Выравнивание заряда в свинцово-кислотном аккумуляторе
Цель уравнительного заряда — довести напряжение заряда свинцово-кислотной батареи до уровня газообразования, чтобы весь неконвертированный сульфат свинца был заряжен до свинца и диоксида свинца, соответственно, в NAM и PAM.
Уравнительный заряд: Уравнительные батареи
Правильное обслуживание свинцово-кислотных батарей помогает увеличить срок их службы. Выравнивание заряда является одним из наиболее важных аспектов этой процедуры технического обслуживания.
Определение уравнительного сбора
Для батарей такого типа цель выравнивающего заряда — довести напряжение заряда батареи 12 В до уровня газообразования, чтобы весь неконвертированный сульфат свинца был заряжен до свинца и диоксида свинца, соответственно, в NAM и PAM. При свободном и обильном газовыделении все незаряженные сульфат-ионы переходят в электролит и повышают плотность кислоты.
Винал в своей классической книге приводит зависимость между напряжением на элементах и уровнем газообразования.
Уровни загазованности и напряжения на элементах при заряде залитых элементов
(Кредиты: Винал, Г.В., Аккумуляторные батареи, Джон Уайли и Сыновья, Нью-Йорк, 1954, стр. 262)
| Напряжение ячейки (В) | Уровень газообразования | Состав выделяемых газов H 2 Процент | Состав выделяемых газов O 2 Процент |
|---|---|---|---|
| 2.2 | Отсутствие газообразования | - | - |
| 2.3 | Немного | 52 | 47 |
| 2.4 | Нормальный | 60 | 38 |
| 2.5 | Копирование | 67 | 33 |
Аналогично, батареи, не заряженные должным образом на заводе, требуют дополнительного выравнивающего заряда. Об этом может свидетельствовать увеличение удельного веса электролита в течение нескольких месяцев после ввода в эксплуатацию батареи, например, инверторной батареи. Обычно перед отправкой значение удельного веса составляет 1,240. При достижении этого значения некоторые производители прекращают зарядку и считают, что батарея полностью заряжена.
На самом деле, если бы они продолжили начальный заряд дальше, они могли бы увидеть значительное увеличение удельного веса. Этот аспект начальной зарядки указывает на наличие незаряженного сульфата свинца в пластинах. Это количество сульфата свинца помогло увеличить удельный вес электролита в процессе дальнейшей зарядки.
Как помогает уравнительный заряд?
Выравнивающий заряд помогает реализовать расчетный срок службы батареи, предотвращая преждевременный выход из строя из-за недостаточного заряда. Батарея, регулярно получающая выравнивающий заряд, будет жить дольше, чем та, которая его не получает. Это особенно актуально для батарей вилочных погрузчиков, автомобильных и инверторных батарей. Мы видели, что выравнивающий заряд батареи вилочного погрузчика обеспечивает лучшую работу батареи вилочного погрузчика. Продление срока службы батареи с помощью управления выравниванием заряда — это признанный способ повышения производительности батареи.
В некоторых странах батареи ИБП и стационарных источников питания не испытывают отключения электричества даже на несколько минут в год. В таких ситуациях производители батарей советуют потребителю отключить электросеть на несколько минут. Это позволит избежать «пассивации поплавка».
Что такое уравнительный заряд для батареи
Все аспекты, рассмотренные выше, применимы и к батареям VR. Единственное отличие заключается в том, что напряжение зарядки для уравнительного заряда ниже. Во время выравнивающего заряда батареи должны быть заряжены не более чем до 14,4 В (для батареи 12 В). Показатели газообразования составляют:
Уровни загазованности и напряжения поплавков ячеек при заряде ячеек с вентильным регулированием
Уравнительное напряжение заряда
| Напряжение ячейки (В) | Уровень газообразования | Эффективность рекомбинации (%) | Скорость газообразования * | Относительная скорость газообразования |
|---|---|---|---|---|
| 2,25 - 2,3 | Незначительное газообразование | ~ 99.87 | ~ 0.0185 | ~ 1 |
| 2.4 | Некоторое газообразование | ~ 99.74 | ~ 0.037 | ~ 2 |
| 2.5 | Газификация | ~ 97.4 | ~ 0.37 | ~ 20 |
*cc/ч/Ач/элемент от: Кредиты: C&D Technologies : Технический бюллетень 41-6739, 2012.).1 кубический фут = 28317 куб. см (= (12*2,54)3 = 28316,85)
Выравнивание заряда - Чем батареи VRLA отличаются от залитых свинцово-кислотных батарей?
