납축전지의 균등 충전
균등 충전의 목적은 NAM 및 PAM에서 변환되지 않은 모든 황산 납이 각각 납 및 이산화 납으로 충전되도록 납산 배터리의 충전 전압을 가스 발생 수준으로 만드는 것입니다.
이퀄라이징 충전: 이퀄라이징 배터리
납축전지의 적절한 관리는 배터리 수명을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 균등 충전은 이 유지 관리 절차의 가장 중요한 측면 중 하나입니다.
균등화 전하 정의
이러한 유형의 배터리의 경우 균등 충전의 의도는 12V 배터리의 충전 전압을 가스 발생 수준으로 가져와 NAM 및 PAM에서 변환되지 않은 모든 황산 납이 각각 납 및 이산화 납으로 충전되도록 하는 것입니다. 자유롭고 풍부한 가스 발생이 있을 때, 전하를 띠지 않은 모든 황산염 이온은 전해질로 들어가 산 밀도를 높입니다.
그의 고전 책에서 Vinal은 세포의 전압과 가스 발생 수준의 관계를 제공합니다.
범람 된 셀 충전 시 가스 발생 수준 및 셀 전압
(제공: Vinal, GW, Storage Batteries, John Wiley & Sons, New York, 1954, 262페이지)
| 셀 전압(V) | 가스 발생 수준 | 방출된 기체의 조성 H 2 퍼센트 | 방출된 가스의 구성 O 2 퍼센트 |
|---|---|---|---|
| 2.2 | 가스 발생 없음 | - | - |
| 2.3 | 근소한 | 52 | 47 |
| 2.4 | 정상 | 60 | 38 |
| 2.5 | 풍부한 | 67 | 33 |
마찬가지로, 배터리가 공장에서 제대로 초기 충전되지 않은 경우 추가 균등 충전 이 필요합니다. 이는 인버터 배터리와 같이 배터리를 시운전한 후 몇 개월 이내에 전해질의 비중이 증가하는 것으로 입증될 수 있습니다. 일반적으로 비중 값은 배송 전 1.240입니다. 이 값에 도달하면 일부 제조업체에서는 충전을 중지하고 배터리가 완전히 충전된 것으로 간주합니다.
사실 초기 충전을 더 계속했다면 비중이 크게 상승하는 것을 볼 수 있었을 것이다. 초기 충전의 이러한 측면은 플레이트에 충전되지 않은 황산납이 존재함을 나타냅니다. 이 양의 황산납은 추가 충전 과정에서 전해질의 비중을 높이는 데 도움이 되었습니다.
균등 충전은 어떻게 도움이 됩니까?
균등 충전 은 배터리의 설계 수명을 실현하는 데 도움이 되며 충전 부족으로 인한 조기 고장을 방지합니다. 정기적으로 균등 충전을 받는 배터리는 그렇지 않은 것보다 더 오래갑니다. 이는 지게차 배터리, 자동차 배터리 및 인버터 배터리의 경우 특히 그렇습니다. 우리는 균등 충전 지게차 배터리 를 제공하는 것이 지게차 배터리의 더 나은 성능을 보장 하는 것을 보았습니다. 충전 균등화 제어를 통한 배터리 수명 연장은 더 나은 배터리 성능을 위한 확립된 방법입니다.
일부 국가에서는 UPS 및 고정 전원 공급 장치 배터리가 1년에 몇 분이라도 정전을 경험하지 않습니다. 이러한 상황에서 배터리 제조업체는 소비자에게 몇 분 동안 주전원을 끄라고 조언합니다. 이렇게 하면 “플로트 패시베이션”이 방지됩니다.
배터리의 균등 충전이란 무엇입니까?
위에서 논의한 모든 측면은 VR 배터리에도 적용됩니다. 유일한 차이점은 균등 충전을 위한 충전 전압이 더 낮다는 것입니다. 배터리는 균등 충전 동안 14.4V(12V 배터리의 경우) 이하로 충전되어야 합니다. 가스 발생률은 다음과 같습니다.
