аккумулятор состоит из положительного электрода, активным веществом которого является двуокись свинца (темно-коричневого цвета), и отрицательного электрода, активным веществом которого является губчатый свинец (серого цвета). Если оба электрода поместить в сосуд с электролитом (раствор серной кислоты в дистиллированной воде), то между электродами возникнет разность потенциалов.

При подключении к электродам нагрузки (потребителя) в цепи потечет электрический ток, и аккумулятор будет разряжаться. Во время разряда расходуется серная кислота из электролита и одновременно в электролит выделяется вода. Поэтому по мере разряда свинцового аккумулятора уменьшается концентрация серной кислоты, из-за чего плотность электролита понижается. При заряде происходят обратные химические реакции – в электролит выделяется серная кислота и расходуется вода. При этом плотность электролита по мере заряда возрастает. Поскольку при разрядах и зарядах изменяется плотность электролита, то по ее величине можно судить о степени заряженности аккумулятора, чем и пользуются на практике.

Основными электрическими характеристиками аккумулятора являются электродвижущая сила, напряжение и емкость.

Электродвижущей силой (э.д.с.) аккумулятора называется разность потенциалов между его электродами при разомкнутой внешней цепи. Величина э.д.с. исправного аккумулятора зависит от плотности электролита (степени его заряженности) и изменяется в пределах от 1,92 до 2,15 вольта.

Напряжением аккумулятора называется разность потенциалов между его выводами, измеренная под нагрузкой. За номинальное напряжение свинцового аккумулятора принимается величина, равная 2 вольта. Величина напряжения при разряде аккумулятора зависит от величины разрядного тока, продолжительности разряда и температуры электролита; она всегда меньше величины э.д.с. Разряжать аккумулятор ниже определенного предела, называемого конечным разрядным напряжением, недопустимо, так как это может привести к переполюсовке и разрушению активной массы электродов. Величина напряжения при заряде зависит главным образом от степени заряженности аккумулятора, температуры электролита и всегда больше величины э.д.с.

Емкостью аккумулятора называется количество электричества, отдаваемое полностью заряженным аккумулятором при его разряде до допустимого конечного разрядного напряжения. Емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах и определяется как произведение величины разрядного тока (в амперах) на продолжительность разряда (в часах). Емкость аккумулятора зависит от количества активной массы (количества и размера электродов), величины разрядного тока, плотности и температуры электролита, срока службы аккумулятора и является его важнейшей эксплуатационной характеристикой. При больших величинах разрядных токов, при низких температурах электролита, а также в конце срока службы емкость, отдаваемая аккумулятором, снижается. За номинальную емкость аккумулятора принимается емкость, которую должен отдавать аккумулятор при разряде током 20-часового или 10-часового разряда, т.е. при величине разрядного тока, численно равной соответственно 0,05 и 0,1 величины номинальной емкости.

Стартерная автомобильная аккумуляторная батарея состоит из 6 одинаковых аккумуляторов, соединенных последовательно. При таком соединении номинальное напряжение батареи равно сумме номинальных напряжений отдельных аккумуляторов, и составляет 12 вольт, а номинальная емкость батареи остается такой же, как и емкость одного аккумулятора.

Приведение АКБ в рабочее состояние

Автомобильные аккумуляторные батареи, выпускаемые в сухозаряженном состоянии, для приведения в рабочее состояние необходимо залить электролитом и после пропитки электродов измерить плотность электролита и произвести подзарядку батареи. При температуре воздуха до -15°С в батареи заливают электролит плотностью 1,24 г/см³. При температуре от -15° до -30°С плотность повышают до 1,26, а при ниже -30° – до 1,28 г/см³.

Электролит требуемой плотности может быть приготовлен непосредственно из кислоты и воды. Однако более удобно применять раствор кислоты плотностью 1,40 г/см³. Количество воды и раствора, необходимое для приготовления 1 л электролита, указано в таблице 1. Серная кислота учитывается не в литрах, а в килограммах. Для перевода литров в килограммы необходимо пользоваться коэффициентом 1,83.

Плотность электролита измеряется с помощью ареометра. Он состоит из цилиндра с резиновой грушей и заборной трубкой и денсиметра (поплавка). При определении плотности электролита необходимо сжать рукой резиновую грушу ареометра, ввести конец заборной трубки в электролит и постепенно отпустить грушу. После того, как денсиметр всплывет, по его шкале определить плотность электролита в аккумуляторе. При измерениях надо следить за тем, чтобы денсиметр свободно плавал в электролите («не прилипал» к стенкам цилиндра).

Плотность электролита зависит от температуры. Исходной считается температура электролита 25°С. На каждые 15°С изменения температуры плотность изменяется примерно на 0,01 г/см³. Поэтому при измерении плотности электролита следует учитывать его температуру и в необходимых случаях вносить поправку к показаниям ареометра, пользуясь таблицей 2.

Заливать электролит в аккумулятор следует тонкой струей, применяя фарфоровую, полиэтиленовую или эбонитовую кружку и стеклянную, полиэтиленовую или эбонитовую воронку.

Температура электролита должна быть не ниже 15°С и не выше 25°С. После заливки электролита и пропитки электродов не ранее чем через 20 минут и не позже чем через 2 часа производится контроль плотности электролита. Если плотность электролита понизится не более, чем на 0,03 г/см³ против плотности заливаемого электролита, батарея может эксплуатироваться. Если же плотность электролита понизится более, чем на 0,03 г/см³, батарея подлежит подзаряду. Продолжительность первого подзаряда зависит от срока хранения батареи в сухом виде с момента изготовления до приведения в рабочее состояние. Окончание подзаряда определяется по постоянству напряжения аккумулятора и плотности электролита в течение 2 часов.

Заряд аккумуляторных батарей

Аккумуляторные батареи заряжают при приведении их в рабочее состояние, при проведении контрольно-тренировочного цикла, а также периодически в процессе эксплуатации и при разрядах ниже допустимых пределов. При подготовке к заряду измеряется плотность и уровень электролита во всех аккумуляторах батареи. В аккумуляторах, где уровень недостаточен, он доводится до нормы доливкой дистиллированной воды (но не электролита!).