Основная химия двух версий свинцово-кислотных батарей одинакова. Реакции разряда похожи, но реакции заряда отличаются промежуточными этапами.
Газы (водород и кислород), выделяющиеся к концу заряда в залитой свинцово-кислотной батарее, отводятся наружу. Газообразный кислород, выделяющийся на положительной пластине ячеек VR, легко переходит на отрицательную пластину и окисляет свинец из-за более высоких коэффициентов диффузии в газовой среде. Это быстрая реакция в клетках VR. Такое движение газов невозможно в затопленных клетках из-за более низких коэффициентов диффузии. Условия, схожие с затопленными ячейками, будут возникать и в ячейках VR, если AGM полностью насыщен, а реакция рекомбинации кислорода начнется только тогда, когда начнет развиваться состояние голодного электролита из-за электролиза воды и потери части воды.
В ячейке с вентильным регулированием выделение водорода тормозится из-за образования сульфата свинца во время заряда. Этот сульфат свинца повышает потенциал отрицательной пластины до более положительных значений, так что выделение водорода сильно снижается. Специальные сплавы также используются в отрицательной сетке, которая будет иметь более высокое водородное перенапряжение.
Уравнительный заряд: Конструктивно батареи VRLA имеют следующие отличия:
- В батареях VRLA объем электролита меньше. Это намеренно поддерживается, поскольку должен быть проход для кислорода, выделяющегося из PAM, для контакта с NAM через ненасыщенные поры в сепараторе из абсорбирующего стекломата (AGM). Чтобы компенсировать уменьшение объема электролита, в батареях VR используется кислота более высокой плотности. Это также компенсирует сокращение возможностей низких ставок.
В батарее VRLA элементы сильно сжаты. Этот аспект играет самую важную роль в увеличении срока службы батарей. Сжатие стенок тарелки-сепаратора-контейнера является неотъемлемой частью конструкции. Это обеспечивает хорошую диффузию электролита между пластинами и сепаратором. Срок службы также увеличивается благодаря уменьшению положительного активного расширения материала и связанной с этим потери емкости.
- Батареи VRLA имеют односторонний клапан для повторной герметизации в каждом элементе или может быть общий клапан для нескольких элементов (особенно в элементах малой емкости). Этот многофункциональный клапан работает следующим образом:
i. Предотвращает случайное попадание атмосферного воздуха (кислорода).
ii. Помогает в переносе кислорода под давлением от ПАМ к НАМ
iii. Предотвращает взрыв в случае чрезмерного повышения давления внутри батареи из-за неаккуратной зарядки или неисправности зарядного устройства.
- Правильное функционирование батарей VRLA зависит от внутреннего кислородного цикла, который, в свою очередь, зависит от герметичности конструкции: уплотнения между крышкой и крышкой и уплотнения между кастрюлей и крышкой. Внутренний цикл кислорода помогает уменьшить выделение водорода и, таким образом, снижает потерю воды.
Внутренний кислородный цикл
Во время зарядки батареи VRLA:
На положительной пластине выделяется газ O2 и образуются протоны и электроны.
2H2O → 4H+ + O2 ↑ + 4e- ……… Eq. 1
Газообразный кислород, ионы водорода и электроны, образующиеся в результате электролиза воды на положительной пластине, проходят через пустые поры, заполненные газом поры и каналы электролита в сепараторе AGM (или мелкие трещины в матрице гелеобразного электролита в случае гелевых батарей VR) и достигают отрицательных пластин. Этот газ соединяется со свинцом в NAM, образуя PbO, а восстановленный кислород соединяется с ионами водорода, образуя воду. Этот оксид химически соединяется с сульфат-ионами, образуя сульфат свинца
2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + тепло ……… Уравнение 2
——————————————————
Но, поскольку это процесс зарядки, полученный таким образом сульфат свинца снова должен быть преобразован в свинец; серная кислота образуется электрохимическим путем, вступая в реакцию с протонами (ионами водорода) и электронами, образующимися в результате разложения воды на положительных пластинах, когда они заряжены.
2PbSO4 + 4H+ + 4e- → 2Pb + 2H2SO4 ……… Уравнение 3
Когда NAM преобразуется в PbSO4 во время заряда, потенциал отрицательной пластины становится более положительным (как и в случае разряда). Это препятствует реакции выделения водорода. При этом образуется очень небольшое количество газообразного водорода, но односторонний клапан гарантирует, что давление внутри банки не достигнет опасного уровня, выпуская водород в атмосферу, тем самым защищая аккумулятор от вздутия и других дефектов.
