1.7.3. Акумулятори (вторинні гальванічні елементи)

Визначальними перевагами акумуляторів є: невелика маса, довгий час служби, велика ємність, простий процес заряджання, великий струм розряджання (навантаження), екологічна безпечність, мала температурна залежність.

Вище подані властивості повинні характеризувати ідеальне джерело живлення для переносних пристроїв. Всі ми контактуємо з електронним обладнанням, в якому є акумулятори. В будь-яких галузях бажано мати можливість вільного пересування з електричними пристроями без під’єднання до стаціонарної мережі. Тому й існує широкий, постійно зростаючий асортимент акумуляторів з різноманітними властивостями. Подамо характеристики найчастіше вживаних типів акумуляторів, їх властивості і експлуатаційні вимоги, що забезпечують оптимальні робочі умови і їх максимальний час життя. Вичленимо три типи, які наймасовіше представлені на ринку і в повсякденному житті: свинцеві і нікель-кадмієві акумулятори та новий тип акумуляторів – нікель-метало-водневі (NiMH).

1.7.3.1. Свинцеві акумулятори. Свинцеві акумулятори існують на ринку від 1860 року, коли Raymond Gaston Plante винайшов свинцевий кислотний акумулятор. Продаж цього типу акумуляторів становить біля 60% від усієї кількості ринкових продаж. Досить часто цей тип акумуляторів є найекономічнішим технічним рішенням, оскільки вартість однієї Ампер-години споживаного струму є найменшою серед усього різноманіття інших акумуляторів. Характерною відмінністю цього типу акумуляторів є велика стійкість до змін умов довкілля в широких межах, велика кількість циклів заряджання-розряджання. Свинцевий акумулятор є найкращим джерелом живлення для стартера автомашини, або резервним джерелом. Електроди виготовлені зі свинцю, що з одного боку є корисним під час заряджання-розряджання, а з іншого – призводить до суттєвого зростання ваги. Раніше ринок був заповнений відкритими свинцевими акумуляторами, а сьогодні найчастіше зустрічаємо герметичні акумулятори без необхідності обслуговування, або з регуляційним вентилем, особливо для промислового використання.

Заряджання свинцевих акумуляторів

Свинцевий акумулятор заряджається сталою напругою зі змінюваним зарядним струмом. Свинцеві електроди і електроліт, що складаються з сірчаної кислоти, дають напругу акумулятора 2 В. Ці акумулятори найчастіше з’єднуються в батареї, що складаються з 3 або 6 елементів. Якщо акумулятор використовується для циклічної роботи, то напруга заряджання повинна становити (2,40-2,50 В)/елемент, що означає 14,4-15,0 В для акумулятора 12-вольтового. Часто свинцеві акумулятори використовуються як джерела резервного живлення. Нормально з них не споживається струм, але вони постійно підзаряджаються, щоб бути повністю справними в аварійних ситуаціях. Це, так зване, буферне застосування. Тут мова йде про використання в безперебійних блоках живлення UPS, або в аварійних блоках живлення. У цьому випадку напруга заряджання повинна становити (2,25-2,30 В)/елемент, або 13,5-13,8 В для 12-вольтного акумулятора. Зарядний пристрій повинен забезпечувати оптимальні умови заряджання, тобто значення зарядного струму не повинно перевищувати 10 % ємності акумулятора, а при буферній роботі – біля 5 %. Значення максимального зарядного струму ніколи не повинно перевищувати 1/3 ємності свинцевого акумулятора.

Під час заряджання приріст напруги акумулятора є показником рівня його заряду. Тому мережний перетворювач з постійною (стабілізованою) вихідною напругою може використовуватись як автоматичний зарядний пристрій. Потрібне значення напруги акумулятора наставляють в перетворювачі, перед початком заряджання. З моменту, коли акумулятор повністю зарядиться, струм зарядження падає до значення, що компенсує самостійне розрядження. Якщо заряджання продовжується, то окрім підтримування цілковитого зарядження, струм буде використовуватись для створення водяної пари з води в електроліті. Напруга акумулятора тоді становить 2,4 В. Стабілізований мережевий перетворювач характеризується малим значенням пульсацій вихідної напруги, що є цінною перевагою у випадку заряджання акумулятора без відключення його від чутливої апаратури. В колі заряджання повинен бути вбудований запобіжник, що запобігає раптовому, неконтрольованому споживанню з акумулятора великого струму у випадку виникнення короткого замикання.