밸브 조절 셀 충전 시 가스 발생 수준 및 셀 부동 전압
충전 전압 균등화
| 셀 전압(V) | 가스 발생 수준 | 재조합 효율(%) | 가스 발생률 * | 상대 가스 발생률 |
|---|---|---|---|---|
| 2.25 ~ 2.3 | 무시할 수 있는 가스 발생 | ~ 99.87 | ~ 0.0185 | ~ 1 |
| 2.4 | 약간의 가스 발생 | ~ 99.74 | ~ 0.037 | ~ 2 |
| 2.5 | 가스 처리 | ~ 97.4 | ~ 0.37 | ~ 20 |
*cc/h/Ah/cell 출처: 크레딧: C&D Technologies : Technical Bulletin 41-6739, 2012.). 1입방피트 = 28317cc(= (12*2.54) 3 = 28316.85)
균등 충전 - VRLA 배터리는 만액 납축 배터리와 어떻게 다릅니까?
두 버전의 납축전지의 기본 화학은 동일합니다. 방전 반응은 유사하지만 충전 반응은 중간 단계에서 다릅니다.
침수된 납축전지에서 충전이 거의 끝나갈 무렵 방출된 가스(수소 및 산소)는 배출됩니다. VR 셀의 양극판에서 발생된 산소 가스는 기체 매질에서 더 높은 확산 계수로 인해 음극판으로 쉽게 이동하여 납을 산화시킵니다. 이것은 VR 세포에서 빠른 반응입니다. 이러한 가스 이동은 확산 계수가 낮기 때문에 범람된 셀에서 불가능합니다. AGM이 완전히 포화된 경우에도 VR 전지에서 범람된 전지와 유사한 조건이 발생하고 물 전기분해 및 일부 물 손실로 인해 결핍된 전해질 조건이 발생하기 시작할 때만 산소 재결합 반응이 시작됩니다.
밸브 조절형 전지에서 수소 발생은 충전 중 황산 납의 형성에 의해 억제됩니다. 이 황산납은 음극판의 전위를 더 긍정적인 값으로 가져오므로 수소 발생이 매우 감소합니다. 특수 합금은 또한 더 높은 수소 과전압을 갖는 음극 그리드에 사용됩니다.
균등 충전: 건설형 VRLA 배터리에는 다음과 같은 차이점이 있습니다.
- VRLA 배터리에서는 전해질 양이 적습니다. 이것은 PAM에서 방출된 산소가 AGM(흡수 유리 매트) 분리기의 불포화 기공을 통해 NAM과 접촉하는 통로가 있어야 하기 때문에 의도적으로 유지됩니다. 감소된 전해질 부피를 보상하기 위해 VR 배터리에는 고밀도 산이 사용됩니다. 이것은 또한 감소된 낮은 요율 용량을 보상할 것입니다.
요소는 VRLA 배터리에서 고도로 압축됩니다. 이 측면은 배터리의 수명을 연장하는 데 가장 중요한 역할을 합니다. 판-분리기-용기 벽 압축은 설계의 필수적인 부분입니다. 이것은 플레이트와 분리기 사이의 우수한 전해질 확산을 보장합니다. 또한 양극 활물질 팽창의 감소와 그에 따른 용량 손실로 인해 수명이 증가합니다.
- VRLA 배터리는 각 셀에 단방향 재밀봉 밸브가 있거나 몇 개의 셀(특히 소용량 셀)에 공통 밸브가 있을 수 있습니다. 이 다기능 밸브는 다음과 같은 방식으로 작동합니다.
나. 대기(산소)의 우발적인 유입을 방지합니다.
ii. PAM에서 NAM으로 압력 보조 산소 수송을 돕습니다.
iii. 과충전 또는 충전기의 오작동으로 인한 배터리 내부의 과도한 압력 발생 시 폭발을 방지합니다.
