Аккумуляторные батареи. Виды, особенности, устройство, применение

АКБ или аккумуляторные батареи – это оборудование, которое состоит из нескольких аккумуляторов. Оно может накапливать, хранить и расходовать энергию. Благодаря обратимости химических процессов, происходящих внутри аккумулятора, такие устройства могут заряжаться и разряжаться многократно.

Сфера применения аккумуляторов и АКБ весьма обширна. Они применяются в автомобилях и различной бытовой технике, например, в пультах ДУ и ноутбуках. Но также и в качестве резервных источников питания в медицинской сфере, производстве, космической отрасли, дата-центрах.

Виды и типы АКБ

Сегодня производят около 30 типов аккумуляторов. Такое большое количество обуславливается возможностью применять в качестве электродов и электролитов различные химические элементы. Именно от материала электрода и состава электролита зависят все характеристики аккумулятора.

Мы не будем приводить все типы, а лишь дадим небольшую таблицу с описанием наиболее распространенных;

Аккумуляторные батареи: устройство

1 — Отрицательный электрод
2 — Разделительный слой
3 — Положительные электроды
4 — Отрицательный контакт
5 — Предохранительный клапан
6 — Положительные электроды
7 — Положительный контакт

Аккумуляторные батареи состоят из нескольких банок аккумуляторов, соединенных либо параллельно, либо последовательно. Последовательное соединение применяют в целях увеличения напряжения, а параллельное для увеличения силы тока.

Каждый из отдельно взятого аккумулятора в АКБ состоит из двух электродов и электролита, помещенных в корпус из специального материала.

Электрод с отрицательным зарядом – анод, с положительным зарядом – катод. Анод содержит восстановитель, катод – окислитель. Внутри корпуса аккумулятора стоит разделительная пластина, которая не позволяет электродам замыкаться.

Электролит – водный раствор, в который погружены оба электрода.

При разрядке аккумулятора восстановитель анода начинает окисляться и выделяются электроны. Электроны затем попадают в электролит и оттуда движутся к катоду, при этом создавая разрядный ток. Попадая в катод электроны восстанавливают его окислитель. Простыми словами можно описать процесс так: электроны идут от отрицательного электрода к положительному и создают разрядный ток.

При зарядке аккумулятора электроды меняются своим химическим составом и происходит обратная реакция. Электроны здесь двигаются от положительного анода к отрицательному катоду.

Особенности разных типов АКБ

Рассмотрим особенности двух наиболее популярных типов аккумуляторных батарей:

Свинцово-кислотные аккумуляторы.

Разработан Гастоном Планте в 19 веке. Эти аккумуляторные батареи сегодня наиболее актуальны благодаря дешевизне и универсальности. Сфера их применения обширна ввиду большого количества разновидностей этого типа. В качестве отрицательно заряженных электродов здесь используется оксид свинца. Положительные электроды выполняются из свинца. Электролит – серная кислота.

У свинцовых-кислотных батарей есть следующие разновидности:

• LA – аккумуляторы с напряжением 6 или 12 Вольт. Традиционное устройство для осуществления запуска двигателей автомобилей. Требуют постоянного обслуживания и вентиляции.
• VRLA – напряжением 2, 4, 6 или 12 Вольт. Клапанно-регулируемая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. Как видно из названия этот АКБ укомплектован разгрузочным клапаном. Его роль – минимизировать выделение газа и расход воды. Такие батареи можно устанавливать в жилых помещениях.
• AGM VRLA – как и предыдущий тип оснащен клапаном, но имеет совсем другие свойства. В аккумуляторах, сделанных по технологии AGM роль сепаратора играет стекловолокно. Его микропоры пропитаны жидким электролитом. Такие АКБ не требуют обслуживания и устойчивы к вибрациям.
• GEL VRLA – подвид свинцово-кислотных аккумуляторов с гелеобразным электролитом. Благодаря этому увеличен их ресурс заряда/разряда. Не требуют обслуживания.
• OPzV – герметичные аккумуляторы используемые в области телекоммуникации и для аварийного освещения. Электролит, как и в предыдущем случае гелевый. В электродах содержится кальций, благодаря которому срок службы такого типа батарей – 20 лет.
• OPzS – катод таких аккумуляторов имеет трубчатую структуру. Это существенно повышает циклический ресурс этого типа батарей. Служит также около 20 лет. Выпускается в виде АКБ с напряжением от 2 до 125 В.

 Литий-ионные аккумуляторы.

Был впервые выпущен Sony в 1991 году и с тех пор активно применяется в бытовой технике, электронных устройствах. Практически все мобильные телефоны, ноутбуки, фотоаппараты и видеокамеры оснащены таким видом батарей. Роль катода здесь играет литий-ферро-фосфатная пластина. Отрицательный анод – каменноугольный кокс. Положительный ион лития переносит заряд в таких батареях. Он может проникать в кристаллическую решетку других материй и образовывать с ними химическую связь. Преимуществом этого типа является высокая энергоемкость, низкий саморазряд и отсутствие нужды в обслуживании.

Литий-ионные батареи также, как и их свинцовые аналоги имеют большое количество подтипов. В данном случае подтипы отличаются между собой составом катода и анода. Напряжение литий-ионных аккумуляторов варьируется в пределах от 2,4 до 3,7 В.

Одним из самых известных подтипов является литий-полимерный тип АКБ. Он появился сравнительно недавно и быстро завоевал популярность. Она обусловлена тем, что в литий-полимерных батареях используется твердый полимерный электролит. Это позволяет создавать батареи любой формы. При этом стоимость этих батарей всего лишь на 15% выше обычных литий-ионных.

Похожие темы:

 

electrosam.ru

типы аккумуляторных батарей и их особенности

Одной из важнейших составляющих электрического оборудования и техники любого типа является аккумуляторная батарея, или, проще говоря, аккумулятор. Существуют различные виды аккумуляторов, и в данной статье речь пойдет обо всех типах таких приспособлений.

Самый первый АКБ был создан более полутора столетий назад во Франции ученым Гастоном Планте. С каждой последующими попытками усовершенствования устройства становились все лучше, однако принцип их функционирования и строение остались неизменны. Сейчас же существуют самые разнообразные типы аккумуляторов: Li-Ion, Ni-MH, Ni-Cd и многие другие. Они имеют примерно одинаковый принцип работы, но у каждого — свои особенности. Стоит рассказать обо всех этих разновидностях по порядку.

Устройства с пониженным содержанием сурьмы

Пожалуй, стоит начать описание с одного из самых часто применяемых видов аккумуляторов. АКБ с содержанием менее 5% сурьмы избавили от необходимости частого добавления дистиллированной воды. Хотя это не делает аккумуляторы данного типа необслуживаемыми из-за имеющихся расходов жидкости.

Также они обладают крайне малой степенью саморазряда батареи и переносимости электрических характеристик автомобильной бортовой сети, в отличие от своих более новых аналогов.

Сурьмянистые аккумуляторы

Данный вид аккумуляторных батарей признан устаревшим. Ему на замену пришли более современные и усовершенствованные типы АКБ с пониженным содержанием сурьмы. Однако до сих пор аккумуляторы данного вида служат по своему назначению в стационарных токовых источниках с неприхотливыми батареями.

Кальциевые альтернативы

Кальциевые АКБ хороши тем, что они уменьшают интенсивность электролиза и снижают уровень электролита. Помимо этого, кальций, заменивший сурьму, увеличил напряжение, нужное для начала осуществления электролиза, что уменьшило критичность последствий перезаряда.

Но не стоит забывать, что, как и все существующие типы аккумуляторных батарей, кальциевые АКБ обладают своими слабыми сторонами. Главный минус — повышенная чувствительность к мощному разряду ведет к резкому падению емкости.

Щелочные АКБ

Щелочными батареями называют такие устройства, в которых электролитом выступает щелочь, а не кислота. Устройства такого вида встречаются в автомобилях далеко не часто, однако они могут выступать в качестве аккумуляторов, например, для шуруповертов.

Одним из таких приспособлений является Ni-Cd аккумулятор — по факту его признали устаревшим, тем не менее он еще может встать наравне со своими более новыми конкурентами за счет дешевизны. Однако так называемый «эффект памяти» и повышенный саморазряд делают применение Ni-Cd устройства весьма проблематичным.

Его никель-металл-гидридный конкурент, разумеется, выше по цене, но при этом по качеству он существенно лучше. По сравнению с Ni-Cd аналогами, «эффект памяти» у них выражается в меньшей степени, хотя он все же присутствует. Также увеличенная вместимость и пониженный саморазряд вполне объясняют высокую цену.

Литий-ионная альтернатива

Пожалуй, из всех существующих видов аккумуляторов для автомобилей и не только самым лучшим можно назвать Li-ion. Он стоит значительно дороже своих Ni-MH и Ni-Cd аналогов. Это можно объяснить тем, что аккумуляторы с ионами лития не имеют тех недостатков, которыми обладают рассмотренные ранее модели. Хотя приспособления такого вида, равно как и все существующие устройства, все же не лишены своих слабых сторон, причем действительно существенных.