Розряджання свинцевих акумуляторів

Найбільшою перевагою свинцевого акумулятора є можливість розрядження великими струмами за короткий час. Свинцевий акумулятор з регулювальним клапаном може бути короткотривало (не більше, ніж 5 с) навантажений струмом, що відповідає 15-кратній ємності акумулятора. Максимальне постійне споживання струму не повинно перевищувати 3-кратної ємності.

Термін служби свинцевих акумуляторів

Для найпоширеніших свинцевих акумуляторів час служби становить від 3 до 5 років. Однак, існують типи, котрі можуть працювати навіть понад 10 років. Їх передусім використовують в телекомунікації, в аварійних сигналізаціях і джерелах резервної живлення. Кращим способом вимірювання часу роботи є подання кількості циклів, які проводяться з даним акумулятором, до моменту, коли його ємність не зменшиться до 60 % від початкового значення. На це підсумовування суттєво впливає спосіб експлуатації, тобто яка частина ємності використана при кожному розрядженні (глибина розрядження). Стандартним значенням є 500 циклів, коли під час кожного розрядження ємність зменшується на 50 %.

Висновки, що стосуються свинцевих акумуляторів.

Велика вага є великим мінусом конструкції свинцевого акумулятора. Час служби відрізняється залежно від конструктивного виконання і способу експлуатації, але може вважатись як довгий по відношенню до інших типів акумуляторів. Ємність часто порівнюється з вагою, що не свідчить їм на користь. Однак виробництво свинцевих акумуляторів з більшими ємностями є відносно простим і дешевим. Процес заряджання є їх виразною перевагою, оскільки є дуже легким і не вимагає складних контрольно-управлінських засобів. На жаль, свинцевий акумулятор, навіть при найкращих побажаннях, не може описуватись як корисний для довкілля, оскільки містить значні кількості небезпечного для довкілля свинцю. Параметри акумулятора не є в особливий спосіб залежні від температури при розрядженні (хоча й низькі температури зменшують ємність акумулятора), натомість заряджання повинно проходити при кімнатній температурі, в протилежному випадку значення напруги заряджання повинне бути збільшене для досягнення повного зарядження.

1.7.3.2. Нікель-кадмієві акумулятори. Перший нікель-залізний Ni-Fe лужний акумулятор був сконструйований в 1899 році шведом Jungner. Тільки в 1932 році в лужному акумуляторі були виготовлені електроди з нікелю та кадмію, а в 60-х роках ці акумулятори почали виготовляти в промисловому масштабі. Сьогодні нікель-кадмієві Ni-Cd акумулятори є досить популярними, особливо в електронних пристроях широкого вжитку.

Успіх багатьох бездротових пристроїв пов'язаний з використанням нікелево-кадмієвих акумуляторів і їх динамічним розвитком в останні роки.

Ці акумулятори характеризуються великою густиною нагромадженої енергії (кількість енергії по відношенню до ваги), можливістю споживання великих струмів, довгим часом життя і великою кількість циклів зарядження і розрядження. Зазвичай використовують Ni-Cd акумулятори з ємністю від кількох мА·год до 10 А·год. Раніше виготовлялись акумулятори в єдиному конструктивному виконанні, яке повинно було задовільнити усі можливі галузі використання, але сьогодні є багато типів конструктивних виконань з метою отримання найкращих параметрів для певного застосування. Деякі повинні мати максимально можливу ємність, інші необхідно якомога швидше заряджати, а ще інші повинні працювати при високих температурах довкілля.

Акумулятор складається з від’ємного електроду з кадмію і додатного з нікелю. Електролітом є водний розчин вуглекислого натрію. З метою запобігання замиканню, електроди розділені пористим розділювачем, найчастіше виготовлюваним зі штучного матеріалу. В циліндричних акумуляторах, з метою отримання можливо більшої поверхні електродів (висока електрична ємність), навивають їх спірально, з якомога тоншим розділювачем (низьке значення внутрішнього опору, а тому велике значення розрядного струму). Електрохімічні процеси в акумуляторі так підібрані, щоб гази, що виділяються під час заряджання (кисень виділяється під час електролізу води), були поглинені. Зазвичай, усі акумулятори мають клапан безпеки, який запобігає створенню надлишкового тиску при сильному перезарядженні.

Заряджання нікель-кадмієвих акумуляторів

Нікелево-кадмієві акумулятори заряджаються постійним струмом. Електроди з нікелю і кадмію, а також електроліт з гідроксиду калію дають напругу акумулятора приблизно 1,2 В. В часі заряджання необхідно подати більше енергії, ніж отримується під час розрядження. Прийнято, що подана енергія становить 140 % енергії згодом отриманої. Нормальний струм заряджання акумулятора Ni-Cd становить 0,1 від номінального значення ємності за час 14-16 год. Заряджання можна описати залежністю

I=1,4·C/t, (1.6)

де І - струм заряджання в А; С - ємність і А·год; 1,4 - коефіцієнт заряджання; t - час заряджання в годинах.