- VRLA 배터리의 적절한 기능은 내부 산소 순환에 따라 달라지며, 이는 차례로 누출 방지 구조에 따라 달라집니다. 즉, 밀봉을 덮는 뚜껑과 밀봉을 덮는 냄비가 있습니다. 내부 산소 순환은 수소 발생을 줄여 수분 손실을 줄이는 데 도움이 됩니다.
내부 산소 순환
VRLA 배터리 충전 중:
양극판에서는 O2 가스가 발생하고 양성자와 전자가 생성됩니다.
2H2O → 4H + + O2 ↑ + 4e- ……… 식. 1
산소 가스, 수소 이온 및 전자는 양극판에서 물이 전기분해되어 AGM 분리기의 빈 구멍, 가스로 채워진 구멍 및 전해질 채널(또는 겔화 전해질 매트릭스의 미세한 균열)을 통과합니다. 겔화된 VR 배터리) 및 음극판에 도달합니다. 이 가스는 NAM의 납과 결합하여 PbO가 되고 환원된 산소는 수소 이온과 결합하여 물을 형성합니다. 이 산화물은 황산염 이온과 화학적 으로 결합하여 황산 납을 형성합니다.
2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H 2 SO 4 → 2PbSO 4 + 2H 2 O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H 2 SO 4 → 2PbSO 4 + 2H 2 O + 열 …… Eq. 2
—————————————————–
그러나 이것은 충전 과정이기 때문에 이렇게 생성된 황산 납은 다시 납으로 전환되어야 합니다. 황산은 전하를 띠는 양극판에서 물이 분해되어 생기는 양성자(수소이온) 및 전자와 반응하여 전기화학적 경로에 의해 생성됩니다.
2PbSO 4 + 4H + + 4e − → 2Pb + 2H 2 SO 4 ……… 식. 삼
NAM이 충전 중에 PbSO 4 로 변환되면 음극판의 전위가 더 플러스가 됩니다(방전의 경우와 같이). 이것은 수소 발생 반응을 방해하는 데 도움이 됩니다. 매우 적은 양의 수소 가스가 생성되지만 단방향 밸브는 수소를 대기로 배출하여 용기 내부의 압력이 위험한 수준에 도달하지 않도록 하여 배터리가 부풀어 오르거나 기타 결함이 생기는 것을 방지합니다.
마지막 반응은 세포의 화학적 균형을 회복시킵니다. 반응(Eq 1)에서 (Eq 3)의 순 합이 0이면 충전 중에 소비된 전기 에너지가 화학 에너지가 아닌 열로 변환됩니다[Ref RF Nelson, Proc. 제4회 Int Lead Acid Battery Seminar, 1990년 4월 25-27일, 미국 샌프란시스코, ILZRO, Inc., 1990, pp.31-60].
VRLA 셀의 가장 중요한 이점은 유지 관리 절차로 물을 추가할 필요가 없다는 것입니다. 다음 장점은 셀당 2.25~2.3V의 권장 부동 전압에서 거의 100% 재결합으로 인해 작동 과정에서 무시할 수 있는 양의 가스가 발생한다는 것입니다. 또한 이러한 배터리를 장소에서 이동하는 데 운송 제한이 없습니다.
기본 및 충전식 배터리
배터리는 산화 환원 반응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 전기 화학 소자로 정의되어 전기 화학 전원 역할을 합니다. 그러나 영구적인 힘의 원천은 아닙니다. 배터리는 에너지 생성 반응을 지속하기에 충분한 활성 물질이 있을 때까지만 전원을 공급합니다. 일단 배터리의 전압 레벨이 시스템의 화학적 성질에 의해 정의된 더 낮은 레벨에 도달하면, 반응은 역전되어야 합니다. 즉, 배터리는 직류를 받아야 합니다. 방전된 배터리에 방전된 배터리에 역방향의 직류 전류를 공급하여 방전 반응을 역전시키는 이러한 행위를 “충전”이라고 합니다.
