Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания. Учебное пособие.pdf
в перезаряде аккумуляторов с меньшей емкостью и недозаряде аккумуля-
торов с большей емкостью. При разряде аккумуляторы с меньшей емко-
стью разряжаются быстрее и глубже остальных вплоть до переполюсовки.
Балансировке батареи способствует периодическое (1 раз в месяц)
проведение выравнивающих зарядов, которые проводят малым током (15–
20 % от максимального) после нормального заряда. Процесс заряд оста-
навливают, если плотность электролита постоянна в течение 3 ч.
Глубокие разряды приводят к необратимой сульфатации отрицатель-
ных электродов и потере емкости аккумулятора. Для восстановления
утраченной емкости каждые 6 месяцев проводят десульфатацию аккуму-
ляторов [7].
Герметизированные свинцовые аккумуляторы и батареи
Герметизированные свинцовые аккумуляторы (ГСА) – сравнительно
дешевые и простые в эксплуатации ХИТ. Эти аккумуляторы не требуют
специальных вентилируемых помещений для содержания, что делает их
пригодными для использования в бытовой технике.
В процессе создания ГСА разработчики столкнулись с несколькими
проблемами. Герметизация подразумевает полное устранение или мини-
мизацию выделения газов из аккумулятора. При этом электроды свинцо-
вого аккумулятора имеют такие потенциалы, что вода находится в не-
устойчивом состоянии, и процесс образования водорода и кислорода мо-
жет протекать в любом состоянии аккумулятора (при заряде, разряде
и хранении).
Решением этой проблемы может быть создание условий для восста-
новления на отрицательных электродах кислорода, выделяющегося на по-
ложительных электродах.
Скорость восстановления кислорода ограничивается скоростью пе-
ремещения его молекул в растворе серной кислоты, которая очень мала
и сильно зависит от толщины межэлектродного слоя. Так как электролит
111
свинцового аккумулятора является расходуемым компонентом, необхо-
димо выдержать минимальное требование по количеству серной кислоты
в электролите 3,66 г/А·ч. Это определяет межэлектродный зазор, соизме-
римый с толщиной электродов.
Для увеличения скорости восстановления кислорода необходимо со-
здать в межэлектродном зазоре сеть газовых каналов. Так будет организо-
вано перемещение кислорода между электродами по принципу газовой
диффузии, скорость которой на 7 порядков выше скорости молекулярной
диффузии в жидкости.
Этого можно добиться, ограничив количество электролита, находя-
щегося в порах сепараторов и электродов, или используя загущенный
электролит, который имеет в своем объеме трещины и поры, пригодные
для перемещения кислорода.
Создание подобного водородного цикла затруднено из-за низкой ско-
рости окисления водорода на положительном электроде. Поэтому нужно
минимизировать объемы выделения водорода, снабжать свинцовый акку-
мулятор рекомбинационными или газопоглощающими системами и кла-
паном для выпуска скопившегося газа.
Другая проблема герметизированных аккумуляторов – появление до-
полнительных источников тепла: реакция восстановления кислорода; ре-
акция рекомбинации газов [7].
Методы заряда
Заряд свинцовых аккумуляторов может осуществляться различными
методами.
Наиболее популярным является метод, при котором значение тока
поддерживается постоянным в течение всего заряда. Напряжение на бата-
рее при заряде таким методом непрерывно увеличивается и может дости-
гать 2,7–2,8 В/элемент. В завершающей фазе заряда, когда напряжение
становится выше 2,4 В/элемент (начало электролиза воды), начинается
112
обильное газовыделение («кипение» электролита). При этом коэффициент
использования тока и общая эффективность заряда снижается, так как
часть энергии тратится на электролиз воды. Для увеличения эффективно-
сти можно уменьшить ток, однако увеличится и длительность заряда.