Заряд свинцовых аккумуляторных батарей необходимо производить от источника постоянного тока. При этом зарядное устройство, предназначенное для заряда одной 12-вольтовой батареи, должно обеспечить возможность увеличения зарядного напряжения до 16,0-16,5 В, поскольку иначе не удастся зарядить современную необслуживаемую аккумуляторную батарею полностью (до 100% ее фактической емкости). Положительный провод (клемму) зарядного устройства соединяют с положительным выводом батареи, отрицательный - с отрицательным. В практике эксплуатации пользуются, как правило, одним из двух методов заряда батареи: заряд при постоянстве тока или заряд при постоянстве напряжения. Оба эти метода равноценны с точки зрения их влияния на долговечность батареи.

Заряд при постоянстве тока производится током величиной, равной 0,1 от номинальной емкости при 20-часовом режиме разряда. Например, для батареи емкостью 60 А-ч ток заряда должен быть равен 6 А. Для поддержания постоянства тока в течение всего процесса заряда необходимо регулирующее устройство. Недостаток такого способа - необходимость постоянного контроля и регулирования зарядного тока, а также обильное газовыделение в конце заряда. Для снижения газовыделения и повышения степени заряженности батареи целесообразно ступенчатое снижение силы тока по мере увеличения зарядного напряжения. Когда напряжение достигнет 14,4 В, зарядный ток уменьшают в два раза (3 Ампера для батареи емкостью 60 А-ч) и при таком токе продолжают заряд до начала газовыделения. При заряде батарей, которые не имеют отверстий для доливки воды, целесообразно при увеличении зарядного напряжения до 15 В еще раз уменьшить ток в два раза (1,5 А для батарей емкостью 60 А-ч). Батарея считается полностью заряженной, когда ток и напряжение при заряде сохраняются без изменения в течение 1-2 часов. Для современных необслуживаемых батарей такое состояние наступает при напряжении 16,3-16,4 В в зависимости от состава сплавов решеток и чистоты электролита (при его нормальном уровне).

Температура электролита во время заряда батарей возрастает, поэтому необходимо контролировать ее величину, особенно к концу заряда. Ее величина не должна превышать 45°С. В случае если температура окажется выше, следует уменьшить наполовину зарядный ток или прервать заряд на время, необходимое для остывания электролита до 30…35°С.

Если к концу заряда плотность электролита отличается от нормы, необходимо произвести корректировку доливкой дистиллированной воды в случаях, когда плотность выше нормы, или доливкой раствора серной кислоты плотностью 1,40 г/см³, когда она ниже нормы. Доводку плотности можно производить только в конце заряда, когда плотность электролита больше не возрастает, а за счет «кипения» обеспечивается быстрое и полное перемешивание. Количество отбираемого электролита и добавляемой воды или раствора кислоты для каждого аккумулятора можно определить, пользуясь данными таблицы 3. После проведения корректировки продолжить заряд в течение 30-40 мин, после чего снова измерить плотность, и если она будет отличаться от нормы, провести ее вновь.

Эксплуатационный уровень электролита устанавливается после окончания корректировки плотности и не ранее, чем через 30 мин после выключения батарей с заряда. При уровне электролита ниже нормы в аккумулятор нужно добавить электролит такой же плотности.

При заряде при постоянстве напряжения степень заряженности АКБ по окончании заряда напрямую зависит от величины зарядного напряжения, которое обеспечивает зарядное устройство. Так, например, за 24 часа непрерывного заряда при напряжении 14,4 В полностью разряженная 12-вольтовая батарея зарядится на 75-85%, при напряжении 15 В - на 85-90%, а при напряжении 16 В - на 95-97%. Полностью зарядить разряженную батарею в течение 20-24 часов можно при напряжении зарядного устройства 16,3-16,4 В. В первый момент включения тока его величина может достигать 40-50 А и более, в зависимости от внутреннего сопротивления (емкости) и глубины разряда батареи. Поэтому зарядное устройство снабжают схемными решениями, ограничивающими максимальный ток заряда. По мере заряда напряжение на выводах батареи постепенно приближается к напряжению зарядного устройства, а величина зарядного тока, соответственно, снижается и приближается к нулю в конце заряда. Это позволяет производить заряд без участия человека в полностью автоматическом режиме. Ошибочно критерием окончания заряда в подобных устройствах считают достижение напряжения на выводах батареи при ее заряде, равного 14,4±0,1 В. При этом, как правило, загорается зеленый сигнал, служащий индикатором достижения заданного конечного напряжения, то есть окончания заряда. Однако для удовлетворительного (на 90-95%) заряда современных необслуживаемых АКБ с помощью подобных зарядных устройств, имеющих максимальное зарядное напряжение 14,4-14,5 В, потребуется около суток.

Ускоренный комбинированный способ заряда применяется при необходимости полного заряда аккумуляторных батарей в сокращенное время. Ускоренный комбинированный заряд производится в два этапа. На первом этапе заряд батарей осуществляется при постоянном зарядном напряжении, на втором этапе – при постоянной величине зарядного тока. Переход к заряду батарей при постоянной величине зарядного тока производится при снижении его на первом этапе заряда до величины 1/10 от емкости.

Контрольно-тренировочный цикл

Контрольно-тренировочный цикл проводится для контроля технического состояния аккумуляторных батарей, проверки отдаваемой ими емкости, исправления отстающих аккумуляторов. Отстающими называются те аккумуляторы батареи, параметры которых ниже остальных.

При контрольно-тренировочном цикле проводятся:

• предварительный полный заряд;
• контрольный (тренировочный) разряд током 10-часового режима;
• окончательный полный заряд.

Предварительный полный заряд при КТЦ проводится зарядным током, величиной 1/10 емкости аккумулятора. Перед началом контрольного разряда температура электролита должна быть 18…27°С. Величина разрядного тока для аккумуляторных батарей должна соответствовать значению, указанному в таблице 4.

Постоянство разрядного тока должно тщательно соблюдаться в течение всего разряда. Разряд ведется до конечного напряжения 10,2 В. При снижении напряжения до 11,1 В измерения производят через каждые 15 минут, а при снижении напряжения до 10,5 В измерения производят непрерывно до конца зарядки.