이것은 방전 생성물로부터 원래의 활성 물질을 재생하고 또한 시스템의 화학적 성질에 의해 다시 정의된 더 높은 값으로 배터리 전압을 증가시킬 것입니다. 이 설명은 2차 전지 또는 축전지라고 하는 전지에 적용됩니다. 전기 토치 및 손목시계에 사용되는 것과 같은 1차 전지와 관련이 없습니다. 방전 중 배터리 전압의 저하는 활물질의 고갈 및 기타 여러 이유로 인해 발생합니다.
48V/1500Ah(또는 72kWh) 정격의 납축전지는 24개의 2V/1500Ah 용량 셀을 단순한 직렬 방식으로 연결하거나 48개의 2V/750Ah 용량 셀을 직렬 병렬 방식으로 연결할 수 있습니다. 즉 24개의 셀을 직렬로 연결하여 48V/750Ah(또는 36kWh) 배터리를 만듭니다. 이러한 또 다른 48V/750 배터리는 첫 번째 배터리와 병렬로 연결되어 48V/1500Ah(72kWh) 배터리가 됩니다.
리튬 이온(Li-ion) 전기 자동차(EV) 배터리의 또 다른 예:
배터리 팩 크기에 따라 EV 제조업체 Tesla는 팩당 약 6,000-8,000개의 셀을 사용하며, 각 셀은 70 또는 90kWh 배터리 팩을 구축하는 데 3.6V/3.1-3.4Ah 용량입니다.
70kWh Tesla EV 배터리는 복잡한 직렬 병렬 배열로 연결된 3.7V/3.4Ah의 유형 18650 NCA 셀의 약 6000개 셀을 사용합니다. 1회 충전 주행거리는 325km다. (여기서 그림 18650은 길이(또는 높이)가 65mm이고 직경이 18mm인 특정 유형의 리튬 이온 전지를 나타냅니다. “NCA”라는 용어는 이 전지에 사용된 캐소드 재료를 나타냅니다. 예를 들어 N = 니켈, C = 코발트 및 A = 알루미늄, 즉 니켈-코발트-알루미늄 산화물 캐소드 재료)
90kWh 팩에는 16개 모듈에 7,616개의 셀이 있습니다. 무게는 540kg입니다. 1회 충전 주행거리는 426km다.
배터리 셀의 구성 요소:
배터리의 가장 중요한 구성 요소는 다음과 같습니다.
ㅏ. 양극(음극판)
비. 음극(양극)
씨. 전해질(납축전지에서 전해질도 활물질이지만 대부분의 다른 시스템에서는 그렇지 않음)
위의 세 가지를 활성 구성 요소라고 합니다.
물론 다음과 같은 비활성 구성 요소가 있습니다.
ㅏ. 항아리
비. 전류 수집 그리드
씨. 버스 바 또는 커넥터 스트랩
디. 구분자
이자형. 셀 간 커넥터
에프. 터미널 포스트 등
납축전지에서 전해질(희석황산)은 아래 주어진 전지 반응에서 볼 수 있듯이 에너지 생성 반응에 참여합니다. 황산은 이산화납과 납을 황산납으로 전환시키기 위해 소모되므로 방전 반응이 진행됨에 따라 전해질의 밀도가 감소합니다. 반대로 셀이 충전되면 충전 반응이 진행되면서 전해질의 밀도가 높아진다. 그 이유는 방전 시 두 활물질에 흡수된 황산염 이온이 전해질에서 방출되어 전해질의 밀도가 증가하기 때문입니다.
방전 및 충전 반응
갈바니 전지 또는 배터리의 반응은 시스템 또는 화학에 따라 다릅니다.
예를 들어, 납산 셀:
Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 방전 ↔ 충전 2PbSO 4 + 2H 2 O E° = 2.04 V
Ni-Cd 전지에서
Cd + 2NiOOH + 2H 2 O 방전 ↔ 충전 Cd(OH) 2 + 2Ni(OH) 2 E° = 1.32 V
Zn-Cl 2 전지에서:
Zn + Cl 2 방전 ↔ ZnCl 2 충전 E° = 2.12 V
다니엘 셀에서(이것은 기본 셀입니다. 여기에서 뒤집을 수 있는 화살표가 없음에 유의하십시오.)