Среди главных уязвимостей можно выделить:

• чрезмерную чувствительность к низким температурам, из-за чего уменьшается ток, отправляемый li-ion батареей;
• уменьшение вместимости с каждым годом;
• литий-ионные приспособления не выдерживают тотальной разрядки и зарядки до конца — в противном случае это оканчивается разрушением и даже взрывом прибора. Подробнее о том, как правильно заряжать Li-ion аккумуляторы →

Модели такого типа широко применимы в качестве зарядного устройства для мобильных устройств. В случае, если технологический прогресс дойдет до достаточного уровня, чтобы Li-Ion приспособления лишились своих уязвимостей, они сумеют встать на замену кислотным батареям.

Стоит также заметить, что в старых моделях литий-ионных аккумуляторов применялись разнообразные оксиды лития, в которых также содержался марганец либо кобальт. Однако в более новые модели эти элементы добавлять перестали, заменив их сплавами литий-ферро-фосфатов в связи с их дешевизной, уменьшенной токсичностью и более простой возможносттю переработки.

Литий-полимерные аккумуляторы

Литий-ионный полимерный аккумулятор, известный также как Li-Pol, LiPo, Li-polymer, представляет собой улучшенную версию стандартного литиевого аккумулятора и находит применение во многих видах техники. Электролитом здесь служит полимерный материал.

Такие типы литиевых аккумуляторов хороши тем, что обладают значительной энергетической плотностью на единицу объема и массы, пониженным саморазрядом, донельзя тонкими элементами (всего от 1 мм), возможностью гибкости, крайне несущественным перепадом напряжения в процессе разрядки, широким диапозоном температур, при которых устройство продолжит свою полноценную работу. И, ко всему прочему, LiPo не имеет эффекта памяти.

Хотя не стоит слепо полагать, что батареи такого плана на самом деле можно назвать полностью идеальными. Даже у Li-Pol есть свои изъяны. Один из самых существенных — опасность возгорания в случае перезарядки и избыточного потребления тепла. Недостатком представляется и сравнительно небольшое количество рабочих циклов — 800-900, а также старение аккумуляторов, даже если они лежат в стороне без надобности.

Наконец, даже сама зарядка весьма пагубно влияет на приспособление: если процесс зарядки уменьшает вместимость, то при глубоком заряде прибор можно смело отправлять в металлолом.

AGM и GEL-батареи

Гелевые батареи, как их часто называют, выступили как альтернативный вариант, безопасный в использовании. Проблему безопасности решили посредством перемещения электролита в связанное состояние, чтобы обеспечить уменьшение текучести.

Другими достоинствами GEL-батарей стали:

• пониженное осыпание активной массы пластин;
• пониженный саморазряд;
• переносимость к вибрации.

Их также можно наклонять практически под любым удобным углом, они могут храниться в течение достаточно продолжительного времени за счет медленного саморазряда, а переразряд не «смертелен» и не несет никакого ущерба технике в процессе.

А вот перезарядка устройства этого типа, наоборот, может крайне отрицательно повлиять на него. Поэтому AGM и GEL-батареи все же требуют очень аккуратного и бережного обращения.

К примеру:

• несмотря на то, что их можно класть чуть ли не как угодно, их нельзя держать перевернутыми;
• работа при пониженных температурах может резко снизить функциональность приборов;
• особых мер предосторожности требует особая чувствительность приспособлений к зарядке.

При надежном хранении устройства оно сможет прослужить до десяти лет.

Гибриды

Название говорит само за себя: гибридными считаются те батареи, в строение которых входят неодинаковые пластины, то есть выполненные из различных материалов. Стоит учесть, что положительно заряженные пластины включают в себя компоненты сурьмы (ее содержание в них не превышает 5%), в то время как отрицательно заряженные пластины имеют в составе кальциевые компоненты.

Новый, чуть ли не революционный метод изготовления аккумуляторных батарей смог привести к следующему:

• Во-первых, если сравнивать аккумуляторы с пониженным содержанием сурьмы, расход жидкости очевидно уменьшается.
• Во-вторых, батарея стала более устойчивой и выносливой к перепадам напряжения, даже в случаях интенсивной зарядки и тотальной разрядки.

Конечно, это вовсе не означает, что данные аккумуляторы можно считать полностью идеальными «без единого изъяна». Они не имеют никаких особых преимуществ над всеми вышеописанными устройствами. Но при этом по качеству характеристик их можно поставить прямо посередине этого ряда.

Никель-металл-гидрид

Никель-металл-гидриды, или Ni-MH, как их обозначают в сокращенном варианте, являются такими видами аккумуляторных батарей, где в качестве отрицательного иона выступает водородный металлогидридный электрод, калиевый гидроксид в качестве электролита, никелевый — в качестве положительного иона.

Существует немалое количество различных типов батарей Ni-MH. К примеру, есть батареи долгого хранения LSD NiMH, которым не страшен мороз и длительный срок хранения. Они функционируют и с повышенными токами разряда, не разрываясь и не приходя в негодность из-за чрезмерной нагрузки.

Поэтому, к примеру, никель-металл-гидриды размера АА могут быть применимы в различных видах мелкой техники. Так, АА с большим объемом емкости в 1500-3000 мА/ч можно поместить в музыкальный плеер, радиоуправляемые игрушки, фотоаппарат и многие другие приспособления, где будет произведена зарядка за относительно непродолжительное время.

Весьма хороши и АА-батареи с уменьшенным объемом вместимости — такие АА, где емкость составляет всего 300-1000 мА/ч. АА данного типа применимы в качестве обеспечения питанием неавтоматических фонариков, управляемых пультом ДУ игрушек, раций и электронных приспособлений со сбалансированным энергопотреблением.

Свинцово-кислотный аккумулятор

Свинцово-кислотная батарея стала первым изобретенным аккумулятором, увидевшим свет и нашедшим широкое применение в автомобилях и ряде других технических приборов.

Свое название приспособление получило за счет опущенных в воду и серную кислоту пластин из свинца, выполняющих роль электродов, хотя с течением времени водород в устройстве начинает теряться.

Популярность такие приспособления получили неслучайно, а благодаря очевидным достоинствам:

• отсутствие эффекта памяти;
• наличие необслуживаемых экземпляров;
• невысокая цена;
• несложная конструкция;
• надежная технология;
• пониженный авторазряд;
• потенциал увеличенной токоотдачи.

Хотя, несмотря на немалое количество достоинств, даже у этих моделей есть и свои слабые стороны:

• невозможность хранения разряженными;
• чрезмерная чувствительность к температурным изменениям, влияющая на продолжительность функциональности и жизни;
• ограниченность транспортов и дозволяемых целых циклов разряда;
• и, разумеется, самый очевидный изъян — пагубное влияние свинца на экологическую среду.

Никелево-железные аналоги

Дешевые и малообслуживаемые Ni-Fe, они же никелево-железные батареи, обладают никель оксидо-гидроксидами, используемые как положительные пластины. В роли отрицательных пластин выступают оксиды-гидроксиды феррума. Жидкий электролит представляется в виде разъедающего калия.

Стоит признать, что данный тип батарей весьма надежен благодаря выносливости к тотальным разрядам, частой перезарядке. В отличие от той же свинцово-кислотной альтернативы, такие аккумуляторы не выйдут из строя, будучи в недозаряженном состоянии.

batteryk.com

Что такое АКБ? Устройство автомобильного аккумулятора

Аккумуляторная батарея (АКБ)  –  составной элемент электрооборудования транспортного средства. Автомобильная аккумуляторная батарея позволяет осуществить пуск двигателя, а также обеспечивает подачу электричества в бортовую сеть.

Единая цепь электрических аккумуляторов представляет собой аккумуляторную батарею. АКБ состоит из нескольких таких блоков аккумуляторов. Аккумулятор — химический источник электрического тока. Особенностью данного источника является его многоразовое действие, что позволяет активно эксплуатировать батарею для запусков ДВС.

Аккумулятор служит для накопления электрической энергии, выступая автономным источником электропитания. В основу действия аккумулятора положена обратимость химических процессов, которые происходят внутри него. Именно эта особенность позволяет использовать устройство многократно и циклически (постоянный заряд и разряд). Разряженный аккумулятор заряжают методом пропускания электрического тока в таком направлении, которое противоположно направлению тока при разряде аккумулятора. АКБ в процессе работы мотора заряжается от генератора прямо в подкапотном пространстве автомобиля.

Аккумуляторная батарея имеет корпус. В данном корпусе расположены перегородки, разделяющие батарею на ячейки (банки). Аккумулятор на 12 вольт, который чаще всего устанавливается на легковых автомобилях, включает в себя 6 ячеек. В каждой банке имеются небольшие блоки, которые соединены друг с другом.

В отдельном блоке имеются положительные и отрицательные электроды. Указанные электроды представляют собой пластины (решетки), которые изготовлены из свинца (на примере свинцового аккумулятора). Данные пластины покрыты особым активным составом. Между пластинами с положительными и отрицательными полюсами также находится разделитель (сепаратор). Сепараторы изготовлены из материалов, которые не пропускают электрический ток.