Подсчет емкости, отдаваемой аккумуляторной батареей, в процентах от номинальной производится по . Фактическая емкость, отдаваемая при контрольном разряде, может быть как меньше, так и больше номинальной. Окончательный полный заряд автомобильных батарей производится нормальным зарядным током с соблюдением всех правил с доводкой плотности электролита в конце заряда.

Понятие емкости АКБ

Емкость аккумуляторной батареи является одной из ее важнейших технических характеристик. Под этим термином понимают количество времени, которое способен питать источник автономной энергии подключенных к нему электропотребителей. Другими словами – это максимальное количество электроэнергии, накапливаемое АКБ за полный цикл зарядки. Единицей измерения емкости является А·ч (ампер-час), для небольших батарей – мА·ч (миллиампер-час).

Пример расчета необходимой емкости

Как известно расчет потребленной мощности производится в Вт, а емкость батареи для ИБП – в А·ч. Чтобы рассчитать требуемую емкость аккумуляторов для питания той или иной техники необходимо произвести некоторый пересчет. Для лучшего понимания рассмотрим конкретный пример. Допустим, имеется критичная нагрузка 500 Вт, требующая резервирования в течение 3 часов. Так как величина накопленной энергии зависит не только от емкости батареи, но и ее напряжения, для расчета делим общую мощность резервируемого оборудования на их рабочее напряжение (часто путают с напряжением холостого хода полностью заряженной батареи). Для стандартного 12В аккумулятора, величина необходимой емкости батареи составит:

Q= (P· t) / V· k

где Q – необходимая емкость аккумулятора, А·ч;

V – напряжение каждой аккумуляторной батареи, В;

t – время резервирования, ч;

k – коэффициент использования емкости аккумуляторов (количества электрической энергии, допустимой к использованию потребителями).

Необходимость введения коэффициента обусловлена возможностью неполного заряда АКБ. Вдобавок к этому, сильный (глубокий) разряд, следующий после небольшого количества рабочих циклов заряда и разряда, ведет к преждевременному износу и выходу из строя батареи. К примеру, если новый аккумулятор разряжать на 30% от его общей емкости, после чего сразу производить его зарядку, способен выдержать около 1000 подобных циклов. В случае если величина разряда уменьшится до 70%, то количество данных циклов снизится примерно на 200.

Итого, получаем, что для питания данной нагрузки в течение указанного периода времени потребуется:

Q= 500·3/ 12·0,7 = 178,6 А·ч.

Это минимально необходимая емкость аккумуляторных батарей для рассматриваемого случая. В идеале лучше брать источник энергии с небольшим запасом (около 20%) для того, чтобы каждый раз не разряжать его полностью – это поможет сохранить рабочие характеристики батареи в течении как можно большего периода времени.

Q= 178,6·1,2 = 214,3 А·ч.

Значит для решения поставленной задачи необходимо приобрести аккумуляторы суммарной емкостью не менее 215 А·ч. При использовании ИБП в паре с генератором величину поправочного коэффициента емкости рекомендуется снизить до 0,4, поскольку в такой связке батареи чаще всего применяются для поддержания непрерывного электропитания, пока не включится электростанция и вся нагрузка не переключится на нее. При этом если в значение коэффициента 0,4 закладывать потери емкости аккумулятора при его старении, обусловленные особенностью импульсного преобразователя и другие, то в среднем разряд аккумулятора может достигать 50% от его номинальной емкости.

В том случае, когда для резервирования нагрузки используется несколько аккумуляторов, количество накопленной в них энергии абсолютно не зависит от типа их соединения – параллельного, последовательного, либо смешанного. Учитывая данную особенность необходимо подставлять в формулу определения суммарной емкости аккумуляторов напряжение одной батареи, но при этом допускается использование только АКБ с одинаковыми техническими характеристиками.

Показатели аккумуляторных батарей, с которыми неразрывно связано понятие емкости

1. Зависимость емкости аккумулятора от тока его разряда .

В основе данной зависимости лежит следующий факт: когда защищаемая нагрузка подключается к аккумулятору без использования преобразователя, то величина тока, потребляемого батареей неизменна. При этом время функционирования подключенных электропотребителей определится, как отношение отбираемой емкости к потребляемому току. В более привычном виде данная формула записывается следующим образом:

где Q – емкость аккумулятора, А·ч (мА·ч);

T – время разряда батареи, ч.

Если имеем дело с большими величинами потребляемого тока, то реальные показатели мощности зачастую ниже номинальных, указанных в паспорте.

1. Зависимость емкости аккумулятора от энергии

Сегодня среди пользователей достаточно распространенным является мнение о том, что емкость аккумуляторной батареи является величиной, полностью характеризующей его электрическую энергию, накопленной АКБ заряженной на 100%. Это утверждение является не совсем корректным. Здесь еще необходимо сделать оговорку на то, что способность накапливать энергию у батареи напрямую зависит от ее напряжения и чем оно будет выше, беем большее количество энергии сможет накопить аккумулятор. На самом деле электрическая энергия определяется как произведение показателей тока заряда, напряжения батареи и времени протекания этого тока:

где W – энергия накопленная батареей, Дж;

U – напряжение аккумулятора, В;

I – постоянный ток разряда аккумулятора, А;

T – время разряда батареи, ч.

Исходя из того, что произведение тока и времени заряда дает нам емкость АКБ (как было рассмотрено выше), то получается, что электрическая энергия аккумулятора находится путем перемножения номинального напряжения батарее и ее емкости:

где W – энергия накопленная батареей, Вт·ч;

Q – емкость аккумулятора, А·ч;

U – напряжение аккумулятора, В.

При последовательном подключении нескольких аккумуляторов одинаковой емкости, общий показатель данной связки равен сумме емкостей всех АКБ, входящий в ее состав. В таком случае энергия полученного аккумуляторного блока определится, как произведение электроэнергии одной батареи на их количество.

1. Понятие энергетической емкости аккумулятора

Не менее полезным для потребителя показателем аккумуляторных батарей является их энергетическая емкость, измеряемая в таких единицах, как Вт/элемент. Данное понятие характеризует способность аккумулятора за определенный непродолжительный период времени, который чаще всего составляет не более 15 минут, в режиме постоянной мощности. Наибольшее распространение данный показатель получил в США, но в последнее время набирает популярность и среди потребителей многих других стран. Для приближенного расчета емкости аккумуляторной батареи, измеряемой в А·ч по величине его энергетической емкости в Вт/элемент для периода 15 минут, пользуются формулой:

W – энергетическая емкость аккумулятора, Вт/элемент.