Последняя реакция восстанавливает химический баланс клетки. Чистая сумма реакций (уравнение 1) — (уравнение 3) равна нулю, поэтому электрическая энергия, затраченная во время заряда, преобразуется в тепло, а не в химическую энергию [Ref R.F. Nelson, Proc. 4th Int Lead Acid Battery Seminar, 25-27 Apr 1990, San Francisco, USA, ILZRO, Inc.,1990, pp.31-60].
Важнейшим преимуществом VRLA-элемента является отсутствие необходимости добавления воды в качестве процедуры технического обслуживания. Следующим преимуществом является то, что в процессе работы он выделяет ничтожно малое количество газов из-за почти 100% рекомбинации при рекомендуемом напряжении плавающего тока 2,25-2,3 В на ячейку. Кроме того, нет никаких транспортных ограничений при перемещении этих батарей с места на место.
Первичные и перезаряжаемые батареи
Батарея определяется как электрохимическое устройство, которое может преобразовывать химическую энергию в электрическую посредством окислительно-восстановительных реакций и таким образом действовать как электрохимический источник энергии. Но это не вечный источник энергии. Батарея будет подавать энергию только до тех пор, пока в ней не будет достаточно активных материалов для поддержания реакций, вырабатывающих энергию. Как только уровень напряжения батареи достигает определенного нижнего уровня, определяемого химическим составом системы, реакции должны быть обратными, т.е. батарея должна получить постоянный ток. Этот акт подачи постоянного тока в направлении, обратном направлению разряда, на разряженную батарею для обращения реакций разряда называется «зарядкой».
Это восстановит исходные активные материалы из продуктов разряда, а также повысит напряжение батареи до более высоких значений, опять же определяемых химическим составом системы. Это утверждение применимо к батареям, которые называются вторичными или аккумуляторными батареями. Это не относится к первичным элементам, таким как те, что используются в электрических фонарях и наручных часах. Снижение напряжения батареи во время разряда происходит из-за истощения активных материалов и ряда других причин.
Независимая единица батареи называется «ячейка». Батарея представляет собой комбинацию двух или более элементов, соединенных различными способами для достижения заданного напряжения и емкости или общего количества кВт/ч. Чаще всего моноблочные батареи используются в автомобилях и свинцово-кислотных батареях малой емкости с клапанным регулированием(VRLA) и трубчатых батареях (до 12 В/200 Ач); сверх этой емкости отдельные элементы используются для получения требуемых номиналов кВт/ч путем их последовательного или последовательно-параллельного соединения.
Свинцово-кислотная батарея номиналом 48 В/1500 Ач (или 72 кВтч) может иметь 24 номера элементов емкостью 2 В/1500 Ач, соединенных простым последовательным способом, или 48 элементов емкостью 2 В/750 Ач, соединенных последовательно-параллельным способом. Это 24 элемента, соединенные последовательно, для создания батареи 48В/750Ач (или 36 кВтч). Еще одна такая батарея 48В/750 будет подключена параллельно первой, чтобы получилась батарея 48В/1500 Ач (72 кВтч).
Другой пример — литий-ионная (Li-ion) батарея электромобиля (EV):
В зависимости от размера батарейного блока производитель электромобилей Tesla использует около 6000-8000 элементов на блок, каждый из которых имеет напряжение 3,6 В/3,1-3,4 Ач для создания батарейного блока емкостью 70 или 90 кВтч.
В батарее Tesla EV емкостью 70 кВтч используется около 6000 элементов типа 18650 NCA 3,7 В/3,4 Ач, соединенных в сложную последовательно-параллельную схему. Запас хода на одной зарядке составляет 325 км. (Здесь цифра 18650 относится к определенному типу литий-ионных элементов, имеющих приблизительные размеры: длина (или высота) 65 мм и диаметр 18 мм. Термин «NCA» означает материал катода, используемый в этой ячейке, например, N = никель, C = кобальт и A = алюминий, то есть никель-кобальт-алюминиевый оксидный материал катода).
Блок емкостью 90 кВт/ч состоит из 7616 ячеек в 16 модулях. Вес составляет 540 кг. Запас хода на одной зарядке составляет 426 км.
