Тема: Химические источники тока (ХИТ). Классификация ХИТ

Аккумуляторы принадлежат к группе химических источников тока (ХИТ).

ХИТ – устройство, в котором энергия химически активных веществ за счёт разнесённых в пространстве окислительно-восстановительных реакций непосредственно превращается в электрическую.

посредственно превращается» означает, что в устройстве нет отдельных операций преобразования энергии.

Классификация ХИТ

ХИТ

  

АБ ГЭ ЭХГ (ТЭ)

  

АБ СБ ПЭ

А - аккумуляторная батарея (для долговременного питания потребителей);

ГЭ - гальванический элемент (ХИТ однократного действия);

ЭХГ- электрохимический генератор (топливный элемент) (для долговременного пользования, поставляет энергию по требованию потребителя);

СБ - стартовая батарея (используются для запуска двигателей);

ПЭ - противоэлемент (у этого ХИТ напряжение на зажимах (электродах) не зависит от силы тока в широких пределах изменения сопротивления нагрузки и направлено встречно направлению тока, поэтому противоэлементы используются для поддержания стабильного напряжения в нагрузке)

Тема: Устройство аккумулятора. Электрохимическая система (ЭХС)

ЭДС аккумулятора (Е_А) называется разность потенциалов анода и катода при отсутствии нагрузки.

Основной недостаток А и ГЭ – саморазряд счёт восстановительных реакций, как правило, сопровождающихся ухудшением свойств и состояния электролита. При этом одновременно растет внутреннее сопротивление (R_ВН) аккумулятора и с течением времени напряжение аккумулятора снижается, т.е.

U_А = E_A – I_H ∙ R_ВН

Свинцово-кислотный аккумулятор.

ЭХС свинцово-кислотного аккумулятора содержит следующие компоненты:

• положительный электрод (пластина): Pb O₂ (двуокись свинца);

• отрицательный электрод (пластина): Pb (свинец);

• электролит: H₂ SO₄ ( водный раствор серной кислоты)

Преобладающие в электролите окислительно-восстановительные процессы можно представить в виде обратимой реакции.

(Kатод) (Aнод) Разряд

Pb + Pb O₂ + 2 H₂ SO₄ 2 Pb SO₄ + 2 H₂ O

Заряд

губчатый двуокись сульфат (вода)

свинец свинца свинца

[концентрация электролита, [ухудшение электролита, выделение тепла] выделение воды]

Тема: Режимы работы аккумуляторов

• Заряд

• Выравнивающий заряд

• Подзаряд

• Разряд

• Тренинг (тренировка)

• Режимы резервирования

- заряд-разряд;

- буферный, флотирующий

Заряд

1. Метод IU (I₌ U₌ ) - двухэтапный (Рис. 28)

Заряд осуществляется в два этапа. На первом этапе производится заряд стабилизированным током величиной:

I_З = (0.1 – 0.3) Q₁₀,

где Q₁₀ – ёмкость аккумулятора после 10 часов разряда.

На этом этапе напряжение на аккумуляторе возрастает. При достижении величины U = 2.35 – 2.4 вольта на элемент осуществляется, как правило, автоматически переход ко второму этапу заряда стабилизированным напряжением. В ходе этапа зарядный ток постепенно убывает.

2. Метод U₌ - один этап (Рис. 26 )

Заряд осуществляется стабилизированным напряжением. Напряжение на выходе выпрямителя устанавливается в пределах 2.15 -2.35 вольта в соответствии с инструкцией по эксплуатации на конкретный тип аккумулятора. Этот метод рассматривается как частный случай метода IU.

3. Метод IU0I ( I₌ U₌ I₌) – трёхэтапный (Рис. 27 )

В начале производится заряд стабилизированным током, величина

которого определяется как:

I_З = (1.7 – 3.4) I_20,

где I_20, - максимальное значение тока при 20-часовом разряде.

По действующим в России техническим нормам величина этого тока:

I_З = (0.1 – 0.3) Q₁₀

где Q₁₀ – ёмкость аккумулятора после 10 часов разряда.

Затем заряд продолжается стабилизированным напряжением, величина которого устанавливается в соответствии с инструкцией по эксплуатации на конкретный тип аккумулятора. После снижения тока до величины

I_З = 0.136 Q₂₀,

(3-й этап) заряд продолжается этим током пока напряжение на аккумуляторе не достигнет (2.35 – 2.4) вольта на элемент АБ и не прекратит изменяться в течение последних 10 часов. Величина остаточного тока около 1мА на каждые 100 А/час для двухвольтовых аккумуляторов.

• U - режим управления по напряжению (постоянное напряжение)

• I - режим управления по току (постоянный ток)

• 0 - точка переключения режима

В

ыравнивающий заряд

Этот режим используется в следующих ситуациях:

• после глубокого разряда;

• при недостаточном разряде АБ;

• после долива воды

Подзаряд

В этом режиме напряжение должно устанавливаться в соответствии с инструкцией по эксплуатации (обычно 2.3 В на двухвольтовый элемент при температуре 20⁰ и с точностью стабилизации ±1 %. В России подзаряд осуществляется при стабилизированном напряжении 2.18 В при температуре35⁰ и2.12 В при температуре больше 35⁰ С.

.