Внутрь банок аккумулятора на завершающей стадии изготовления батареи заливается электролит. Электролитом называется смесь серной кислоты и воды. Далее АКБ заряжается путем подключения батареи к специальному зарядному устройству. Подача тока на аккумулятор приводит к повышению плотности электролита. Химические реакции в ячейках аккумулятора заставляют батарею накапливать электрическую энергию.

Автомобильный аккумулятор зачастую представляет собой свинцово-кислотную АКБ. Работает такая батарея на основе электрохимических реакций свинца и диоксида свинца, которые помещены в смесь серной кислоты и дистиллированной воды. Также встречаются гелевые, щелочные и гибридные автомобильные аккумуляторы, которые дополнительно делятся на обслуживаемые, малообслуживаемые и необслуживаемые.

Читайте также

krutimotor.ru

устройство, эксплуатация, принцип работы и схема

Автономные источники электроэнергии являются одними из самых полезных изобретений человечества. Что такое телефон или радио, в которых не установлены аккумуляторные батареи? Устройство многих приспособлений, а также условия их использования не всегда предусматривают наличие постоянного сетевого электропитания, поэтому такие источники электроэнергии позволяют с комфортом осуществлять свою деятельность практически в любой точке мира. После небольшого предисловия давайте приступим к статье.

Что такое аккумуляторная батарея?

В широком смысле под этим понятием подразумевают устройство, что при одних условиях использования может накапливать какой-либо вид энергии, а при других – расходовать, чтобы удовлетворить нужды человека.

Аккумуляторы аккумулируют электричество от внешнего источника питания, а потом отдают её подключенным потребителям, чтобы они смогли делать свою работу. Так, когда устройства работают, постоянно протекают химические реакции между электролитом и электродными пластинами. Кстати, подобная конструкция размещена в банках, из которых и формируются аккумуляторные батареи. Устройство данных конструкций предусматривает создание напряжения, как правило, 1,2-2 В, что весьма мало. Поэтому для увеличения показателей источников питания и применяются разные типы соединения.

Устройство данных источников питания предусматривает подключение к плюсу и минусу. Функционируют они следующим образом: когда к электродам подключается нагрузка (в качестве примера можно рассмотреть лампочку), то возникает замкнутая электрическая цепь. По ней начинает протекать ток разряда. Формируется он благодаря движению электронов, анионов и катионов. Более детальную информацию о том, что и как протекает, можно рассказать только на конкретном примере.

Допустим, что у нас есть аккумулятор, где положительный электрод – это окись никеля, в который был добавлен графит для повышения проводимости. Для отрицательной пластины применяли губчатый кадмий. Так вот, когда идёт разряд, то частицы активного кислорода выделяются и попадают в электролит. При этом от них отделяются части, которые идут как электричество (те же электроны). Затем частицы активного кислорода направляются в сторону отрицательных пластин, где они окисляют кадмий.

Функционирование аккумулятора при заряде

Необходимо отключить нагрузку на клеммах пластин. На них же подаётся, как правило, постоянное напряжение (но может быть и пульсирующее, зависит от случая), которое больше, чем величина батареи, что заряжается. Причем полярность должна быть одинаковой. То есть минусовые и плюсовые клеммы потребителя и источника обязаны совпадать. Учтите, что зарядное устройство обязательно должно обладать большей мощностью, чем есть в аккумуляторе, чтобы подавлять остатки энергии в нем и создавать электрический ток, направление которого будет противоположным разряду. В результате меняются и химические процессы, которые протекают в аккумуляторной батарее.

Давайте рассмотрим пример из предыдущего подпункта статьи. Здесь уже положительный электрод будет обогащаться кислородом, а на отрицательном восстановится чистый кадмий. Подводя итог, можно сказать, что во время заряда и разряда меняется только химический состав электродов. Это не относится к электролиту. Но он может испаряться, что негативно будет сказываться на времени работы батареи.

Итак, мы рассмотрели принцип работы любого аккумулятора. Теперь давайте узнаем, как во время эксплуатации можно улучшить их характеристики.

Параллельное соединение

Величина тока зависит от значительного количества факторов. В первую очередь под этим понимают конструкцию, применяемые материалы и их габариты. Чем большую площадь имеют электроды, тем большие показатели тока они смогут выдержать. Этот принцип используется для параллельного соединения однотипных банок в аккумуляторах. Такое делается, если необходимо увеличить значение тока, что идёт на нагрузку. Но вместе с этим приходится и поднимать мощность источника энергии.

Последовательное соединение

Если рассматривать банки, из которых состоят аккумуляторные батареи, то необходимо сказать, что они находятся, как правило, в одном корпусе. Подобный тип соединения используется, чтобы получить большие показатели напряжения с меньшими потерями.

Увидеть применение этой конструкции можно, разобрав автомобильные батареи, которые являются свинцово-кислотными. Стоит сказать, что этот тип применяется не только в устройстве автомобильного аккумулятора, это просто самый вероятный способ разобрать, как же работает подобный тип соединения. В таком случае необходимо позаботится о том, чтобы не было металлического контакта, а существовала надежная гальваническая связь через электролит. Но это только нужно понимать в отношении данного типа. В других случаях по-другому будет реализовываться поставленная задача соединения.

Типы аккумуляторных батарей

Они разнятся из-за своего предназначения, возможностей, реализации и материала. На данный момент современным производством освоен выпуск больше трех десятков типов, которые отличаются своим составом электродов, а также применяемым электролитом. Так, например, li-ion аккумуляторы могут похвастаться семейством из 12 известных моделей. Условно можно выделить следующие типы:

1. Свинцово-кислотные.
2. Литиевые.
3. Никель-кадмиевые.

Это самые популярные представители. Но для понимания возможностей предлагаем ознакомиться со списком материалов, которые могут выступать в качестве электродов:

• железо;
• свинец;
• титан;
• литий;
• кадмий;
• кобальт;
• никель;
• цинк;
• ванадий;
• серебро;
• алюминий;
• ряд других элементов, которые, впрочем, встречаются очень редко.

Использование разных материалов влияет на получаемые выходные характеристики и, следовательно, на сферу применения. Так, к примеру, li-ion аккумуляторы применяются в компьютерных и мобильных устройствах. Тогда как никель-кадмиевые используются в качестве замены стандартных гальванических элементов. Теоретически все типы аккумуляторных батарей могут работать с любой нагрузкой. Вопрос только в том, насколько оправданным является такое применение.

Основные характеристики

Мы уже рассмотрели, что такое аккумуляторные батареи, устройство этих конструкций, из чего их делают. Теперь давайте сосредоточимся на том, что влияет на их эксплуатацию. Важными для нас характеристиками являются:

1. Плотностью называют характеристику соотношения количества энергии к объему или весу аккумулятора.
2. Емкостью именуют значение максимального заряда аккумулятора, которое он может отдать во время процесса разряда, пока не будет достигнуто наименьшее напряжение. Данный показатель выражается в ампер-часах или кулонах. Также может указываться энергетическая емкость. Она измеряется в ватт-часах или джоулях. Задача такой емкости – сообщать о количестве энергии, что отдаётся во время разряда до достижения минимального допустимого напряжения.
3. Температурный режим оказывает влияние на электрические свойства аккумуляторной батареи. Когда есть серьезные отклонения от рекомендованного производителем диапазона эксплуатации, то существует высокая вероятность выхода источника питания из строя. Это объясняется тем, что холод и жара влияют на интенсивность протекания химических реакций, а также на внутреннее давление.
4. Саморазрядом именуют потери емкости, которые происходят после заряда батареи, когда отсутствует нагрузка на клеммах. Во многом этот показатель зависит от конструктивного исполнения и может увеличиваться, если нарушилась изоляция.

Вот такие характеристики аккумуляторных батарей и предоставляют для нас наибольший интерес. Конечно, если придётся делать что-то новое и эксклюзивное, ранее невиданное, то может понадобиться и что-то ещё. Но это весьма маловероятно.

Устройство электродов

В качестве примера мы возьмём свинцовые пластины. Хотя таковыми они были раньше. Современные пластины изготавливаются из свинцово-кальциевого сплава. Благодаря этому достигается низкий уровень саморазряда батареи (50% емкости теряется за 18 месяцев). Также это позволяет экономно расходовать воду (всего 1 грамм на ампер-час).

Можно встретить и гибридную конструкцию, где, кроме свинца, в положительный электрод добавляется сурьма, а в отрицательный – кальций. Правда, в таких случаях имеется повышенный расход воды. Чтобы повысить стойкость к коррозийным процессам, добавляют олово или серебро.

Электроды изготавливаются с решетчатой структурой, их покрывают слоем активной массы. Принцип работы аккумуляторной батареи в немалой степени зависит от того, какой материал используется для пластин. Мы рассматриваем свинцовые, которые просты для изучения, но ориентироваться на них всегда не рекомендуем.