1. Понятие резервной емкости аккумулятора

Для автомобильных аккумуляторов выделяют еще одну характеристику – резервную емкость, которая говорит о способности батареи питать электрооборудование движущегося авто, когда штатный генератор транспортного средства не работает. Данный параметр также больше известен в США и называется «reserve capacity». Он измеряется в минутах разряда батареи величиной тока в 25 А. Для приблизительной оценки номинальной емкости аккумулятора по его показателю резервной емкости, указной в минутах, необходимо воспользоваться формулой:

где Q – емкость аккумулятора, А·ч;

T – резервная емкость аккумулятора, мин.

Емкость аккумулятора и его заряд (заряженность)

Еще одним достаточно популярным заблуждением является отождествление понятий емкости батареи для и ее заряда (заряженности). Расставим все точки над «и». Под емкостью понимают максимальный потенциал аккумулятора, то есть количество энергии, которое он сможет накопить в полностью заряженном состоянии. Заряд же в свою очередь и представляет собой эту энергию, необходимую для питания нагрузки в автономном режиме. Отсюда вывод, что величина заряда одной и той же батареи может быть разной в зависимости от времени зарядки АКБ, а величина ее емкости в разряженном и заряженном состоянии одинакова. Здесь можно провести аналогию со стаканом, в который наливают воду. Объем прибора и будет представлять собой емкость – это величина не зависящая от того полный стакан или пустой, а самая наливаемая вода – это заряд.

От каких факторов еще зависит емкость аккумулятора?

Ток разряда

Те показатели емкости аккумуляторов, которые можно встретить в их технической документации и на корпусе изделия, производитель указывает исходя из результатов тестовых замеров, производимых по вышеуказанной формуле (Q = I·T) при стандартной длительности разряда (10, 20, 100 часов и т.д.). Соответственно обозначается и емкость – Q10, Q20 и Q100, а также ток разряда – I10, I20 I100. В таком случае величина тока, протекающего через нагрузку при времени разряда 20 часов определится по формуле:

Следуя данной логике можно предположить, что при разряде, длящемся четверть часа (15 мин) ток будет равен Q20 х 4. Однако это не так, как показывает практика, в случае 15-минутного разряда емкость стандартной свинцовой батареи составит не более половины его номинальной емкости. Соответственно величина параметра I0,25 будет чуть менее Q20 х 2. Отсюда можно сделать вывод, что такие характеристики, как время и ток разряда являются не пропорциональными друг другу.

Конечное напряжение разряда

Каждый раз при разряде аккумулятора напряжение на нем постепенно падает, а по достижению так называемого конечного напряжения разряда обязательно необходимо произвести отключение АКБ. При этом, чем ниже данная характеристика, тем соответственно выше будет фактическая емкость батареи. Как правило, производители указывают на собственных аккумуляторах минимальную величину конечного напряжения разряда, которая в свою очередь зависит от того каким током производится разряд. Случаются ситуации, когда напряжения источника энергии падает ниже этой величины (забыли вовремя отключить аккумулятор или этого нельзя было сделать, так как в течение длительного периода нельзя было обесточивать нагрузку). Тогда возникает явление, называемое глубоким разрядом АКБ. Если часто допускать глубокий разряд батареи, она может быстро выйти из строя.

Износ аккумулятора

Как принято считать, новый аккумулятор обладает номинальной емкостью (той, которую указывает производитель). Однако реальная величина данного показателя может немного отличаться – быть меньше заявленной по причине длительного хранения на складе, либо после нескольких полных циклов заряда и разряда и непродолжительной работы в буферном режиме немного увеличиться. Дальнейшая эксплуатация батареи, а также его хранение неизменно ведут к физическому изнашиванию источника энергии, его старению и постепенному выходу из строя.

Температура

Такой важный фактор, как окружающая температура в месте, где используется аккумулятор, очень сильно влияет на емкость последнего. В случае повышения температуры с 20°С до 40°С показатель емкости батареи возрастает на 5%, а при снижении до 0°С – уменьшается в среднем на 15%. Дальнейшее понижение температуры воздуха ведет к падению указанного параметра еще на 25% относительно номинальной величины.

Как проверить емкость аккумулятора?

Очень часто перед владельцем б/у аккумулятора встает задача определения его остаточной емкости. Классическим и нужно отдать должное самым надежным и эффективным способом проверки фактической емкости аккумулятора считается контрольный разряд. Под данным термином понимают следующую процедуру. Аккумуляторную батарею сперва полностью заряжают, после чего выполняют ее разряд постоянным током, при этом замеряют время, за которое она полностью разрядится. После этого рассчитывают емкость АКБ по уже известной формуле:

Величину постоянного тока разряда для большей точности расчета лучше подбирать таким образом, чтобы время разряда составляло около 10 или 20 часов (это зависит от времени разряда, при котором была рассчитана номинальная емкость батареи производителем). Затем полученные данные сравнивают с паспортными, и в случае если остаточная емкость будет меньше номинальной на 70-80%, АКБ подлежит замене, так как это явный признак сильного износа аккумулятора и его дальнейший износ будет протекать ускоренными темпами.

Основными недостатками данного метода являются сложность и трудоемкость в реализации, а также необходимость выведения аккумуляторов из эксплуатации на достаточно продолжительный период времени. Сегодня в большинстве устройств, использующих для своей работы аккумуляторные батареи, имеется функция самодиагностики – быстрой (всего за пару секунд) проверки состояния и работоспособности источников энергии, однако точность таких измерений не всегда высока.

Аккумуляторная батарея – важнейшая составляющая систем резервного и автономного электроснабжения отдельных электрических приборов или целых объектов промышленного и бытового назначения. На сегодняшний день широкое применение получили аккумуляторы свинцово-кислотного типа (AGM VRLA и GEL VRLA), OPZS, OPZV, а также никель-кадмиевые (Ni-Cd) и литий-ионный типы (Li-ion, LiFePO4, Li-pol).