Напруга акумулятора в тракті заряджання ступенево зростає, доходячи до 1,45-1,50 В на кінцевому етапі. Для значень струмів заряджання нижчих від 0,2 С (С - номінальне значення ємності) немає потреби у спостереженні за процесором заряджання. Заряджання повинно відбуватись при кімнатній температурі. Потрібно докладно перевірити полярність при підключенні. Ni-Cd батарея підлягає знищенню при неправильній полярності підключення зарядного пристрою.

Швидке заряджання (0,5-1,5 С) нікель-кадмієвих акумуляторів

Ni-Cd акумулятори мають дуже корисну властивість, що полягає у можливості прийняти великий заряд за короткий час. Чим коротший час заряджання, тим точнішим повинен бути контроль заряджання. Напруга акумулятора Ni-Cd в часі заряджання монотонно зростає, але на кінцевому етапі трохи зменшується, коли акумулятор є повністю зарядженим. В цей час температура акумулятора сильно зростає.

Сучасні зарядні пристрої для швидкого заряджання використовують метод –ΔV (мінус дельта V), тобто, що вони виявляють момент зменшення приростів напруги і переривають заряджання. Потрібно уникнути надмірного зростання температури акумуляторів, оскільки вона зменшує час їх служби. Тому рекомендується використання як додаткового захисту, біметалевих (самоповертальних) перемикачів. Температура акумулятора після швидкого заряджання становить біля +45 ⁰С. Біметалевий вимикач повинен бути послідовно увімкнений в коло заряду і розміщений на корпусі зароджуваного акумулятора. Якщо значення температури перевищить +45 ⁰С, заряджання переривається. Швидке заряджання струмом не більшим від 1 С також можна здійснювати при використанні реле часу при використанні залежності (1.2), але і у цьому випадку, з метою уникнення перегрівання, потрібно використовувати біметалевий вимикач (рис. 1.16). Криві рис. 1.14 показують напругу і температуру акумулятора при швидкому його заряджанні струмом 1,0 С за час приблизно 90 хв. Криві показують, що акумулятор після 70 хв є повністю зарядженим і його температура сягає приблизно 45 °С.

Підтримувальне (буферне) заряджання

Найчастіше ця методика використовується для високо-температурних і таблеткових елементів. Це означає, що акумулятор є постійно підзаряджуваним, так щоби бути постійно готовим до використання у випадку зникнення напруги живлення, наприклад, як резервний блок живлення комп’ютерів. Циліндричні Ni-Cd елементи повинні завжди заряджувані струмом 0,03-0,05 С, у той час як таблеткові елементи - струмом 0,01 С. Зарядний підтримувальний струм циліндричного Ni-Cd елемента ємністю 800 мА-год повинен становити 24-40 мА.

Розряджання

Ni-Cd елемент добре переносить відбір великих значень струму. Його можна дуже короткочасно навантажувати струмом аж до 100 С. При тривалому розрядженні максимальне значення розрядного струму не повинно перевищувати 8-10 С на протязі часу 4-5 хв. Ni-Cd елемент також характеризується сталою напругою 1,2 В на протязі усього проміжку розрядження (рис. 1. 17). Як кінцеве значення напруги у випадку розрядження

Рис. 1.16 – Процес швидкого заряджання Ni-Cd акумулятора

елементу приймають значення 1,0 В. Недоліком Ni-Cd акумуляторів є достатньо велике значення струму саморозрядження, біля 1% на добу. Це пов’язано з низькою здатністю під час підтримувального заряджання.

Р ис. 1.17 – Напруга розряджання у функції часу при струмі розряду 0,1 С

Термін служби

Найчастіше подаваним параметром Ni-Cd акумуляторів є кількість циклів заряджання-розряджання, яка зазвичай становить 1000 циклів. Однак ця кількість у значній мірі залежить від виду їх експлуатації. Коли настає перезарядження елементу, як зазначено вище, суттєво зростає його внутрішня температура, яка пришвидшує деградаційні процеси складових матеріалів. Подібні процеси є при сильному розрядженні. Коли акумулятор, що складається з ряду елементів, є розрядженим, існуючі різниці ємності можуть спричинити різну глибину розряджання. Це спричиняє те, що частина елементів буде не повністю заряджена, а частина перезаряджена, що у результаті скорочує термін служби усього акумулятора. При сильному розряджанні, коли значення напруги елементу спадає аж до 0,2 В, ймовірно, може статися зміна полярності. Оптимальним значенням напруги розряду Ni-Cd акумуляторів є 1,0 В перед повторним заряджанням. У цей спосіб можна уникнути впливу різниць ємностей і забезпечити найкращі умови функціонування акумулятора.