Тренинг

Этот режим используется до начала эксплуатации аккумулятора, т.е. в процессе его подготовки к практическому использованию путём многократных (больше 3 – 4 раз) циклов глубокого разряда и заряда аккумулятора с целью увеличения отдаваемой разрядной ёмкости (энергии разряда).

Рассмотрим процедуру «тренинга» подготавливаемого к эксплуатации аккумулятора на примере свинцово-кислотного аккумулятора. Устройство электрохимической системы: положительная пластина (анод) – двуокись свинца Pb O₂, отрицательная пластина (катод) – губчатый свинец Pb, электролит – водный раствор серной кислоты H₂ SO₄. Концентрация раствора: 1.2 – 1.7 г/см³. В электролите некоторая часть молекул серной кислоты распадается на положительные ионы водорода (H₂⁺) и отрицательные ионы кислотного остатка (SO₄^--). Раствор (электролит) в целом остаётся электрически нейтральным. При многократном повторении обратимой реакции в процессе глубокого заряда-разряда в процессе «тренинга» слой как двуокиси свинца (положительные пластины), так и губчатого свинца (отрицательные пластины) растёт благодаря проникновению реакции внутрь активной массы пластин. При этом растёт и фактическая электрическая ёмкость аккумулятора.

Режимы резервирования

1. Заряд – разряд

В этом режиме одна из двух аккумуляторных батарей находится в резерве в заряженном состоянии. При отсутствии напряжения она подключается и итает нагрузку. Величина потребной ёмкости (энергии разряда) определяется по формуле ( ? ) также, как и в режиме разряда.

2. Буферный режим

Аккумуляторная батарея (АБ) постоянно подключена параллельно нагрузке и зарядному выпрямителю. Вместо работе АБ в буферном режиме в формулу для определения потребной ёмкости (энергии) вместо t_Р.Н номинальным током подставляется удвоенное время аварии (t_АВ ≤ 1 - 1.5 час.).Удвоенное время берётся для того, чтобы АБ не разрядилась ниже требуемого для питания потребителя значения напряжения.

Преимущества буферного режима

• аккумуляторная батарея берёт на себя нагрузку без перерыва в энергоснабжении;

• аккумуляторы постоянно поддерживаются в состоянии полного заряда путём компенсации саморазряда подзарядом;

• основной источник электропитания предохраняется от бросков тока, которые буферная батарея принимает на себя, а потребитель предохраняется от резкого уменьшения питающего напряжения при бросках тока;

• значительно уменьшаются пульсации напряжения в нагрузке;

• для маломощных потребителей появляется возможность получения различных градаций напряжения, т.е. буферная батарея может быть использована в качестве делителя напряжения.

Ведущие технологии производства аккумуляторов

В настоящее время для организации надёжного (гарантированного, бесперебойного) электропитания/электроснабжения промышленность в России и за рубежом выпускает аккумуляторные батареи, выполненные по трём ведущим технологиям: «dryfit», «powerfit» и «classiс».

• Аккумуляторы по технологии «dryfit»

Электролит – гель (желеобразный), герметичные, необслуживаемые, срок службы (до 80% остаточной ёмкости) до 18 лет, экологически безопасные, рекомбинация газов (98 – 99)%, имеют защиту от глубокого разряда, низкий саморазряд (могут храниться до 2-х лет без подзаряда). Отдельные типы могут обеспечить большие («толчковые» токи) при коротком (до 5 с.) режиме разряда. Исполнение: блочное и элементное. Ёмкость - до 3000 А/час.

Пример: Аккумулятор «dryfit А 412» фирмы Sonnetnnshein, ёмкость 180 А/час, I_{Н max} = 770 А, I_{ДОП ТОЛЧ} = 2600 А, вес 70 кГ.

• Аккумуляторы по технологии «powerfit»

Электролит (жидки) находится в стекловолокнистом наполнителе, служащем одновременно сепаратором, герметичные, необслуживаемые (до 80% остаточной ёмкости) до 10 лет, экологически безопасные, рекомбинация газов (98–99)%, обеспечивают большие токи при коротком разряде. Исполнение блочное и элементное. Ёмкость до 8000 А/час

Пример: Аккумулятор «powerfit espace 2 HI 500 LD» фирмы OLDHAM, ёмкость 500 A/час, вес = 32.5 кГ.

• Аккумуляторы по технологии «classiс»

Жидкий электролит, мало обслуживаемые (долив воды : раз в 2 – 5 лет. Отдельные типы обеспечивают большие токи при коротком разряде. Срок службы: до 20 лет. Исполнение блочное и элементное. Ёмкость до 12000 А-ч.

Пример: Аккумулятор «classic 24 OPC 30» фирмы OLDHAM, ёмкость 700 A/час, I_{ДОП ТОЛЧ} = 10970 А/ час, R_ВН0.19 мОМ

,

Технологии «dryfit», «powerfit» выводят аккумуляторные батареи, выполненные по этим технологиям, из категории «экологически опасных объектов

Тема: Электрохимический генератор

( Топливный элемент)(ЭХГ-ТЭ)

В отличие от аккумуляторов ТЭ вырабатывают энергию по мере необходимости (при подаче реагентов). ТЭ не требуют перезарядки.

В ТЭ реагенты (топливо и окислитель) подаются только тогда, когда потребители требуют подачи электроэнергии.

Устройство ТЭ