Электролит

Рассматриваем все те же свинцово-кислотные батареи. В качестве электролита, в который они помещаются, чаще всего выступает серная кислота. Она обладает определённой плотностью, которая может меняться в зависимости от уровня заряда батареи. В данном случае действует принцип: чем больше, тем выше. Со временем электролит улетучивается, и емкость аккумуляторной батареи падает. На сроке службы сказываются особенности эксплуатации (соблюдение техники безопасности). В батареях электролит может быть двух типов:

• жидким;
• в виде пропитанного специального материала.

На данный момент наиболее распространён первый тип.

Эксплуатация аккумуляторных батарей

Использование аккумуляторов можно наблюдать практически везде. Вспомните свои мобильные телефоны или источники бесперебойного питания для компьютеров. В качестве примера можно привести и обычный фонарик (современные образцы всё чаще изготавливаются со встроенным аккумулятором и не рассчитаны на гальванические элементы). А автомобили? Системы «стоп-старт» и рекуперативного торможения работают от аккумуляторов, причем они выдвигают высокие требования к пусковому току, глубокому разряду и долговечности. Как видите, без этих источников питания сложно обойтись в современной жизни любому человеку.

Схема построения аккумуляторной батареи

Мы рассмотрели основную информацию о данных устройствах. Давайте ещё уделим внимание такому понятию, как схема аккумуляторной батареи. Ведь в рамках статьи по нему прошлись только вскользь. Аккумулятор современной схемы, согласно истории, был впервые создан французским физиком Гастоном Плантом. Площадь его творения превышала 10 квадратных метров! Современные батареи, по сути, являются просто значительно уменьшенными и немного доработанными копиями его аккумулятора. Видимым для человека элементом является только корпус. Он обеспечивает общность и целостность конструкции.

fb.ru

Аккумулятор. Виды и применение. Как выбрать. Плюсы и минусы

Аккумулятор — это многоразовый источник тока, который предназначен для накопления и хранения энергии. Его работа основана на обратимых окислительно-восстановительных реакциях, что дает возможность использовать батарею многократно. Для создания аккумуляторной батареи, несколько аккумуляторов соединяют в одну цепь.

Виды аккумуляторов

Для бытовых приборов и инструментов используется несколько типов аккумуляторных батарей, которые отличаются по используемым для их изготовления материалам.

Никель-кадмиевые (NiCd)

Этот аккумулятор выдерживать большое количество разрядов и зарядов, устойчив к низким температурам и у него большой допустимый ток разряда. Одними из основных его достоинств является низкая цена и большой срок службы. Недостатки указанного вида в том, что он быстро саморазряжается и имеет низкую плотность энергии.

Основным недостатком такого оборудования является «эффект памяти», что приводит к снижению полезной емкости при неполном разряде батареи. Для восстановления номинальной мощности, надо полностью разрядить, а потом снова зарядить это устройство. Чтобы увеличить срок службы такого оборудования, необходимо полностью его разряжать и только потом ставить на зарядку. Для заряда надо использовать только то устройство, которое шло в комплекте, либо таким, которое соответствует требованиям производителя батареи.

Никель-металлогидридные (NiMh)

Такие батареи появились позже, и они являются более перспективными. Сейчас они массово используются для разной бытовой техники, но для телефонов и ноутбуков применяются еще более прогрессивные виды.

Литий-ионные (LiIon)

Такой аккумулятор чаще всего используется для питания ноутбуков, фотоаппаратов и другой техники, но в современных телефонах он уже используюется редко, так как вытесняется более прогрессивным типом батарей. Их основной недостаток в высокой чувствительности к перезаряду, поэтому в устройствах, где используются такие батареи, обязательно устанавливают контроллер, который ограничивает заряд.

Литий-полимерные (LiPol)

Самые современные устройства, основным их отличием является то, что электролит гелеобразный, поэтому такие аккумуляторы могут быть очень тонкими. Они чаще всего применяются в мобильных телефонах, плеерах и другой технике, имеющей небольшие размеры. Так как такие батареи также чувствительны к перезаряду, использовать их в устройствах с неисправным контроллером заряда нельзя. Если нарушается герметичность также нельзя эксплуатировать такую батарею.

Устройство

Раньше аккумуляторные батареи для бытовой техники и телефонов по своему строению были точной копией тех, что используются в автомобилях. Современные технологии позволили разработать литий-ионные батареи, у которых катод покрыт алюминиевой, а анод медной фольгой. В литий-полимерных моделях в качестве банок используются мягкие пакеты, которые заполняются гелеобразным раствором лития в полимере.

Чтобы контролировать заряд, такая аккумуляторная батарея обязательно имеет устройство, которое выполнено в виде электронной платы. Вместо привычных двух контактов, такие батареи с платой телефона соединяются при помощи конвектора — многополюсного соединения.

Принцип работы

Независимо от типа, любой аккумулятор работает благодаря наличию разности напряжения между пластинами из металла, погруженными в электролит.

Химические процессы, происходящие в батарее, являются обратимыми, поэтому после ее разряжения, есть возможность при помощи заряда восстановить работоспособность. Во время заряда ток пропускают в противоположном направлении, которое будет при разряде аккумуляторной батареи.

Основной характеристикой является емкость, то есть величина заряда, которую полностью заряженная батарея может отдать при разряде до наименьшего допустимого значения. Для ее измерения обычно используются Ач.

Области применения

Аккумулятор используется в различных отраслях и имеет широкое применение. Аккумуляторные батареи применяют для освещения вагонов, питания различной апертуры на автомобилях, в мобильных телефонах, в бытовой технике и электронике.

Для того чтобы обезопасить компьютер и имеющуюся информацию при внезапном исчезновении питания, используются ИБП. Основным его элементом является АКБ. Первоначальный запуск любого автомобиля не возможет без заряженной аккумуляторной батареи.

Как выбрать аккумулятор

Рассмотрим особенности выбора АКБ для мобильного телефона. Сначала надо разобраться, какая батарея установлена в вашем телефоне, так как она может быть съемной или несъемной.

Если ее можно снять, то открывают заднюю крышку телефона и внимательно изучают характеристики батареи:

• Емкость.
• Модель.
• Напряжение.

При наличии и несъемной АКБ, ее данные можно узнать из паспорта телефона или на сайте производителя. Современный рынок предлагает оригинальные аккумуляторы, аналогичные и «ноунейм». На последний вариант лучше вообще не обращать внимания, так как такая батарея может не только вывести из строя телефон, а даже взорваться.

Между собой оригинальные и аналоговые изделия практически ничем не отличаются по своим характеристикам, но оригинальные батареи будут намного дороже. Учтите, что некоторые производители не делают оригинальные запчасти, поэтому в таком случае придется приобретать аналогичный источник питания.

Аккумулятор для автомобиля

В этом случае надо обращать внимание на такие характеристики как емкость, пусковой ток и габариты изделия. Важно, чтобы емкость и величина пускового тока не очень отличались от той аккумуляторной батареи, что была установлена на заводе-производителе, так как генератор и другое оборудование рассчитаны на определенные их значения.

Кроме описанных характеристик, обращают внимание на наличие дополнительных элементов: ручка для удобной транспортировки, защита клемм, наличие встроенного индикатора заряда.

Достоинства и недостатки

Рассмотрим, какие есть преимущества и недостатки у разных типов батарей.

Преимущества NiCd устройств:

• Быстрая зарядка, можно использовать ток, который равен и даже превышает емкость батареи, злоупотреблять часто большим зарядным током нельзя и если требуется быстрый заряд, то используют устройства, определяющие полный заряд батареи, после чего они должны отключаться.
• Могут давать в нагрузку ток большого значения.
• Если соблюдаются правила эксплуатации, то срок службы будет большим.
• Возможность восстановления при понижении емкости.
• Доступная стоимость.

Недостатки будут такие:

• Наличие «эффекта памяти».
• Высокий уровень саморазряда.
• Большой вес и размеры.
• Требуется специальная утилизация из-за наличия кадмия.

Особенности NiMh батарей:

• Больше плотность электроэнергии, поэтому они имеют меньший вес и размеры.
• Срок службы зависит от глубины разряда, чтобы батарея дольше служила, лучше ее эксплуатировать не с полным, а с поверхностным разрядом.
• Зарядка не может проводиться так быстро, как в предыдущем варианте.
• «Эффект памяти» выражен намного меньше.
• У них небольшое количество рабочих циклов.
• Высокий саморазряд, который достигает 30% в месяц.

LiIon батареи имеют следующие достоинства:

• Небольшой вес и размеры, достигается это за счет высокой плотности электроэнергии.
• Незначительный саморазряд.
• На протяжении всего срока службы не требуют никакого обслуживания.

Недостатки таких АКБ следующие:

• Высокая цена.
• Хранить такие батареи надо только заряженными.
• Даже если они не используются, происходит процесс старения, уже через два года, если ими не пользоваться, они обычно выходят из строя.

LiPol устройства являются самыми современными, но пока массово они не применяются, поэтому объективно оценить их преимущества и недостатки пока нельзя.