Компоненты аккумуляторного элемента:
Наиболее важными компонентами батареи являются:
a. Анод (отрицательная пластина)
b. Катод (положительная пластина)
c. Электролит (В свинцово-кислотном аккумуляторе электролит также является активным материалом, но не так в большинстве других систем)
Три вышеперечисленных компонента называются активными компонентами
Конечно, есть и неактивные компоненты, такие как
a. Банка
b. Текущие коллекторные решетки
c. Шина или соединительные ремни
d. Сепараторы
e. Межэлементные соединители
f. Клеммные стойки и т.д.
В свинцово-кислотном аккумуляторе электролит (разбавленная серная кислота) действительно участвует в реакции выработки энергии, как видно из приведенной ниже реакции элемента. Серная кислота расходуется на преобразование диоксида свинца и свинца в сульфат свинца, поэтому плотность электролита уменьшается по мере протекания реакции разряда. Напротив, когда ячейка заряжена, плотность электролита повышается по мере протекания реакции заряда. Причина в том, что ионы сульфата, поглощенные обоими активными материалами во время разряда, высвобождаются в электролите, поэтому плотность электролита увеличивается.
Реакции разряда и заряда
Реакции гальванического элемента или батареи специфичны для системы или химического состава:
Например, свинцово-кислотный элемент:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 Разряд ↔ Заряд 2PbSO4 + 2H2O E° = 2,04 В
В никель-кадмиевом элементе
Cd + 2NiOOH + 2H2O Разряд ↔ Заряд Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 E° = 1,32 В
В ячейке Zn-Cl2:
Zn + Cl2 Разряд ↔ Заряд ZnCl2 E° = 2,12 В
В клетке Даниеля (Это первичная клетка; здесь обратите внимание на отсутствие обратимых стрелок)
Zn + Cu2+ Разряд ↔ Заряд Zn2+ + Cu(s) E° = 1,1 В
Выравнивание напряжения заряда: подробнее о зарядке аккумулятора
Как описано выше, аккумуляторная батарея не является многолетним источником энергии. После того, как он исчерпал свой ресурс, его необходимо перезарядить, чтобы снова получить от него энергию. Предполагается, что батареи будут служить определенный срок, называемый ожидаемой продолжительностью жизни. Для достижения расчетного срока службы и надежности аккумуляторные батареи необходимо правильно заряжать и обслуживать в соответствии с инструкциями, предоставленными производителями. Для достижения максимально возможного срока службы батареи следует использовать правильные методы зарядки.
Реакции в свинцово-кислотном элементе:
Во время разряда: PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O
Разряд будет продолжаться только до тех пор, пока в ячейке не будет определенного количества проводящих материалов; после этого скорость падения напряжения будет настолько быстрой, что конечное напряжение будет достигнуто очень скоро. Поэтому существует так называемое напряжение отсечки или конечное напряжение, выше которого разряд не должен продолжаться. Дальнейшая разрядка затруднит перезарядку и может привести к неожиданным катастрофическим результатам.
Аккумуляторы следует заряжать сразу после разряда в соответствии с нормами, рекомендованными производителем, или согласно прилагаемой им инструкции.
Что происходит во время реакций разряда и заряда внутри клетки?
Электролит: 2H2SO4 = 2H+ + 2HSO4‾
Отрицательная пластина: Pb° = Pb2+ HSO4 + 2e
Pb2+ + HSO4‾ = PbSO4 ↓ + H+
⇑ ⇓
Положительная пластина: PbO2 = Pb4+ + 2O2-
Pb4+ + 2e = Pb2+
Pb2++ 3H+ + HSO4‾ +2O2- =PbSO4 ¯↓+ 2H2O
Серная кислота, будучи сильным электролитом, диссоциирует в виде ионов водорода и бисульфат-ионов (также называемых сульфат-ионами водорода).
При начале разряда пористый свинец в отрицательной пластине окисляется до ионов свинца (Pb2+) и, поскольку он всегда находится в контакте с серной кислотой электролита, превращается в сульфат свинца (PbSO4); последний осаждается в виде белого материала на порах, поверхности и трещинах отрицательных пластин. Первая реакция (свинец превращается в ионы свинца) является электрохимической по своей природе, а вторая (ионы свинца превращаются в сульфат свинца) — химической.
Мы говорим, что свинец растворяется в виде ионов свинца вблизи места реакции и сразу же осаждается в виде сульфата свинца после соединения с бисульфат-ионами из электролита на отрицательно активном материале (ОАМ). Такой тип реакции в электрохимии называется механизмом растворения-осаждения или растворения-осаждения.