Достичь баланса между эффективностью и длительностью заряда
позволяет двух- или многоступенчатый метод. На первой ступени заряд
производится максимальным током (с учетом возможности зарядных
устройств и токоведущих частей аккумулятора) до достижения напряже-
ния 2,4 В/элемент. После этого ток снижается и продолжается заряд до
достижения того же напряжения. Это может повторяться на нескольких
ступенях. На последней ступени заряд продолжается до установления по-
стоянства величины напряжения и плотности электролита в течение 1–2 ч.
Другим эффективным методом является заряд постоянным напряже-
нием. Значение тока при этом постепенно снижается. Если правильно по-
добрать величину напряжения (около 2,4 В/элемент), то газовыделение
будет незначительным, а коэффициент использования тока – высоким.
Однако продолжительность заряда таким методом все же велика.
Наиболее оптимальным считается двухступенчатый метод, при кото-
ром на первой ступени заряд производится при поддержании постоянного
тока до достижения определенной величины напряжения U
(обычно
max
выбирают значение в диапазоне 2,36–2,46 В/элемент). Величина тока за-
ряда максимально возможная с учетом токовых характеристик зарядного
устройства и аккумулятора. На второй ступени заряд производится при
поддержании постоянного напряжения на уровне U
(ток при этом плав-
max
но снижается). Заряд считают завершенным, когда ток и плотность элек-
тролита остаются постоянными в течение 1–2 ч. Заряд этим методом так-
же обеспечивает минимальное газовыделение и высокий коэффициент ис-
пользования тока.
Вне зависимости от метода заряда батарее сообщается перезаряд
от 10–15 % (для новой батареи) до 25 % и более (для изношенной бата-
реи) [7].
113
Неисправности и их устранение
Повышение саморазряда свинцового аккумулятора (более 1 % в сут-
ки) может происходить по разным причинам. Одной из них является вы-
сокое содержание примесей в электролите (хлор, железо, медь и др.).
Примеси могут быть внесены с электролитом или активной массой на
производстве или при доливке неочищенной воды. Удаление вредных
примесей из электролита не представляется возможным, поэтому его ре-
комендуется поменять целиком после глубокого разряда аккумулятора.
Нужно учесть, что значительная часть электролита находится в порах
электродов и сепараторов, поэтому необходимо несколько раз промыть
блоки электродов дистиллированной водой.
Другой причиной увеличения саморазряда являются возросшие токи
утечки вследствие загрязнения поверхности батарей. Для устранения неис-
правности нужно удалить загрязнение. Проливы электролита должны
нейтрализоваться кальцинированной содой или 10%-м раствором аммиака.
Хранение батарей при повышенной температуре приводит к ускоре-
нию реакций саморазряда, поэтому при выводе аккумуляторов из эксплуа-
тации на длительный срок необходимо соблюдать условия их хранения,
рекомендованные производителем.
Повышение саморазряда может быть следствием коротких замыка-
ний электродов через сепаратор или через боковые кромки пластин.
Устранение коротких замыканий производится только заменой сепарато-
ра, механическим удалением перемычек с кромок пластин и удалением
шлама.
Так как электролит принимает участие в токообразующей реакции, то
в процессе эксплуатации его уровень постоянно изменяется. Разряды,
снижение температуры и «выкипание» электролита при перезарядах сни-
жают его уровень. Это может привести к оголению верхних кромок пла-
стин, что ускорит процесс их необратимой сульфатации. По этой причине
необходимо регулярно корректировать уровень электролита дистиллиро-
ванной водой.
114
В процессе эксплуатации аккумуляторов в составе батареи (при по-
следовательном соединении) иногда бывают случаи переполюсовки от-
дельных (отстающих) аккумуляторов. Появление таких аккумуляторов
в батарее может быть вызвано не выявленным браком на производстве,
ускоренным саморазрядом или ускоренной деградацией аккумулятора.
При разряде батареи эти аккумуляторы разряжаются быстрее, их напря-
жение снижается до нуля, а затем они начинают заряжаться под действием
разрядного тока других аккумуляторов, что приводит к смене полярности
электродов на противоположную. Во избежание подобных случаев прово-
дятся выравнивающие заряды всей батареи либо заряд отдельных отста-
ющих элементов [7].