Возникновение химических источников питания началось еще в 1800 году, когда известный итальянский ученый Алессандро Вольта поместил пластины из меди и цинка в кислоту и получил непрерывное напряжение (Вольтов столб). Современные свинцово-кислотные аккумуляторы, как понятно из названия, состоят из свинца и кислоты, где положительно заряженным элементом является свинец, а отрицательно заряженным – оксид свинца. Самая распространенная аккумуляторная батарея состоит из шести банок по 2В и имеет общее напряжение 12В.

Технические характеристики аккумуляторных батарей

Качество аккумуляторов можно определить по нескольким важным свойствам:

Емкость, Ампер/час;

Напряжение, Вольт;

Допустимая глубина разряда, %;

Срок службы, лет;

Диапазон рабочих температур, °С;

Саморазряд, %;

Габариты, мм;

• Ток заряда, А;

Совет! i> Обязательно учитывайте, что все приведенные производителем характеристики батарей указываются для температуры 20 – 25 °С, при снижении и повышении температуры окружающей среды, где будет эксплуатироваться аккумулятор, показатели характеристик изменяются, как правило, он снижаются.

Емкость аккумулятора

Данный параметр отражает количество энергии, которую может сохранить батарея, измерение производится в Ампер*часах. На текущий момент в Украине можно купить аккумуляторы емкостью от 0,6 до 4000Ач. К примеру, батарея с емкостью 200Ач способна обеспечить электропитанием нагрузку током 2А в течение 100 часов, или током 8А в течение 25 часов и т. д. Обязательно учитывайте, что при увеличении потребляемого тока будет происходить снижение емкость аккумуляторной батареи, именно по этой причине производители указывают емкость с дополнительным параметром – С.

Дополнительная, но очень важная характеристика маркируемая латинской буквой «C» с числовым параметром, как правило от 1 до до 48 часов и указывает на емкость аккумуляторной батареи при разряде в определенный промежуток времени (C1, C5, C10, C20 и т.д.). Значение C10 принято считать стандартным значением и подавляющее количество производителей указывает емкость при 10-ти часовом разряде. К примеру, емкость 100Ач при C10 означает, что батарея обеспечит данную емкость при 10-ти часовом разряде, эта же батарея при C5 будет иметь меньшую емкость – 80Ач при C5, а если разряд будет происходить с течение 20 часов, то емкость возрастет и составит около 115Ач при С20. Таким образом, при выборе емкости аккумуляторной батареи необходимо обязательно учитывать время в течение которого будет осуществляется разряд, это имеет большое значение.

Рисунок №1.

Совет! Обратите внимание, что некоторые производители и торгующие организации могут указывать значение емкости при C20. Это сделано для искусственного завышение показателя при неизменной стоимости аккумулятора.

В процессе эксплуатации емкость будет постепенно снижаться, это естественный процесс «старения» батареи, который возникает из-за снижения плотности свинцовых пластин и частичной потери первичного свинца положительных и отрицательных пластин. Высокая интенсивность использования и глубокие разряда приведут к быстрому износу положительных и отрицательных платин аккумулятора и выходу его из строя. Чтобы этого не происходило, необходимо предусматривать резервный запас емкости. Для увеличения емкости батарейного кабинета применяются несколько аккумуляторов с параллельным соединением.

Напряжение батареи

Уровень напряжения – ключевая характеристика по которой происходит выбор аккумулятора. На сегодняшний день распространены элементы и аккумуляторы со следующими значениями напряжения: 1.2, 2.4, 6, 12В. Батарейной банк с более высоким напряжением (24, 48, 96В и т. д.) собирается при помощи нескольких 12В аккумуляторов с последовательным типом подключения.

При помощи измерения уровня напряжения можно оценить степень заряженности и степень износа необслуживаемых типов батарей (AGM и GEL VRLA) Измерение напряжения производится в течение нескольких часов, когда аккумулятор полностью бездействует и отключен от зарядного устройства. Нормальный уровень для AGM батарей считается от 13 до 13,2В.

Допустимая глубина разряда

Различные типы и подтипы аккумуляторов имеют рекомендованные параметры глубины разряда. Ниже приведена таблица №1 в которой указаны наиболее распространенные характеристики аккумуляторов допустимой и рекомендованной глубины разряда.

Таблица №1. Значения допустимых и рекомендованных значений разряда аккумуляторов.

Уровень разряда является ключевым фактором в сроке службы аккумулятора на ряду с интенсивностью эксплуатации. Даже самую дорогую и качественную свинцово-кислотную батарею можно вывести из строя за 7-10 дней, если производить полный 100% разряд до напряжения 9В несколько раз подряд.

Наиболее стойким к глубоким разрядам являются литий-ионные и никель-кадмиевые, а также специализированные свинцово-кислотные батареи, которые были оптимизированы разработчиками для глубоких разрядов. Обычно такие серии содержат в названии слово «Deep», что в переводе означает «Глубоко».

Срок службы аккумулятора

Современные свинцово-кислотные батареи оптимизированы для разнообразных режимов работы. Одни имеют меньший срок службы, но обеспечивают более высокую разрядную характеристику, другие – больший, но подходят для редких разрядов и работы в буферном режиме и т. д. Поэтому если производителем указан срок службы 10 лет, это информация соответствует идеальному режиму эксплуатации, когда не превышается циклический ресурс и, что еще более важно, глубина разряда. Приведем пример: если производитель указал, что срок службы аккумулятора 10 лет и допускается число циклов заряд/разряд – 600 с глубиной 50%. Аккумулятор может отслужить указанный срок при идеальных условиях эксплуатации и не более чем пяти циклах в месяц. Этот режим полностью соответствует буферному типу.

Срок эксплуатации целиком зависит от количества совершенных циклов заряда и разряда, а также зависит от окружающей среды, где установлена батарея. Как уже отмечалось выше, чем сильнее разряжается аккумулятор и чем дольше он находятся разряженном состоянии, тем меньше он прослужит. Чем выше окружающая температура, тем активнее проходит химическая реакция и тем сильнее поддаются разрушению свинцовые пластины.

В таблице №2 приведены примерные значения срока службы и циклического ресурса аккумуляторов в зависимости от их типов. Данные соответствуют для оптимальной температуры эксплуатации 20 – 25°С.

Таблица №2. Ресурс в зависимости от типа аккумуляторов.

Рисунок №2.