Підсумовування відомостей про нікель-кадмієві акумулятори

Вага є їх дуже великою перевагою, особливо якщо віднести її до ємності. Термін служби, а передусім здатність до циклічної роботи, в цих акумуляторах є дуже добрим параметром. Заряджання вимагає пильного спостереження за перебігом процесу, тому що швидке заряджання здійснюється великим струмом без зменшення часу життя акумулятора. Ці умови є дуже трудоємні. Параметри нікель-кадмієвих акумуляторів залежні від температури. Можлива їх робота при високій температурі довкілля, якщо використовувати спеціальні типи акумуляторів призначених для цих цілей. Використовують їх, наприклад, в пристроях аварійного освітлення.

Нікель-кадмієві акумулятори дуже шкідливі через наявність кадмію, концентрацію якого в природі слід обмежувати. На сьогодні немає цілковитої заміни для цього типу акумуляторів. Потрібно, однак, уважно пильнувати аби усі акумулятори, в яких закінчився термін служби були передані на перероблення.

1.7.3.3. Ni-МеН акумулятори (нікель-метал-водень). Акумулятори Ni-MеH відомі від половини 70-х років. Але тільки зараз публічна думка вимагає екологічно нешкідливих замінників Ni-Cd акумуляторів у зв’язку з тим, виробники почали проводити роботи з розвитку, особливо для ринкових потреб. Сьогочасні дискусії щодо охорони довкілля відзначали шкідливість Ni-Cd акумуляторів та можливості їх заміни на Ni-MеH акумулятори. Фактично цей тип акумуляторів має певні переваги перед Ni-Cd акумуляторами, але й має також недоліки. В багатьох сьогоднішніх електронних пристроях можна буде замінити шкідливі Ni-Cd акумулятори, але в багатьох інших застосуваннях, де використовуються їх характеристичні властивості, потрібно буде ще зачекати.

Нижче порівняємо Ni-MеH та Ni-Cd акумулятори з метою встановлення подібностей та відмінностей і виразно підкреслити специфіку Ni-MеH акумуляторів, щоб можна було їх якнайдовше використовувати.

Ni-MеH є вторинним гальванічним елементом тобто акумулятором, який характеризується найвищою густиною енергії з акумуляторів, що знаходяться на ринку. Це найбільша перевага Ni-MеH акумулятора у порівнянні з Ni-Cd. Ni-MеH можна використовувати у всіх стандартних застосуваннях, наприклад, в стільникових телефонах, переносних телефонах, відео камерах і т.п. там, де велика ємність уможливлює довший час його використання. Обмеженням є вища ціна акумулятора, яка повинна, однак, з часом зменшитись, оскільки матеріали для їх виготовлення не дорогі.

Принцип дії акумулятора засновується на накопиченні газового водню в стопі металу (раніше називався такий акумулятор нікелево-водневим). Нікелева пластина становить додатній електрод, але від’ємним електродом є спеціальний стоп металів рідкоземельних, нікелю, марганцю, магнію, алюмінію і кобальту. Жоден із виробників не хоче оприлюднювати процентного вмісту складників, коли показує властивості акумулятора. Сепаратор виконаний з поліаміду або поліетилену. Електроліт є лугом. При заряджанні і розряджанні водень переміщується між електродами. Здатність стопу захоплювати водень характеризує його ємність. Найбільшою проблемою, яка вимагає натихчасового розв’язання, є зменшення швидкості протікання фізико-хімічних процесів заряджання із зростанням ємності акумулятора, що, у свою чергу, обмежує значення струму розряджання і часу заряджання. Ni-MеH акумулятори, як і Ni-Cd, мають захисний вентиль, котрий запобігає виникненню надмірного тиску в елементі.

Заряджання

Ni-MеH акумулятори мають вищу ємність і відношенні до об’єму порівняно з Ni-Cd. Це означає існування більшої кількості активної субстанції в тому самому об’ємі. Однак ці субстанції мають менший об’єм до розширення в корпусі і, тому, спадає швидкість фізико-хімічних реакцій. Наслідком цього Ni-MеH акумулятори повинні повільніше заряджатися, ніж Ni-Cd, а процес зарядження вимагає докладнішого контролю з метою уникнення перезарядження. Обидва типи акумуляторів мають напругу 1,2 В. Нормальне заряджання відбувається в такий самий спосіб, тобто струмом із значенням 0,1 С за час 14-16 год. Це означає, що також коефіцієнт заряджання є таким самим для обидвох типів акумуляторів, тобто 1,4. Подібно також зростає й напруга елементу під час заряджання і в кінцевій фазі досягає значень 1,45-1,50 В. При заряджання струмами із значеннями меншими від 0,2 С не потрібно контролювати жодного з параметрів, окрім часу заряджання.