Zn + Cu 2+ 방전 ↔ 충전 Zn 2+ + Cu(s) E° = 1.1 V
충전 전압 균등화: 배터리 충전에 대한 추가 정보
위에서 설명한 것처럼 축전지는 영구적인 전원이 아닙니다. 한 번 소모되면 다시 전원을 공급받기 위해 재충전해야 합니다. 배터리는 기대 수명이라고 하는 특정 수명을 제공할 것으로 예상됩니다. 설계된 수명과 신뢰성을 얻으려면 축전지를 제조업체에서 제공한 지침에 따라 적절하게 충전하고 유지 관리해야 합니다. 배터리의 가능한 최대 수명을 얻으려면 적절한 충전 방법을 사용해야 합니다.
납산 셀의 반응:
방전 시 : PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O
방전은 특정 양의 전도 물질이 전지에 있을 때까지만 진행됩니다. 그 후 전압 강하 속도가 너무 빨라서 최종 전압에 곧 도달하게 됩니다. 그래서 방전을 계속해서는 안 되는 컷오프 전압 또는 종료 전압이라고 하는 것이 있습니다. 추가 방전은 재충전을 어렵게 만들고 예상치 못한 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다.
배터리는 방전 직후 제조업체가 권장하는 속도로 또는 배터리에서 제공한 지침에 따라 충전해야 합니다.
셀 내부의 방전 및 충전 반응 동안 어떤 일이 발생합니까?
전해질: 2H 2 SO 4 = 2H + + 2HSO 4‾
네거티브 플레이트: Pb° = Pb 2+ HSO 4 + 2e
Pb 2+ + H2SO 4‾ = PbSO 4 ↓ + H +
⇑ ⇓
양극판: PbO 2 = Pb 4+ + 2O 2-
납 4+ + 2e = 납 2+
Pb 2+ + 3H + + HSO 4‾ +2O 2- = PbSO 4 ¯ ↓+ 2H 2 O
황산은 강한 전해질이므로 수소 이온과 중황산 이온(황산수소 이온이라고도 함)으로 해리됩니다.
방전이 시작되면 음극판의 다공성 납은 납 이온(Pb2+)으로 산화되고 항상 전해질 황산과 접촉하기 때문에 황산 납(PbSO4)으로 전환됩니다. 후자는 네거티브 플레이트의 기공, 표면 및 균열에 흰색 물질로 침착됩니다. 전자의 반응(납이 납 이온이 됨)은 본질적으로 전기화학적이고 후자(납 이온이 납 황산이 됨)는 화학 반응입니다.
우리는 납이 반응 부위 부근에서 납 이온으로 용해되고 음극 활성 물질(NAM) 상의 전해질로부터의 바이설페이트 이온과 결합한 후 즉시 황산 납으로 침착된다고 말합니다. 이러한 유형의 반응을 전기화학 에서 용해-증착 또는 용해-침전 메커니즘이라고 합니다.
유사하게, 양극 활성 물질(PAM)은 NAM에서 오는 전자와 결합하여 납 이온이 되며, 이는 전해질의 바이설페이트 이온과 결합하고 동일한 용해-침착 메커니즘에 따라 양극 활성 물질에 황산 납으로 침착됩니다.
충전 중: 2PbSO4 + 2H2O 충전 → PbO2 + Pb + 2H2SO4
양극 및 음극 판에서 방전 중에 얻은 반응 생성물은 충전 중에 원래 물질로 다시 변환됩니다. 여기에서 반응은 방전의 반응과 반대로 지정됩니다. 양극판은 산화되고 반대 극성판은 환원됩니다.
균등 충전: 완전 충전은 언제 완료됩니까?