Диапазон рабочей температуры

За исключением литий-ионного типа, где используется минерал – литий, принцип работы аккумуляторов основан на химических элементах и взаимодействии между ними. Поэтому практически все основные характеристики аккумуляторов зависят от температуры окружающей среды. Как правило, при повышении температуры срок эксплуатации снижается, причем если температура выше ~35°С, срок службы свинцово-кислотные AGM батарей сократится вдвое.

Уровень температуры окружающей среды также оказывает влияние на доступную емкость аккумулятора. При снижении температуры происходит падение емкости. При –20°С емкость батареи снизится на 30 – 40% от номинального значения.

Рисунок №3.

Рисунок №4.

Саморазряд аккумулятора

Саморазряд – характерное явления для аккумуляторов всех типов. Данный показатель отражает степень самопроизвольной потери емкости в процессе простоя после полного заряда. Характеристика саморазряда указывается в процентном соотношении за определенный промежуток времени, чаще всего в месяц.

В качестве примера можно рассмотреть 100Ач батарею AGM VRLA типа, которая была полностью заряжена и в течение месяца не использовалась. Среднее значение саморазряда для AGM VRLA типа составляет порядка 1,5%, соответственно через месяц емкость составит порядка 98,5Ач.

На показатели саморазряда оказывает влияние температура окружающей среды. При повышении температуры, показатель будет расти. Причиной возникновения саморазряда служит выделение молекул кислорода на электроде положительного заряда, а повышение температуры является катализатором данного процесса.

Рисунок №5.

Ток заряда

Сила тока которым осуществляется заряд аккумуляторной батареи напрямую зависят от емкости заряжаемой батареи. Свинцово-кислотные АКБ заряжаются 10 – 30% током от номинальной емкости, в зависимости от системы, могут применяться и менее мощные зарядные устройства.

Внимание! Нельзя заряжать аккумуляторы высоким током, это ведет к необратимым химическим реакциями существенно снижает эксплуатационные характеристики батареи.

Рисунок №6.

Габариты и вес батарей

В зависимости от емкости аккумуляторов размеры и вес изменяются, за редким исключением могут быть изменения размера при одинаковой емкости. Существуют общепризнанные размеры небольших аккумуляторов до 250Ач, которые применяются как встроенные источники питания для систем бесперебойного питания, детских игрушек, гольф-каров, поломоечных машин и т. д. В зависимости от производителя присоединительные размеры могут отличаться от десятых до нескольких миллиметров.

Совет! Обращайте внимание на высоту аккумулятора без клемм и с клеммами, некоторые производители указывают два значения высоты.

Давайте заглянем в кулуары компании и зададим несколько вопросов инженеру компании, поставляющей на российский рынок одни из лучших AGM и GEL аккумуляторов.

– Здравствуйте, Михаил, расскажите, пожалуйста, о технологии изготовления и особенностях аккумуляторов Delta

Здравствуйте, Сергей! Большинство серий аккумуляторов DELTA изготавливаются по технологии AGM (Absorber Glass Mat – прим. ред.). Данная технология позволяет избавиться от использования электролита в жидком состоянии. В аккумуляторах AGM технологии используется сепаратор (разделитель свинцовых пластин – прим. ред.), выполненный из стекловолоконного материала, обладающим коэффициентом впитывания 10-11 к 1 по весу, и пропитанный электролитом.

Электроды компонуются поочередно, перемежаясь абсорбером-сепаратором, и плотно спрессовываются в элемент аккумуляторной батареи. Прессовка предотвращает осыпание пластин. Всё это дает AGM АКБ устойчивость к вибрациям, позволяет существенно увеличить срок службы батарей и, при желании, эксплуатировать аккумулятор не только в вертикальном положении (вверх дном не рекомендуется – прим. ред.). Теперь не надо доливать воду в электролит для достижения необходимой концентрации, AGM батареи являются необслуживаемыми. Выделяемые газы – водород, кислород рекомбинируют внутри корпуса и не покидают батарею.

– А как обстоят дела с гелевыми батареями?

В сериях (серии GX, GSC – прим. ред.), в качестве электролита используется композитный гель, обеспечивающий устойчивость аккумуляторов к глубоким разрядам и высокую температурную стабильность.

– Какой максимальный зарядный ток без вреда для срока службы АКБ можно использовать для аккумуляторов серий DTM, HR, HRL, GX?

Для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, выполненных по технологии AGM (DTM, HR, HRL ), ограничение по току при заряде постоянным напряжением составляет 30% от номинальной емкости при десятичасовом разряде, т.е. 0,3 С10 [А]. Для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, выполненных по технологии GEL, данное значение составляет 0,2 С10 [А]. Например, для аккумуляторной батареи Delta HRL 12-100 номинальная емкость при десятичасовом разряде составляет 100 Ач, а максимальный ток заряда не должен превышать 0,3×100 Ач = 30 А. Для аккумуляторов Delta всех серий данные параметры приведены в документации.

– Чем принципиально с точки зрения потребителя различаются между собой серии HR и HRL?

Основным принципиальным различием, с точки зрения потребителя, между сериями АКБ и является срок службы батареи. Для АКБ серии HR проектный срок службы составляет 5 лет в буферном режиме, а для батарей серии HRL данные параметр находится на уровне 10-12 лет.

Для 3-х старших моделей серии HR срок службы составляет также 10 лет. Основные отличия в том, что технологически в HRL применяются дополнительные агенты (специальные химические компоненты, добавляемые в состав активной массы электродов – прим. ред.) для повышения устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов и снижения скорости коррозии и деградации элементов при воздействии этих факторов. Т.е. в идеальных условиях три старших модели HR проработают столько же или почти столько же, как и HRL. Но при появлении стресс-факторов: несоблюдение температурных режимов эксплуатации, превышение допустимой величины тока заряда, глубокий разряд, хранение в разряженном состоянии и т.п. , разница станет очевидной и отразится на скорости старения и как следствие – на сроке эксплуатации батареи.

Плюс к этому, серия HRL обладает повышенной энергоотдачей на коротких разрядах.

– Есть ли какое-либо преимущество у серии HR над DTM при разрядах длительностью выше 2 часов?