Аналогично, положительный активный материал (PAM) объединяется с электронами, поступающими из NAM, и превращается в ионы свинца, которые объединяются с бисульфат-ионами из электролита и осаждаются в виде сульфата свинца на положительном активном материале, следуя тому же механизму растворения-осаждения.
Во время перезарядки: 2PbSO4 + 2H2O Заряд→ PbO2 + Pb + 2H2SO4
Продукты реакции, полученные во время разряда на положительной и отрицательной пластинах, преобразуются обратно в исходные материалы во время заряда. Здесь реакции имеют обозначения, обратные обозначениям разряда. Положительная пластина подвергается окислению, а пластина противоположной полярности — восстановлению.
Уравнительный заряд: Когда полный заряд завершен
Считается, что батареи завершили нормальную перезарядку, если выполнены следующие условия:
| Параметр | Затопленная свинцово-кислотная батарея | Свинцово-кислотная батарея с вентильным регулированием (VRLA) |
|---|---|---|
| Напряжение и ток зарядки | Здесь предполагается заряд постоянным током: напряжение батареи в конце заряда должно быть постоянным для определенного тока. Значение может быть 16,2 - 16,5 В для батареи 12 В. | При постоянном напряжении (например, 13,8-14,4 В для 12-вольтовой батареи) ток должен быть постоянным в течение как минимум двух часов. |
| Удельный вес электролита | Удельный вес электролита также должен достигать постоянного значения. Это значение будет зависеть от полностью заряженной батареи, когда она была поставлена производителем. | Удельный вес электролита не может быть измерен. |
| Характер газообразования | Равномерное и обильное газообразование на обеих пластинах. Объем выделяющихся газов будет 1:2, как в воде, т.е. 2 объема водорода на 1 объем кислорода. | При уровнях зарядного напряжения, рекомендованных для VRLAB, наблюдается незначительное газовыделение. При плавающем заряде от 2,25 до 2,3 вольт на ячейку (Vpc) выделение газа не наблюдается. При напряжении 2,3 В пк батарея VRLAB на 12 В 100 Ач может выделять от 8 до 11 мл/ч/12 В. Но при 2,4 В п.п. он почти удваивается, 18-21 мл/ч/12В батареи. (i. pbq Батареи VRLA, январь, 2010. ii. C&D Technologies: Технический бюллетень 41-6739, 2012). |
Уравнительный заряд: что такое уравнительный заряд для батареи
- Только что собранная свинцово-кислотная батарея требует первоначальной заправки и первоначальной зарядки.
- Разряженная батарея требует обычной подзарядки.
- Батареи, подключенные к приборам и оборудованию, обычно заряжаются не полностью, то есть не достигают напряжения полного заряда > 16 В для 12-вольтовой батареи. Например, при использовании SLI в автомобилях (запуск, освещение и зажигание) максимальное напряжение, которого может достичь батарея, составляет около 14,4 В для батареи 12 В. Аналогично, напряжение зарядки батарей инверторов/ИБП не выходит за пределы 13,8-14,4 В. В таких приложениях процесс накопления неконвертированного сульфата свинца как в положительных, так и в отрицательных пластинах продолжается по мере увеличения срока службы батареи.
Причина в том, что указанных выше значений напряжений недостаточно для восстановления всех разряженных продуктов до исходных активных материалов. Такие батареи требуют периодической подзарядки, чтобы довести заряд всех элементов до полного и одинакового уровня. Это также поможет устранить эффект расслоения электролита. Такая дополнительная плата за оборудование называется платой за работу или уравнительной платой.
Выводы по уравнительной плате:
Уравнительный заряд является частью процедуры технического обслуживания. Максимальное напряжение, при котором может осуществляться выравнивающий заряд, зависит от типа свинцово-кислотной батареи, будь то залитый тип или тип VRLA. Элементы первого типа можно заряжать постоянным током до напряжения 16,5 В для 12-вольтовой батареи, чтобы привести все элементы в батарее к одному уровню.
Однако элементы VRLA должны заряжаться только методом постоянного напряжения, и это напряжение не должно превышать рекомендуемое максимальное напряжение 14,4 В для 12-вольтовой батареи. Там, где нет возможности зарядки постоянным напряжением, батареи VRLA можно заряжать постоянным током с постоянным контролем напряжения на клеммах (TV) батареи. Всякий раз, когда напряжение телевизора приближается к уровню 14,4 В или превышает его, зарядный ток следует постоянно уменьшать, чтобы не допустить превышения напряжения 14,4 В.