배터리는 다음 조건이 충족되는 경우 정상적인 충전이 완료된 것으로 간주됩니다.
| 매개변수 | 침수된 납축전지 | 밸브 조절형 납축전지(VRLA) |
|---|---|---|
| 충전 전압 및 전류 | 여기에서는 정전류 충전이 가정됩니다. 충전이 끝날 때 배터리의 전압은 특정 전류에 대해 일정해야 합니다. 값은 aa 12v 배터리의 경우 16.2 ~ 16.5v일 수 있습니다. | 일정한 인가 전압(12v 배터리의 경우 13.8v ~ 14.4v)의 경우 전류는 최소 2시간 동안 일정해야 합니다. |
| 전해질의 비중 | 전해질의 비중도 일정한 값에 도달해야 합니다. 이 값은 제조업체에서 제공했을 때 완전히 충전된 배터리에 따라 달라집니다. | 전해질의 비중은 측정할 수 없습니다. |
| 가스 발생의 성질 | 두 판 모두에서 균일하고 풍부한 가스 발생. 방출된 기체의 부피는 물에서와 같이 1:2, 즉 산소 1부피에 대해 수소 2부피가 됩니다. | VRLAB에 권장되는 충전 전압 수준에서 무시할 수 있는 가스 발생이 관찰됩니다. 셀당 2.25~2.3볼트(Vpc) 부동 충전에서는 가스 발생이 관찰되지 않습니다. 2.3Vpc에서 12V 100Ah VRLAB는 8~11ml/h/12V 배터리를 방출할 수 있습니다. 그러나 2.4Vpc에서는 18~21ml/h/12V 배터리의 거의 두 배입니다. (i. pbq VRLA 배터리, 2010년 1월. ii. C&D Technologies: Technical Bulletin 41-6739, 2012.) |
이퀄라이징 충전: 배터리의 이퀄라이징 충전이란 무엇입니까?
- 새로 조립된 납축전지는 초기 충전과 초기 충전이 필요합니다.
- 방전된 배터리는 정상적인 재충전이 필요합니다.
- 기기 및 장비에 연결된 배터리는 일반적으로 완전히 충전되지 않습니다.> 12V 배터리의 경우 16V입니다. 예를 들어, 자동차의 (시동, 조명 및 점화) SLI 애플리케이션에서 배터리가 도달할 수 있는 최대 전압은 12V 배터리의 경우 약 14.4V입니다. 유사하게, 인버터/UPS 배터리의 충전 전압은 13.8V에서 14.4V를 넘지 않습니다. 이러한 애플리케이션에서 양극 및 음극 모두에 전환되지 않은 황산 납이 축적되는 과정은 배터리 수명이 증가함에 따라 계속 증가합니다.
그 이유는 위에서 언급한 전압 값이 방전된 모든 제품을 원래의 활물질로 되돌리기에 충분하지 않기 때문입니다. 이러한 배터리는 모든 셀을 동일한 수준으로 완전히 충전하기 위해 주기적으로 재충전해야 합니다. 이것은 또한 전해질의 성층화 효과를 제거하는 데 도움이 될 것입니다. 이러한 추가 기기 충전을 벤치 충전 또는 균등 충전이라고 합니다.
균등 충전에 대한 결론:
균등 충전 은 유지 관리 절차의 일부입니다. 등화 충전 을 수행할 수 있는 최대 전압은 만액형이든 VRLA형이든 납축전지의 유형에 따라 다릅니다. 전자의 유형의 셀은 12V 배터리의 경우 16.5V의 전압으로 정전류에서 충전되어 배터리의 모든 셀을 동일한 수준으로 가져올 수 있습니다.
그러나 VRLA 셀은 정전압 방식으로만 충전해야 하며 이 인가된 전압은 12V 배터리의 권장 최대 전압인 14.4V를 초과해서는 안 됩니다. 정전압 충전 기능을 사용할 수 없는 경우 배터리의 단자 전압(TV)을 지속적으로 모니터링하여 VRLA 배터리를 정전류로 충전할 수 있습니다. TV가 14.4V 레벨에 근접하거나 초과할 때마다 TV가 14.4V를 초과하지 않도록 충전 전류를 지속적으로 줄여야 합니다.