Серия DTM является универсальной и используется как в слаботочных системах, так и в системах бесперебойного питания. Серия HR относится к линейке DELTA UPS Series, разработанной специально для использования в источниках бесперебойного питания. Принципиален следующий аспект: смещаясь от серии к серии «вверх по ступенькам» от младшей к старшей (DTM-> DTM-L>HR->HR-W->HRL->HRL-W), происходит ряд изменений в технологической составляющей, т.е. применяются дополнительные присадки, агенты и иные недешевые модификаторы, способные повышать не только разрядные характеристики в определенных диапазонах, но также влияющие на устойчивость к коррозии в частности и деградации элементов в общем.

– Расскажите, пожалуйста, подробнее о деградационных процессах.

Хорошо! К таким процессам можно отнести:

• Коррозию решетки положительного электрода – протекание реакции с образованием сульфата свинца вследствие прямого контакта положительной активной массы с материалом решетки. При правильном сочетании состава сплава, концентрации кислоты и температуры эксплуатации скорость разрушения может существенно снижаться. При коррозии решетки положительного электрода увеличивается переходное электросопротивление на границе решетки с активной массой, снижающее емкость батареи.
• Деградация активной массы положительного электрода вызывается электрическими и химическими процессами при работе АКБ в циклическом режиме. Приводит к разрыхлению активной массы, потери контакта частиц с основной массой и исключение их из участия в основной реакции заряд/разряд.
• Сульфатацию – процесс образования сернокислого свинца на катоде и аноде. По ряду причин, таких как: глубокий разряд, хронический недозаряд – низкое напряжение заряда, хранение без подзаряда, высокие температуры не подлежащего восстановлению при заряде.
• Высыхание – потеря воды электролитического раствора. Потеря воды в герметизированных системах происходит при сбросе избыточного давления, возникающего вследствие ускоренного образования водорода и кислорода при несоблюдении правил эксплуатации батареи.
• К возможным последствиям старения аккумуляторной батареи также относятся осыпание активной массы пластин и короткое замыкание.

– У АКБ серии HRL-W в наименовании фигурируют ватты, почему не АЧ? Как правильно сделать расчет ёмкости таких АКБ?

В названии моделей батарей серии HRL-W (АКБ с увеличенной энергоотдачей) указана мощность разряда [Вт/Элемент] при 10-минутном разряде для повышения оперативности во время проведения расчетов времени автономной работы потребителя в системах бесперебойного электроснабжения. Имея в названии этот показатель можно провести оценочный расчет, не обращаясь к разрядным таблицам, и оперативно подобрать модель. При этом очень удобно, что емкости батарей DELTA данной серии указаны в маркировке батарей, в отличие от ряда производителей, которые используют данный прием без указания емкости.

Технологически возможно достичь повышения энергоотдачи [Вт/Элемент] при коротких разрядах, одновременно уменьшая количество свинца, снижая себестоимость, но при этом и уменьшая срок службы батареи и ее емкость при десятичасовом разряде. Недобросовестные производители AGM батарей могут пользоваться таким приемом.

Емкость таких батарей следует уточнять в дата-листе к аккумулятору.

– Какое предельно низкое остаточное напряжение на AGM и GEL АКБ следует устанавливать в настройках инвертора для корректной и длительной работы аккумулятора в случае редких разрядов.

Величина рекомендованного предельного напряжения окончания разряда (остаточное напряжение) зависит от тока разряда: Чем меньше ток, тем больше значение напряжения отключения потребителя. Так например при разряде 0,2С-ном и менее не желательно регулярно разряжать батарею ниже 1,8ВЭл. А при разрядах большими токами 1С-ном и более допустимо снижаться до значения напряжения отключения потребителя 1,6-1,65 В/эл.

Разрядные характеристики

Например, АКБ при разряде током свыше 100 А не рекомендовано разряжать больше, чем до уровня 9,6 В , а при токах разряда меньше 20 А рекомендованный уровень остаточного напряжения составляет 10,8 В

– Некоторые производители заявляют о возможности работы своих AGM аккумулятора при температурах до -60 градусов. Как вы это прокомментируете?

При температуре окружающей среды -60С° полноценной работоспособности без подогрева свинцово-кислотных батарей добиться не получится. Это связано со снижением эффективности протекания химических процессов. Необходимо помнить: чем больше ток разряда при работе в отрицательных температурах, тем более существенна потеря емкости. Т.е. потеря емкости при разряде током 1С-ном и 0,1С-ном может отличаться в 5-6 раз. Гораздо сложнее при такой температуре зарядить батарею. Например, уже при -30С° емкие батареи типа OPzV практически не потребляют ток заряда.

Т.к. зарядить при низких температурах без предварительного подогрева батареи крайне сложно, а иногда не возможно, возникает риск замерзания электролита. Например, в заряженном состоянии плотность электролита составляет 1,26 – 1.3 г/см³, при такой плотности температура замерзания -60°C, а при полностью разряженной АКБ концентрация составит 1,18 – 1,22 г/см3 и температура замерзания – от минус 22 до минус 40°С.

При замерзании электролит увеличивается в объеме (плотность в твердом состоянии ниже) и как следствие происходит повреждение пластин и даже корпуса. Лучше при отрицательных температурах будут себя чувствовать батареи с более тонкими электродами, число которых будет больше чем у AGM стационарных батарей (например, стартерные АКБ). Это связано с большей суммарной площадью поверхности электродов, т.е. большим объемом активной массы, вступающей в реакцию. Но тонкие пластины не могут обеспечить устойчивость к коррозии, т.к. их толщина меньше, то и деградируют они быстрее. И как следствие приходится выбирать: лучшие разрядные характеристики или больший срок службы.

Краткий итог простыми словами:

• Во-первых, при разряде уменьшается концентрация электролита, что повышает температуру его замерзания, которое может привести к повреждению корпуса АКБ (возможность разряда без замерзания электролита на 10-15%).
• Во-вторых, если АКБ разряжать не сильно, до состояния, когда электролит еще не замерзает, то зарядить его уже не представляется возможным, в виду многократного замедления протекания химических реакций. Это означает, что при температуре эксплуатации минус 60°С аккумулятор становится одноразовым.

– При работе с ИБП или инверторами нужно ли производить тренировочные циклы? Если да, как часто и до какой глубины следует разряжать аккумуляторы?