Если сравнивать их с другими типами, то в таких устройствах меньше рабочих циклов, и они рассчитаны на небольшой ток нагрузки. Технология их изготовления позволяет создавать тонкие и пластичные геометрические формы, что нехарактерно для других типов батарей. Как и у всего нового, стоимость таких батарей пока высокая.

Сейчас в электронных устройствах в основном используются NiMh и LiIon аккумуляторы. У первых будет больше срок службы при умеренных нагрузках и ниже стоимость, у вторых простое обслуживание и большой срок службы при интенсивных нагрузках. Никель-кадмиевые устройства уже практически не используются, а литий-полимерные только завоевывают рынок.

Похожие темы:

 

tehpribory.ru

Аккумуляторы для солнечных батарей: гелевые, свинцово-кислотные и др

Системы альтернативной энергетики все чаще используют при обеспечении жилых домов электричеством. Так как режимы генерации и потребления электроэнергии различаются, то необходимо обеспечит ее накопление для последующей отдачи.

Поэтому применяют специальные аккумуляторы для солнечных батарей и ветрогенераторов, которые предназначены для работы в циклах зарядки и разрядки.

Содержание статьи:

Аккумуляторы в системе бытовой гелеоэнергетики

Понимание способов и нюансов использования аккумуляторов при обеспечении объекта электроэнергией от солнечных батарей позволит осуществить правильный выбор устройств и обеспечит максимальный КПД системы. Поэтому необходимо знать о способах создания аккумуляторного массива (блока) и правила расчета основных характеристик.

Способ объединения устройств в единый массив

Жилые и промышленные объекты потребляют электрическую нагрузку, превышающую возможности одного аккумулятора. В том случае, если система солнечной энергетики рассчитана на большое количество электроприборов, необходимо создание массива аккумуляторных батарей по примеру подобного объединения солнечных панелей.

Подключение аккумуляторов в единый массив хранения электроэнергии можно выполнить параллельным, последовательным или смешанным способом. Выбор зависит от необходимых выходных показателей мощности и напряжения.

В зависимости от способа подключения аккумуляторов между собой можно добиться различных значений выходного напряжения, однако не следует создавать очень сложных схем во избежание образования уравнивающих током между устройствами в массиве

Аккумуляторные батареи размещают в доме или ином строении для обеспечения значения температуры окружающего воздуха в диапазоне от 10 до 25 градусов Цельсия выше нуля и предотвращения попадания на них воды. Это значительно продлевает срок службы устройств и уменьшает потери электроэнергии.

Современные технологии производства аккумуляторных батарей, предназначенных для размещения в жилых строениях, предусматривают повышенные меры экологической безопасности. Поэтому, предпринимать каких либо специальных мер по интенсивной вентиляции помещения нет необходимости. Однако располагать их в жилых комнатах все же не следует.

Так как аккумуляторы имеют значительный вес (прибор на 12 Вольт и 200 Ач весит около 70 кг), то их надо размещать на полу или прочных и надежно закрепленных стеллажах. Необходимо предотвратить вероятность падения аккумуляторов с высоты, так как в этом случае они выйдут из строя, а системы с жидким электролитом к тому же опасны для здоровья человека при их разгерметизации.

С увеличением длины силового кабеля возрастает электрическое сопротивление, что приводит к уменьшению КПД системы. Поэтому практикуют размещение аккумуляторов вплотную друг к другу, чтобы минимизировать общую протяженность проводов.

Стеллаж для аккумуляторных батарей должен выдерживать большой вес. Так, блок из восьми двухсотамперных аккумуляторов весит больше чем пол тонны

Особенности функционирования системы

При параллельном и комбинированном последовательно-параллельном соединении аккумуляторов в единый массив возможна разбалансировка устройств по уровню заряда. Это приводит к тому, что устройство будет функционировать не в полном цикле, а значит, его ресурс будет выработан быстрее.

Система получения электроэнергии от солнца всегда снабжена контролером, который управляет зарядом аккумулятора. В случае создания массива батарей дополнительно необходима установка выравнивающих заряд перемычек.

Во избежание проблем неравномерной зарядки и разрядки объединенных в единый массив аккумуляторов необходимо использовать устройства одной модели, а еще лучше – одной партии. Это правило актуально не только для систем солнечной энергетики.

Сейчас практически все жилье можно обеспечить приборами, работающими от сети в 12 или 24 Вольта, в том числе холодильниками, телевизорами и т.д. Однако разводка с таким напряжением по всему дому не имеет смысла, так как мощность тока будет очень велика. Следовательно, при реализации такой задумки необходим дорогой кабель с большим сечением жил и будут велики потери от электрического сопротивления.

Практически для всей бытовой техники существуют модели, работающие от 12-вольтовой сети постоянного тока. Если разводка электрического кабеля не слишком длинная, то можно использовать систему с низким напряжением

Поэтому в непосредственной близости от аккумуляторных батарей устанавливают инвертор – устройство для преобразования электрического напряжения.

Кроме того, реальное выходящее напряжение от аккумуляторного блока может несколько отличаться от заявленного. Так, полностью заряженные популярные для использования в комплекте с солнечными батареями гелевые аккумуляторы выдают напряжение 13-13,5 Вольта, поэтому инвертор выполняет функции стабилизатора.

Расчет необходимой емкости батарей

Емкость аккумуляторных батарей рассчитывают исходя из предполагаемого периода автономной работы без подзарядки и суммарной мощности потребления электроприборов. Среднюю по временному интервалу мощность электроприбора можно рассчитать следующим образом:

P = P₁ * (T₁ / T₂)

Где:

• P₁ – паспортная мощность прибора;
• T₁ – время работы прибора;
• T₂ – общее расчетное время.

Практически на всей территории России существуют длительные периоды, когда солнечные батареи не будут работать по причине плохой погоды. Устанавливать большие массивы аккумуляторов для их полной загруженности всего несколько раз в год нерентабельно. Поэтому, к выбору интервала времени в течение которого устройства будут работать только на разряд необходимо подойти исходя из среднестатистического значения.

Количество генерируемой солнечными панелями энергии зависит от плотности облаков. Если пасмурная погода в регионе не редкость, то недостаток входящей мощности необходимо учитывать при расчете объема аккумуляторного блока

Если планируют использовать накопленную энергию в течение суток, то лучше принять за расчет чуть больший интервал, такой как 30 часов. А в случае длительного периода, когда нет возможности использовать солнечные батареи, необходимо применить другую систему получения электроэнергии, основанную, например, на дизель- или газогенераторе.

Заряженный на 100% аккумулятор может до своей полной разрядки выдать мощность, которую можно рассчитать по формуле:

P = U x I

Где:

• U – напряжение;
• I – сила тока.

Так, один аккумулятор с параметрами напряжения 12 вольт и силы тока 200 ампер, может сгенерировать 2400 ватт (2,4 кВт). Для расчета суммарной мощности нескольких аккумуляторов, необходимо сложить значения, полученные для каждого из них.

В продаже есть аккумуляторы с большим показателем мощности, но они стоят дорого. Иногда намного дешевле приобрести несколько обыкновенных устройств в комплекте с соединительными кабелями

Полученный результат необходимо умножить на несколько понижающих коэффициентов:

• КПД инвертора. При правильном согласовании напряжения и мощности на входе в инвертор будет достигнуто максимальное значение от 0,92 до 0,96.
• КПД силовых кабелей. Минимизация длины проводов, соединяющих аккумуляторы и расстояния до инвертора необходима для снижения электрического сопротивления. На практике значение показателя составляет от 0,98 до 0,99.
• Минимально допустимое разряжение батарей. Для любого аккумулятора существует нижний предел зарядки, при преодолении которого срок службы устройства значительно снижается. Обычно, контроллеры выставляют на минимальное значение зарядки 15%, поэтому коэффициент равен около 0,85.
• Максимально допустимая потеря емкости до смены аккумуляторов. Со временем происходит старение устройств, повышение их внутреннего сопротивления, что приводит к безвозвратному уменьшению их емкости. Использовать устройства, остаточная емкость которых менее 70% нерентабельно, поэтому значение показателя нужно взять за 0,7.

Вопреки распространенному мнению, КПД аккумулятора – отношение полученной и отданной электроэнергии включать в расчет не следует. Указанный в технической документации показатель емкости аккумулятора учитывает возможный объем на отдачу.

В итоге значение интегрального коэффициента при расчете необходимой емкости для новых аккумуляторов будет приблизительно равно 0,8, а для старых, перед их списанием – 0,55.

Для обеспечения дома электроэнергией при протяженности цикла заряда – разряда равной 1 суткам потребуется 12 аккумуляторов. Когда один блок из 6 устройств будет работать на разряд, второй блок будет заряжаться

Максимально допустимые токи

Для каждого аккумулятора в технической документации прописан максимально допустимый ток заряда. Превышение этого значение ведет к перегреву устройства, резкому и безвозвратному снижению его показателей. Поэтому при выборе батарей необходимо убедиться в том, что они могут обеспечить потребление вырабатываемого солнечными панелями электричества.