Необратимая сульфатация отрицательных электродов
Необратимая сульфатация отрицательных электродов – это процесс
рекристаллизации сульфата свинца PbSO4 с образованием сплошного слоя
крупнокристаллического, слаборастворимого сульфатного осадка. Ем-
кость электродов при этом резко снижается, а ее восстановление значи-
тельно затрудняется [12].
Причинами необратимой сульфатации являются длительное хранение
аккумулятора в разряженном состоянии, систематические недозаряды
и глубокие разряды аккумулятора, загрязнение электролита.
В качестве признаков появления необратимой сульфатации электродов
можно отметить снижение плотности электролита заряженного аккумулято-
ра, увеличение напряжения при заряде и внутреннего сопротивления.
Одним из методов устранения необратимой сульфатации является
замена электролита на дистиллированную воду и заряд малыми токами.
По версии авторов статьи [14], необратимая сульфатация вызвана ад-
сорбцией на поверхности сульфата свинца органических примесей. По-
этому для устранения сульфатации предлагается проведение заряда боль-
шими токами с целью десорбции (удаления) органических веществ с по-
верхности сульфата свинца.
115
Существует метод устранения сульфатации, при котором аккумуля-
( )
2
Cd + 2OH Cd OH + 2e
−
↔
(
)
2
2
NiOOH + H O + e OH + OH
−
↔
тор заряжается током сложной формы с чередованием импульсов тока
большой амплитуды, пауз и тока малой амплитуды.
Еще одним способом устранения необратимой сульфатации электро-
дов является метод заряда аккумулятора с чередованием импульсов заря-
да, пауз и импульсов разряда. При этом амплитуды и длительности токо-
вых импульсов подобраны так, что среднее значение количества электри-
чества, переданного аккумулятору, имеет положительный знак [7].
2.4.2. Никель-кадмиевые аккумуляторы и батареи
Никель-кадмиевые (НК) аккумуляторы и батареи применяются как
стартерные батареи в железнодорожном, морском и авиатранспорте, как
тяговые батареи электропогрузчиков, электротележек, электротягачей,
рудничных электровозов. Герметичные НК-аккумуляторы применяются
в космической, военной, бытовой технике и в носимых устройствах.
Отрицательный электрод выполнен из кадмия. Реакция, протекающая
на нем, описывается следующим уравнением (разряд – слева направо):
В качестве положительного электрода применяется оксидно-нике-
левый, основная реакция на котором описывается уравнением (разряд –
слева направо)
В качестве электролита НК-аккумуляторов применяется гидроксид
калия KOH. Такой электролит имеет сравнительно низкую температуру
замерзания, и его применение расширяет рабочий диапазон аккумулято-
ров в область отрицательных температур. Однако применение такого
116
электролита при повышенных температурах ускоряет деградацию оксид-
( ) ( )
2
22
2NiOOH + 2H O + Cd 2 OH + Cd OH↔
но-никелевого электрода. Для аккумуляторов, эксплуатируемых при по-
вышенной температуре, применяют составной электролит – раствор гид-
роксида калия KOH с добавкой гидроксида лития LiOH. Кроме того, до-
бавка гидроксида лития увеличивает перенапряжение выделения кислоро-
да, который начинает выделяться при достижении определенной зарядной
емкости. Таким образом, добавка увеличивает степень заряда аккумулято-
ра, достигаемую до начала выделения кислорода, и, как следствие, увели-
чивает эффективность заряда в целом [15].
Общая реакция НК-аккумулятора описывается уравнением (разряд –
слева направо)
Конструкции герметичных НК-аккумуляторов
Герметичные аккумуляторы производятся в металлических корпусах
трех разновидностей: цилиндрические, призматические и дисковые.