Контрольно-тренировочный цикл (КТЦ) – это операция, позволяющая, в первую очередь, определить остаточную емкость аккумуляторных батарей. КТЦ требуется проводить для получения более точного понимания состояния батарей и своевременного проведения замены. КТЦ проводится путем полного заряда АКБ с последующим разрядом фиксированным по величине током, равным 10% от номинальной емкости. Фиксируется время разряда. Величина остаточного напряжения при десятичасовом разряде указана в документации и обычно составляет 1,8 В/Эл. По времени разряда определяется остаточная емкость батареи.

Перед эксплуатацией свинцово-кислотных АКБ рекомендуется производить выравнивающий заряд. Выравнивающий заряд применяется, когда есть разброс по напряжению на аккумуляторах (элементах или моноблоках) – более +/-1%. Разброс может возникнуть как между АКБ в одной цепи, так и между элементами одного АКБ в условиях глубокого разряда или хронического недозаряда. Недозаряженный АКБ, включенный последовательно в цепь с другими АКБ, разрядится быстрее, не отдаст заявленную энергию и подвергнется воздействию деградационных процессов, связанных со слишком глубоким разрядом. Соответственно, при заряде цепи АКБ «переразряженный» аккумулятор не восстановит свой заряд на 100% и со временем начнет пагубно влиять на состояние АКБ всей цепи, которые также будут подвергаться слишком глубокому разряду. Во избежание данной ситуации необходимо перед вводом системы в эксплуатацию провести выравнивающий заряд цепи аккумуляторных батарей.

Выравнивающий заряд проводится повышенным постоянным напряжением (Не выше 14,4 В) не более 48 часов до момента, когда ток заряда остается неизменным в течение 2 часов. При превышении максимальной температуры батареи в 50 °С заряд следует приостановить на пару часов для охлаждения АКБ.

На наши вопросы отвечал Михаил Фролов, инженер по АКБ Delta

В настоящий момент свинцово-кислотные АКБ являются наиболее распространенными. На рынке представлено огромное множество производителей таких батарей. Каждый производитель стремится улучшить параметры своей продукции и прикладывает к этому много усилий. Но, при несоблюдении рекомендованных параметров и условий эксплуатации, могут быть испорчены даже самые неприхотливые и надежные модели свинцово-кислотных АКБ. Правильная эксплуатация может существенно продлить срок эксплуатации даже недорогих АКБ (таких, как серия Delta DT). Хотя AGM батареи и являются необслуживаемыми, всё же внимание им стоит уделять.

– Спасибо за развернутые ответы, Михаил!

Пожалуйста! Будут вопросы – обращайтесь!

Для нормальной работы любого аккумулятора нужно всегда помнить «Правило «Трёх П» :

1. Не перегревать!
2. Не перезаряжать!
3. Не переразряжать!

Для вычисления времени зарядки никель-металл-гидридного аккумулятора или батареи из нескольких элементов можно использовать следующую формулу:

Время зарядки (ч) = Емкость аккумулятора (мАч) / Сила тока зарядного устройства (мА)

Пример:
Мы имеем аккумулятор с ёмкостью 2000mAh. Ток заряда в нашем зарядном устройстве — 500mA. Делим ёмкость аккумулятора на ток заряда и получаем 2000/500=4. Это означает, что при токе в 500 миллиампер наш аккумулятор с ёмкостью 2000 миллиамперчасов будет заряжаться до полной ёмкости 4 часа!

А теперь более подробно про правила, которые нужно стараться соблюдать, для нормальной работы никель-металл-гидридного (Ni-MH) аккумулятора:

1. Храните Ni-MH аккумуляторы с небольшим количеством заряда (30 — 50% от его номинальной ёмкости).
2. Никель-металлогидридные аккумуляторы более чувствительны к нагреву, чем никель-кадмиевые (Ni-Cd), поэтому не перегружайте их. Перегрузка может отрицательно сказаться на токоотдаче аккумулятора (способности аккумулятора держать и выдавать накопленный заряд). Если у вас есть интелектуальное зарядное устройство с технологией «Delta Peak » (прерывание заряда аккумулятора по достижению пика напряжения), то вы можете заряжать аккумуляторы практически без риска перезарядки и разрушения оных.
3. Ni-MH (никель-металл-гидридные) аккумуляторы после покупки можно (но не обязательно!) подвергать «тренировке». 4-6 циклов заряда/разряда для аккумуляторов в качественном зарядном устройстве позволяет достичь придела ёмкости, которая была растеряна в процессе перевозки и хранения аккумуляторов в сомнительных условиях после выхода с конвейера завода-производителя. Количество подобных циклов может быть совершенно разным для аккумуляторов от разных производителей. Качественные аккумуляторы достигают предела ёмкости уже после 1-2 циклов, а аккумуляторы сомнительного качества с искусственно завышенной ёмкостью не могут достигнуть своего предела и после 50-100 циклов заряда/разряда.
4. После разряда или заряда старайтесь дать остыть аккумулятору до комнатной температуры (~20 o C). Заряд аккумуляторов при температурах ниже 5 o C или выше 50 o C может значительно отразиться на сроке службы батареи.
5. Если хотите разрядить Ni-MH аккумулятор, то не разряжайте его менее, чем до 0.9В для каждого элемента. Когда напряжение никелевых аккумуляторов падает ниже 0.9В на элемент, большинство зарядных устройств, обладающих «минимальным интеллектом», не могут активировать режим заряда. Если Ваше зарядное устройство не может опознать глубоко разряженный элемент (разряженный менее 0.9В), то стоит прибегнуть к помощи более «тупого» зарядника или подключить аккумулятор на короткое время к источнику питания с током 100-150мА до достижения напряжения на аккумуляторе 0.9В.
6. Если вы постоянно используете одну и ту же сборку из аккумуляторов в электронном устройстве в режиме дозаряда, то иногда стоит разряжать каждый аккумулятор из сборки до напряжения 0,9В и производить его полный заряд во внешнем зарядном устройстве. Подобную процедуру полного циклирования стоит производить один раз на 5-10 циклов дозаряда аккумуляторов.

Таблица заряда типовых Ni-MH аккумуляторов

Данные в таблице актуальны для полностью разряженных аккумуляторов