Еще один важный показатель – допустимый разрядный ток:

• Штатный разрядный ток, для работы на величине которого (или меньшем значении) предназначен аккумулятор. Работа всего подключенного в систему электрооборудования должна быть обеспечена этим показателем.
• Максимальный разрядный ток, который кратковременно может дать устройство при пиковых нагрузках. Такие нагрузки могут возникнуть при включении некоторого оборудования, например содержащего компрессоры холодильника или кондиционера.

Превышение длительное время первого показателя или кратковременного – второго ведет к преждевременному износу аккумулятора. При старении устройств эти показатели снижаются на 20-30%, что также необходимо учитывать.

Особенности устройства и основные параметры

Автомобильные аккумуляторы не предназначены для работ с большим количеством циклов зарядки и разрядки. Для альтернативной и резервной энергетики используют устройства другого типа. Так как их стоимость велика, то необходимо тщательно изучить все параметры перед приобретением.

Режимы работы аккумулятора в автомобиле и в системе альтернативной энергетики настолько отличаются, что его предназначение указывают даже на самом устройстве

Используемые типы для альтернативной энергетики

Практически все аккумуляторы, применяемые в альтернативной энергетике и устанавливаемые в строениях, относятся к типу необслуживаемых. Пользователю нет возможности проводить с ними физические операции, затрагивающие их структуру. Это сделано для того, чтобы минимизировать риск физического или химического воздействия батарей на людей, воздух и окружающие их предметы.

Поэтому нет необходимости подробного изучения структуры и физико-химических нюансов работы аккумуляторных батарей разных типов. Большее внимание надо уделить различиям в основных технических характеристиках устройств.

OPzS аккумуляторы выполнены подобно простейшим свинцово-кислотным устройствам. Изменение в форме положительной пластины позволяет обеспечить значительно большее число циклов зарядки и разрядки, чем у автомобильных аналогов. Недостатком является наличие жидкого электролита, что может быть опасно при их разгерметизации. Средняя ценовая ниша.

Щелочные (никелевые) аккумуляторы применяют редко по причине их невосприимчивости к малым токам при зарядке и необходимости прохождения полного цикла от заряженного до разряженного состояния. В ином случае произойдет уменьшение емкости батареи. Также эти устройства имеют больший вес и габариты по сравнению с конкурентами той же емкости. Опасны при разгерметизации. Низкая ценовая ниша.

Разгерметизация аккумулятора возможна при внутреннем дефекте, чрезмерной мощности зарядного тока, падении с высоты или работы в неподходящих условиях. Наибольшие проблемы при этом создадут устройства, содержащие опасные при испарении жидкости

В AGM аккумуляторах электролит находится в связанном состоянии в структуре из стекловолокна. Их можно заряжать малыми токами. Практически безопасны и занимают среднюю ценовую нишу среди конкурентов.

В GE (гелевых) аккумуляторах в электролит добавлен оксид кремния, в результате чего он находится в гелеобразном состоянии. Устройства обладают высокой степенью безопасности и хорошими характеристиками. Высокая ценовая ниша.

Аккумуляторные батареи на основе лития (например, литий-железо-фосфатные модели) обладают очень хорошими характеристиками, компактны, имеют значительно меньший вес, практически безопасны. Однако их стоимость значительно выше, чем у конкурирующих типов устройств, даже гелевых.

С позиции соотношения цены и технических характеристик гелевый и литиевый тип аккумуляторов наиболее привлекателен. Однако единовременные стартовые вложения в них весьма велики, поэтому устройства других типов тоже широко распространены на рынке батарей для альтернативной энергетики.

Аккумуляторы для альтернативной энергетики не продают в автомобильных магазинах. Приобрести их можно в фирмах по продаже солнечных батарей, ветроэлектрических установок или через интернет

Выбор модели аккумулятора

Основные параметры аккумуляторных батарей для гелиоэнергетики, на которые необходимо обратить внимание при покупке следующие:

• напряжение и емкость, определяющие мощность аккумулятора;
• глубина безопасного максимального разряда, при соблюдении которой возможно функционирование аккумулятора заявленные производителем сроки;
• гарантированное количество циклов зарядки и разрядки при соблюдении всех технических условий;
• величина саморазряда, характеризующая интенсивность потери электроэнергии в заряженном аккумуляторе при простое;
• максимальный ток заряда, определяющий количество электроэнергии за единицу времени, которое аккумулятор способен принять без ущерба для дальнейшего функционирования;
• штатный ток разряда, определяющий количество электроэнергии за единицу времени, которое аккумулятор длительно способен отдать без ущерба для дальнейшего функционирования;
• максимальный ток разряда, определяющий количество электроэнергии за единицу времени, которое аккумулятор кратковременно способен отдать без ущерба для дальнейшего функционирования;
• оптимальная температура для работы устройства;
• размер и масса аккумулятора, знание которых необходимо для выбора места их размещения и способа установки.

Все эти параметры описаны в технической документации, которую в электронном виде размещают на сайте всех крупных производителей.

Выводы и полезное видео по теме

Обзор нюансов функционирования аккумуляторов разных типов для гелиосистем:

Сравнения разных типов стартерных аккумуляторов. Плюсы и минусы для альтернативной энергетики:

Опыт использования литиевых (LiFePo4) аккумуляторов. Реальный блок из автомобильных устройств, нюансы его работы:

Правильный выбор аккумуляторов по их параметрам позволит обеспечить надежную работу альтернативной энергосистемы. Не надо чрезмерно экономить на блоке хранения электроэнергии – первоначальные стартовые вложения окупятся бесперебойной работой системы на несколько лет вперед.

sovet-ingenera.com

Виды и типы аккумуляторных батарей — подробно!

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям

Опубликовано 25.06.2015 19:00

Автор: Abramova Olesya

Аккумуляторная батарея – это источник постоянного тока, который предназначен для накопления и хранения энергии. Подавляющее число типов аккумуляторных батарей основано на циклическом преобразовании химической энергии в электрическую, это позволяет многократно заряжать и разряжать батарею.

Еще в 1800 году Алессандро Вольта произвел поразительное открытие, когда опустил в банку, наполненную кислотой, две металлические пластины – медную и цинковую, после чего доказал, что по соединяющей их проволоке протекает электрический ток. Спустя более чем 200 лет, современные аккумуляторные батареи продолжают производить на основе открытия Вольта.

Рисунок 1. Вольтов столб из шести элементов.	Рисунок 2. Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта

Со времени изобретения первого аккумулятора прошло не больше 140 лет и сейчас сложно представить современный мир без резервных источников питания на основе батарей. Аккумуляторы применяются всюду, начиная с самых безобидных бытовых устройств: пульты управления, переносные радиоприемники, фонари, ноутбуки, телефоны, и заканчивая системами безопасности финансовых учреждений, резервными источниками питания для центров хранения и передачи данных, космической отраслью, атомной энергетикой, связью и т. д.

Развивающийся мир нуждается в электрической энергии столь сильно, сколько человеку нужен кислород для жизни. Поэтому конструкторы и инженеры ежедневно ведут работу по оптимизации имеющихся типов аккумуляторов и периодически разрабатывают новые виды и подвиды.

Основные виды аккумуляторов приведены в таблице №1.

Тип	Применение	Обозначение	Рабочая температура, ºC	Напряжение элемента, В	Удельная энергия, Вт∙ч/кг
Литий-ионный (Литий-полимерный, литий-марганцевый, литий-железно-сульфидный, литий-железно-фосфатный, литий-железо-иттрий-фосфатный, литий-титанатный, литий-хлорный, литий-серный)	Транспорт, телекоммуникации, системы солнечной энергии, автономное и резервное электроснабжение, Hi-Tech, мобильные источники питания, электроинструмент, электромобили и т.д.	Li-Ion (Li-Co, Li-pol, Li-Mn, LiFeP, LFP, Li-Ti, Li-Cl, Li-S)	-20 … +40	3,2-4,2	280
никель-солевой	Автомобильный транспорт, Ж\Д транспорт, Телекоммуникации, Энергетика, в том числе альтернативная, Системы накопления энергии	Na/NiCl	-50 … +70	2,58	140
никель-кадмиевый	Электрокары, речные и морские суда, авиация	Ni-Cd	–50 … +40	1,2-1,35	40 – 80
железо-никелевый	Резервное электропитание, тяговые для электротранспорта, цепи управления	Ni-Fe	–40 … +46	1,2	100
никель-водородный	Космос	Ni-h3		1,5	75
никель-металл-гидридный	электромобили, дефибрилляторы, ракетно-космическая техника, системы автономного энергоснабжения, радиоаппаратура, осветительная техника.	Ni-MH	–60 … +55	1,2-1,25	60 – 72
никель-цинковый	Фотоаппараты	Ni-Zn	–30 … +40	1,65	60
свинцово-кислотный	Системы резервного питания, бытовая техника, ИБП, альтернативные источники питания, транспорт, промышленность и т.д.	Pb	–40 … +40	2, 11-2,17	30 – 60
серебряно-цинковый	Военная сфера	Ag-Zn	–40 … +50	1,85	<150
серебряно-кадмиевый	Космос, связь, военные технологии	Ag-Cd	–30 … +50	1,6	45 – 90
цинк-бромный		Zn-Br		1,82	70 – 145
цинк-хлорный		Zn-Cl	–20 … +30	1,98-2,2	160 – 250

Таблица №1. Классификация аккумуляторных батарей.