Широко известны аккумуляторы в цилиндрических корпусах. Трех-
слойная лента, состоящая из положительного и отрицательного электро-
дов и сепаратора между ними, свернута в рулон. Этот рулон вставляется
в цилиндрический корпус и закрывается герметизирующей крышкой с про-
кладкой (рис. 65). Крышка имеет предохранительный клапан, срабатыва-
ющий в случае превышения внутреннего давления аккумулятора.
При сборке призматических аккумуляторов положительные, отрица-
тельные электроды и сепаратор между ними собирают в блок (рис. 66),
который вставляется в корпус. Корпус выполняется из металла или пласт-
массы и закрывается герметизирующей крышкой с клапаном или датчи-
ком давления [7].
117
Рис. 65. Конструкция цилиндрического аккумулятора:
1 – корпус; 2 – крышка; 3 – колпачок клапана; 4 – клапан; 5 – коллектор
положительного электрода; 6 – изоляционное кольцо; 7 – отрицательный электрод;
8 – сепаратор; 9 – положительный электрод; 10 – изолятор
Рис. 66. Конструкция призматического аккумулятора:
1 – корпус; 2 – крышка; 3 – колпачок клапана; 4 – клапан;
5 – изоляционная прокладка; 6 – коллектор положительного электрода;
7 – отрицательный электрод; 8 – сепаратор; 9 – положительный электрод
118
Дисковые аккумуляторы имеют буртиковую и безбуртиковую кон-
струкции. За счет большего внутреннего объема аккумуляторы безбурти-
ковой конструкции имеют емкость на 20–30 % выше при тех же габарит-
ных размерах. Кроме того, изготавливают дисковые аккумуляторы оваль-
ной формы, которая позволяет эффективнее использовать объем призма-
тических корпусов (например, при сборке в батарею). Дисковые аккуму-
ляторы состоят из одной или двух пар положительных и отрицательных
электродов, которые располагаются параллельно крышке корпуса.
Эксплуатационные особенности НК-аккумуляторов
Саморазряд НК-аккумуляторов меньше, чем у свинцовых, что позво-
ляет применять их в малообслуживаемых объектах. Однако он увеличива-
ется с ростом температуры. Так, согласно [7], за 100 суток хранения при
0 °С саморазряд НК-аккумулятора составляет 10 % емкости, при 20 °С –
15 % емкости, а при 40 °С – 40 % (рис. 67).
Рис. 67. Зависимость потери емкости при саморазряде НК-аккумулятора
от температуры окружающей среды (при отключенной нагрузке)
Срок службы НК-аккумуляторов зависит от режима эксплуатации.
При циклировании срок службы определяется глубиной разряда. По дан-
ным [7], при глубине разряда 100 % срок службы приближается к десят-
119
кам циклов, тогда как при глубине разряда 70 % – срок службы достигает
1000 циклов, а при глубине 50 % – 2000 циклов (рис. 68).
Рис. 68. Зависимость срока службы НК-аккумулятора
от глубины разряда при циклировании
При работе в буферном режиме срок службы зависит от механиче-
ских и токовых нагрузок, температуры. В целом этот режим наиболее бла-
гоприятен для эксплуатации НК-аккумуляторов, о чем свидетельствует
срок службы 10–30 лет.
Зависимость срока службы от температуры можно выразить следую-
щим правилом: повышение температуры на каждые 10 °С сверх 25 °С
снижает срок службы НК-аккумулятора на 20 %.
Чтобы НК-аккумулятор при разряде отдал номинальную емкость,
необходимо при заряде передать ему емкость на 10–40 % выше номиналь-
ной. Большая часть энергии перезаряда расходуется на электролиз воды,
что приводит к снижению уровня электролита [7, с. 431].
Разрядная емкость НК-аккумулятора зависит от температуры слож-
ным образом. Так, согласно [7, с. 432] при температуре минус 20 °C акку-
мулятор отдает, в зависимости от конструкции аккумулятора, 80–50 %
номинальной емкости, при температуре плюс 30 °C аккумулятор отдает
100 % емкости (иногда даже чуть больше), а при плюс 50 °C – может от-
дать 95–60 % емкости (рис. 69).
120