Швидке заряджання

Оскільки Ni-Cd акумулятори можна було заряджати швидко на протязі часу 15 хвилин, то мінімальний час заряджання для Ni-MеH акумуляторів становить біля 1 год. В Ni-MеH акумуляторах й набагато швидше зростає температура, коли він близький до повного заряджання. При цьому наступне зменшення вихідної напруги є значно меншим, тому чутливість контрольних пристроїв, що відчувають її зміни повинна бути вищою.

При швидкому заряджанні акумуляторів Ni-MеH рекомендується використання щонайменше двох систем захисту: від’ємний приріст вихідної напруги –ΔU, значення температури поверхні не більше +45 ⁰С та контроль часу заряджання за таймером. Потрібно підкреслити, що час служби акумуляторів Ni-MеH виразно скорочується при перегріванні акумулятора, причому сильніше, ніж в Ni-Cd. Плюсом акумуляторів Ni-MеH є те, що в них немає ефекту “пам’яті”. Це явище, яке часом настає в акумуляторах Ni-Cd, що працюють в пристроях, в яких використовується невелика частина їх ємності. Коли цикл повного розряджання і заряджання повторяється, настає зменшення максимальної ємності. Цьому явищу можна запобігти провівши кілька (3-4) цикли повного розряджання та заряджання.

Підтримувальне (буферне) заряджання

Цей тип заряджання можна застосувати тільки для акумуляторів Ni-MЕH, виконаних у таблетковій формі. В акумуляторах циліндричних це означає постійне підзаряджання, що завжди відбувається за рахунок часу служби акумулятора. Для таблеткових акумуляторів Ni-MеH немає жодних відмінностей від таблеткових акумуляторів Ni-Cd.

Розряджання

Як зазначалось раніше, активні матеріали в акумуляторі Ni-MеH мають менше місця на розширення всередині акумулятора. Це спричиняє зменшення активності реакції. Природно, що максимальний струм розряджання є нижчим від струмів в акумуляторах Ni-Cd. Зазвичай, не рекомендуються струми розряджання вищі від 3 до 5 С. Немає, натомість, жодної різниці між кінцевою напругою для обидвох типів, значення яких становлять приблизно 1,0 В. Ni-MеH батареї мають вищі струми саморозряджання приблизно 1,5% щоденно, порівняно з Ni-Cd акумуляторами - до 1,0 %. З цього виникає, що час зберігання повністю зарядженого акумулятора Ni-MеH є коротшим, ніж відповідний акумулятор типу Ni-Cd.

Термін служби

Оскільки Ni-MеH є відносно новим типом акумуляторів, бракує довгорічних спостережень, що дозволяють визначити термін їх служби. Відповідно до інформації виробників, термін служби не повинен бути коротшим, ніж для Ni-Cd акумуляторів, тобто 1000 циклів. Потрібно звернути увагу, що ця кількість циклів стосується ідеальних умов, наприклад, заряджання струмом значенням 0,1 С на протязі часу 14 годин і кімнатній температурі при кожному заряджанні. Не взято до уваги відповідного перезаряджання, яке може наступити і скоротити час служби. Реальна кількість циклів в нормальних умовах експлуатації становить правдоподібно приблизно 500-800.

Висновки про Ni-MеH акумулятори

Ni-MеH акумулятори є єдиним типом акумуляторів, які не містять важких металів, що забруднюють середовище і, тому, є значно екологічно чистішими, ніж інші типи. Відношення ваги до ємності є його наступною перевагою. Це також є акумулятором з найбільшою густиною енергії. Термін служби є довгим при роботі з повними циклами заряджання і розряджання, однак зменшується під час підтримувального заряджання. Це, однак, не стосується акумуляторів таблеткових, які мають такі самі властивості, як їх відповідні акумулятори Ni-Cd. Заряджання вимагає прецизійнішого контролю, ніж для інших типів акумуляторів. Подібно як і в акумуляторах Ni-Cd, параметри акумуляторів Ni-MеH залежать від температури, тому не повинна бути безумовно перевищена максимальна робоча температура.

В цьому розділі згадано тільки про основні параметри різних типів акумуляторів. Оскільки є дуже велика різниця між ними, то завжди слід порівнювати дані щодо заряджання і розряджання з даними, що подають виготовлювачі.