Исходя из приведенных данных в таблице №1, можно прийти к выводу, что существует достаточно много видов аккумуляторов, отличных по своим характеристикам, которые оптимизированы для применения в разнообразных условиях и с различной интенсивностью. Применяя для производства новые технологии и компоненты, ученым удается достигать нужных характеристик для конкретной области применения, к примеру, для космических спутников, космических станций и другого космического оборудования были разработаны никель-водородные аккумуляторы. Конечно, в таблице приведены далеко не все типы, а лишь основные, которые получили распространение.

Современные системы резервного и автономного электропитания для промышленного и бытового сегмента основаны на разновидностях свинцово-кислотных, никель-кадмиевых (реже применяются железо-никелевый тип) и литий-ионных аккумуляторах, поскольку эти химические источники питания безопасны и имеют приемлемые технические характеристики и стоимость.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи

Этот тип является самым востребованным в современном мире по причине универсальных особенностей и невысокой стоимости. Благодаря наличию большого количества разновидностей, свинцово-кислотные аккумуляторы применяется в областях систем резервного питания, системах автономного электроснабжения, солнечных электростанций, ИБП, различных видах транспорта, связи, системах безопасности, различных видах портативных устройств, игрушках и т. д.

Принцип действия свинцово-кислотных батарей

Основа работы химических источников питания основана на взаимодействии металлов и жидкости – обратимой реакции, которая возникает при замыкании контактов положительных и отрицательных пластин. Свинцово-кислотные аккумуляторы, как понятно из названия, состоят из свинца и кислоты, где положительно заряженными пластинами является свинец, а отрицательно заряженными – оксид свинца. Если подключить к двум пластинам лампочку, цепь замкнется и возникнет электрический ток (движение электронов), а внутри элемента возникнет химическая реакция. В частности, происходит коррозия пластин батареи, свинец покрывается сульфатом свинца. Таким образом, в процессе разряда аккумулятора на всех пластинах будет образовываться налет из сульфата свинца. Когда аккумулятор полностью разряжен, его пластины покрыты одинаковым металлом – сульфатом свинца и имеют практически одинаковый заряд относительно жидкости, соответственно, напряжение батареи будет очень низким.

Если к батарее подключить зарядное устройство к соответствующим клеммам и включить его, ток будет протекать в кислоте в обратном направлении. Ток будет вызывать химическую реакцию, молекулы кислоты – расщепляться и за счет этой реакции будет происходить удаление сульфата свинца с положительных и отрицательных пластилин батареи. В финальной стадии зарядного процесса пластины будут иметь первозданный вид: свинец и оксид свинца, что позволит им снова получить разный заряд, т. е. батарея будет полностью заряжена.

Однако на практике все выглядит немного иначе и пластины электродов очищаются не полностью, поэтому аккумуляторы имеют определенный ресурс, по достижении которого емкость снижается до 80-70% от изначальной.

Рисунок №3. Электрохимическая схема свинцово-кислотного аккумулятора (VRLA).

Типы свинцово-кислотных батарей

• Lead–Acid, обслуживаемые – 6, 12В батареи. Классические стартерные аккумуляторы для двигателей внутреннего сгорания и не только. Нуждаются в регулярном обслуживании и вентиляции. Подвержены высокому саморазряду.

• Valve Regulated Lead–Acid (VRLA), необслуживаемые – 2, 4, 6 и 12В батареи. Недорогие аккумуляторы в герметизированном корпусе, которые можно использовать в жилых помещениях, не требуют дополнительной вентиляции и обслуживания. Рекомендованы для использования в буферном режиме.

• Absorbent Glass Mat Valve Regulated Lead–Acid (AGM VRLA), необслуживаемые – 4, 6 и 12В батареи. Современные аккумуляторы свинцово-кислотного типа с абсорбированным электролитом (не жидкий) и стекловолоконными разделительными сепараторами, которые значительно лучше сохраняют свинцовые пластины, не давая им разрушаться. Такое решение позволило значительно снизить время заряда AGM батарей, поскольку зарядный ток может достигать 20-25, реже 30% от номинальной емкости.

  Аккумуляторы AGM VRLA имеют множество модификаций с оптимизированными характеристиками для циклического и буферного режимов работы: Deep – для частых глубоких разрядов, фронт-терминальные – для удобного расположения в телекоммуникационных стойках, Standard – общего назначения, High Rate – обеспечивают лучшую разрядную характеристику до 30% и подходят для мощных источников бесперебойного питания, Modular – позволяют создавать мощные батарейные кабинеты и т. д.

  

  Рисунок №4. AGM VRLA аккумуляторы EverExceed.

• GEL Valve Regulated Lead–Acid (GEL VRLA), необслуживаниемые – 2, 4, 6 и 12В батареи. Одна из последних модификаций свинцово-кислотного типа аккумуляторов. Технология основана на применение гелеобразного электролита, который обеспечивает максимальный контакт с отрицательными и положительными пластинами элементов и сохраняет однообразную консистенцию по всему объему. Данный тип аккумуляторов требует «правильного» зарядного устройства, которое обеспечит требуемый уровень тока и напряжения, лишь в этом случае можно получить все преимущества по сравнению с AGM VRLA типом.

  Химические источники питания GEL VRLA, как и AGM, имеют множество подвидов, которые наилучшим образом подходят для определенных режимов работы. Самыми распространенными являются серии Solar – используются для систем солнечной энергии, Marine – для морского и речного транспорта, Deep Cycle – для частых глубоких разрядов, фронт-терминальные – собраны в специальных корпусах для телекоммуникационных систем, GOLF – для гольф-каров, а также для поломоечных машин, Micro – небольшие аккумуляторы для частого использования в мобильных приложениях, Modular – специальное решение по созданию мощных аккумуляторных банков для накопления энергии и т. д.

  

  Рисунок №5. GEL VRLA аккумулятор EverExceed.

   

   

   

• OPzV, необслуживаемые – 2В батареи. Специальные свинцово-кислотные элементы типа OPZV произведены с применением трубчатых пластин анода и сернокислотным гелеобразным электролитом. Анод и катод элементов содержат дополнительный металл – кальций, благодаря которому повышается стойкость электродов к коррозии и увеличивается срок службы. Отрицательные пластины – намазные, эта технология обеспечивает лучший контакт с электролитом.

  Аккумуляторы OPzV устойчивы к глубоким разрядам и обладают длительным сроком службы до 22 лет. Как правило, для изготовления подобных элементов питания применяются только лучшие материалы, чтобы обеспечить высокую эффективность работы в циклическом режиме.

  Применение OPzV аккумуляторов востребовано в телекоммуникационных установках, системах аварийного освещения, источниках бесперебойного питания, системах навигации, бытовых и промышленных системах накопления энергии и солнечной электрогенерации.

  
  Рисунок №6. Строение OPzV аккумулятора EverExceed.

• OPzS, малообслуживаемые – 2, 6, 12В батареи. Стационарные заливные свинцово-кислотные аккумуляторы OPzS производятся с трубчатыми пластинами анода с добавлением сурьмы. Катод также содержит небольшое количество сурьмы и представляет собой намазной решетчатый тип. Анод и катод разделены микропористыми сепараторами, которые предотвращают короткое замыкание. Корпус аккумуляторов выполнен из специального ударопрочного, устойчивого к химическому воздействию и огню прозрачного пластика, а вентилируемые клапаны относятся к пожаробезопасному типу и обеспечивают защиту от возможного попадания пламени и искр.

  Прозрачные стенки позволяют удобно контролировать уровень электролита при помощи отметок минимального и максимального значения. Специальная структура клапанов дает возможность без их снятия доливать дистиллированную воду и промерять плотность электролита. В зависимости от нагрузки, долив воды осуществляется раз в один – два года.

  Аккумуляторные батареи типа OPzS обладают самыми высокими характеристиками среди всех других видов свинцово-кислотных батарей. Срок службы может достигать 20 – 25 лет и обеспечивать ресурс до 1800 циклов глубокого 80% разряда.

  Применение подобных батарей необходимо в системах с требованиями среднего и глубокого разряда, в т.ч. где наблюдаются пусковые токи средней величины.

  

  Рисунок №7. OPzS аккумулятор Victron Energy.

Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Анализируя приведенные в таблице №2 данные, можно прийти к выводу, что свинцово-кислотные аккумуляторы обладают широким выбором моделей, которые подходят для различных режимов работы и условий эксплуатации.

Тип	LA	VRLA	AGM VRLA	GEL VRLA	OPzV	OPzS
Емкость, Ампер/час	10 – 300	1 – 300	1 – 3000	1 – 3000	50 – 3500	50 – 3500
Напряжение, Вольт	6, 12	4, 6, 12	2, 4, 6, 12	2, 6, 12	2	2
Оптимальная глубина разряда, %		30	<40	<50	<60	<60
Допустимая глубина разряда, %		<75	<80	<90	<90	<100
Циклический ресурс, D.O.D.=50%		<250-300	<1000	<1400	<3200	<3300
Оптимальная температура, °С	0 … +45	+15 … +25	+10 … +25	+10 … +25	0 … +30	0 … +30
Диапазон рабочих температур, °С	–50 … +70	–35 … +60	–40 … +70	–40 … +70	–40 … +70	–40 … +70
Срок службы, лет при +20°С	<7	<7	5 – 15	8 – 15	15 – 20	17 – 25
Саморазряд, %	3 – 5	2 – 3	1 – 2	1 – 2	1 – 2	1 – 2
Макс. ток заряда, % от емкости	10 – 20	20 – 25	20 – 30	15 – 20	15 – 20	10 – 15
Минимальное время заряда, ч	8 – 12	6 – 10	6 – 10	8 – 12	10 – 14	10 – 15
Требования к обслуживанию	3 – 6 мес.	нет	нет	нет	нет	1 – 2 года
Средняя стоимость, $, 12В/100Ач.	70 – 150	200 – 250	250 – 380	350 – 500	1000 – 1400	1500 – 3500

Таблица №2. Сравнительные характеристики по видам свинцово-кислотных батарей.

Для анализа использовались усредненные данные более чем 10-ти производителей батарей, продукция которых представлена на рынке Украины в течение длительного времени и успешно применяется во многих областях (EverExceed, B.B. Battery, CSB, Leoch, Ventura, Challenger, C&D Techologies, Victron Energy, SunLight, Troian и другие).

Литий-ионные (литиевые) аккумуляторные батареи

История прохождения происхождения уходит в 1912 год, когда Гилберт Ньютон Льюис работал над вычислением активностей ионов сильных электролитов и проводил исследования электродных потенциалов целого ряда элементов, включая литий. С 1973 года работы были возобновлены и в результате появились первые элементы питания на основе лития, которые обеспечивали только один цикл разряда. Попытки создать литиевый аккумулятор затруднялись активностью свойств лития, которые при неправильных режимах разряда или заряда вызывали бурную реакцию с выделением высокой температуры и даже пламени. Компания Sony выпустила первые мобильные телефоны с подобными аккумуляторами, но была вынуждена отозвать продукцию обратно после нескольких неприятных инцидентов. Разработки не прекращались и в 1992 году появились первые «безопасные» аккумуляторы на основе ионов лития.

Аккумуляторы литий-ионного типа обладают высокой плотностью энергии и благодаря этому при компактном размере и легком весе обеспечивают в 2-4 раза большую емкость по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Несомненно, большим достоинством литий-ионных батарей является высокая скорость полной 100% перезарядки в течение 1-2 часов.

Li-ion батареи получили широкое применение в современной электронной технике, автомобилестроении, системах накопления энергии, солнечной генерации электроэнергии. Крайне востребованы в высокотехнологичных устройствах мультимедиа и связи: телефонах, планшетных компьютерах, ноутбуках, радиостанциях и т. д. Современный мир сложно представить без источников питания литий-ионного типа.

Принцип действия литиевых (литий-ионных) батарей

Принцип работы заключается в использовании ионов лития, которые связаны молекулами дополнительных металлов. Обычно, в дополнение к литию применяются литийкобальтоксид и графит. При разряде литий-ионного аккумулятора происходит переход ионов от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду) и наоборот при заряде. Схема аккумулятора предполагает наличие разделительного сепаратора между двумя частями элемента, это необходимо для предотвращения самопроизвольного перемещения ионов лития. Когда цепь аккумулятора замкнута и происходит процесс заряда или разряда, ионы преодолевают разделительный сепаратор стремясь к противоположно заряженному электроду.

Рисунок №8. Электрохимическая схема литий-ионного аккумулятора.

Благодаря своей высокой эффективности, литий-ионные аккумуляторы получили бурное развитие и множество подвидов, например, литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4). Ниже приведена графическая схема работы этого подтипа.

Рисунок №9. Электрохимическая схема процесса разряда и разряда LiFePO4 батареи.

Типы литий-ионных аккумуляторов

Современные литий-ионные аккумуляторы имеют множество подтипов, основная разница которых заключается в составе катода (отрицательно заряженного электрода). Также может изменяться состав анода для полной замены графита или использования графита с добавлением других материалов.

Различные виды литий-ионных аккумуляторов обозначаются по их химическому разложению. Для рядового пользователя это может быть несколько сложно, поэтому каждый тип будет описан максимально подробно, включая его полное название, химическое определение, аббревиатуру и краткое обозначение. Для удобства описания будет использоваться сокращенное название.

• Литий кобальт оксид (LiCoO2) – Обладает высокой удельной энергией, что делает литий-кобальтовый аккумулятор востребованным в компактных высокотехнологичных устройствах. Катод батареи состоит из оксида кобальта, тогда как анод – из графита. Катод имеет слоистую структуру и во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду. Недостатком этого типа является относительно короткий срок службы, невысокая термическая стабильность и лимитированная мощность элемента.

  Литий-кобальтовые батареи не могут разряжаться и заряжаться током, превосходящим номинальную емкость, поэтому аккумулятор с емкостью 2,4Ач может работать с током 2,4А. Если для заряда будет применяться большая сила тока, то это вызовет перегрев. Оптимальный зарядный ток составляет 0,8C, в данном случае 1,92А. Каждый литий-кобальтовый аккумулятор комплектуется схемой защиты, которая ограничивает заряд и скорость разряда и лимитирует ток на уровне 1C.

  На графике (Рис. 10) отражены основные свойства литий-кобальтовых аккумуляторов с точки зрения удельной энергии или мощности, удельная мощность или способность обеспечивать высокий ток, безопасности или шансы воспламенения при высокой нагрузке, рабочая температура окружающей среды, срок службы и циклический ресурс, стоимость.

  

  Рисунок №10. Диаграмма основных свойств LiCoO2 аккумуляторов.

   

• Литий Оксид Марганца (LiMn2O4, LMO) – первая информация об использовании лития с марганцевыми шпинелями была опубликована в научных докладах 1983 года. Компания Moli Energy в 1996 году выпустила первые партии аккумуляторов на основе литий-оксид-марганца в качестве материала катода. Такая архитектура формирует трехмерные структуры шпинели, что улучшает поток ионов к электроду, тем самым снижая внутреннее сопротивление и повышая возможные токи заряда. Также преимущество шпинели в термической стабильности и повышенной безопасности, однако циклический ресурс и срок службы ограничен.

  Низкое сопротивление обеспечивает возможность быстрого заряда и разряда литий-марганцевого аккумулятора с высоким током до 30А и кратковременно до 50А. Применяется для мощных электроинструментов, медицинского оборудования, а также гибридных и электрических транспортных средств.

  Потенциал литий-марганцевых аккумуляторов примерно на 30% ниже по сравнению с литий-кобальтовыми батареями, однако эта технология обладает примерно на 50% лучшими свойствами, чем аккумуляторы на основе никелевых химических компонентов. 

• Литий Оксид Марганца (LiMn2O4, LMO) – первая информация об использовании лития с марганцевыми шпинелями была опубликована в научных докладах 1983 года. Компания Moli Energy в 1996 году выпустила первые партии аккумуляторов на основе литий-оксид-марганца в качестве материала катода. Такая архитектура формирует трехмерные структуры шпинели, что улучшает поток ионов к электроду, тем самым снижая внутреннее сопротивление и повышая возможные токи заряда. Также преимущество шпинели в термической стабильности и повышенной безопасности, однако циклический ресурс и срок службы ограничен.

  Низкое сопротивление обеспечивает возможность быстрого заряда и разряда литий-марганцевого аккумулятора с высоким током до 30А и кратковременно до 50А. Применяется для мощных электроинструментов, медицинского оборудования, а также гибридных и электрических транспортных средств.

  Потенциал литий-марганцевых аккумуляторов примерно на 30% ниже по сравнению с литий-кобальтовыми батареями, однако эта технология обладает примерно на 50% лучшими свойствами, чем аккумуляторы на основе никелевых химических компонентов.

  Гибкость конструкции позволяет инженерам оптимизировать свойства батареи и достичь длительного срока службы, высокой емкости (удельная энергия), возможности обеспечивать максимальный ток (удельная мощность). Например, с длительным сроком эксплуатации типоразмер элемента 18650 имеет емкость 1,1Ач, тогда как элементы, оптимизированные на повышенную емкость, – 1,5Ач, но при этом они имеют меньший срок службы.

  На графике (Рис. 12) отраженны не самые впечатляющие характеристики литий-марганцевых аккумуляторов, однако современные разработки позволили существенно повысить эксплуатационных характеристики и сделать этот тип конкурентным и широко применяемым.

  

  Рисунок №11. Диаграмма основных свойств LiMn2O4 аккумуляторов.

  Современные аккумуляторы литий-марганцевого типа могут производиться с добавлениям

best-energy.com.ua