Зарядка и подзарядка аккумуляторов. Конструкция батареи
Аккумулятор - это устройство для хранения энергии в химической форме, которая может использоваться как электричество. Аккумулятор работает благодаря тому, что два различных металла, находясь в кислотном растворе, вырабатывают электричество. Все аккумуляторы, независимо от электрохимической системы, характеризуются напряжением, электрической емкостью, внутренним сопротивлением, током саморазряда и сроком службы.
Емкость аккумулятора- количество электрической энергии, которой должен обладать полностью заряженный аккумулятор. Емкость — самый важный параметр аккумулятора, ведь чем больше емкость аккумулятора — тем дольше будут работать приборы, не требуя подзарядки. Измеряется емкость в миллиампер-часах (мА.час). Номинальная емкость всегда указывается на этикетке аккумулятора или на самом аккумуляторе. Однако реальная емкость не всегда совпадает с номинальной (реальная емкость -от 80% до 110% от номинального значения). В процессе эксплуатации емкость аккумулятора изменяется (обычно в сторону уменьшения) и зависит от различных факторов: от технологии ввода в эксплуатацию и обслуживания в процессе эксплуатации, от условий и срока эксплуатации, от используемых зарядных устройств и т.д. При охлаждении (ниже комнатной 20 или 25 °С) емкость падает, при нагреве –повышается. Со временем емкость монотонно убывает.
Напряжение на аккумуляторе зачастую является основным параметром, по которому можно судить о состоянии и степени заряженности аккумулятора. Особенно это относится к герметизированным аккумуляторам, у которых не возможно измерить плотность электролита. Напряжение при заряде, разряде и отсутсвии тока очень сильно отличаются. Для определения степени заряженности аккумулятора измеряют напряжение на его клеммах при отсутствии как зарядного, так и разрядного токов в течение как минимум 3-4 часов. За это время напряжение обычно успевает стабилизироваться. напряжение составляет 12В , у заряженного ак достигает 14В, в режиме эквализации 0,4В.(эк-выравнивание заряда ак) Напряжение ак батареи должно быть в соответствии со всеми компонентами системы альт.питания: 1-источник (солнечная панель,ветрогенератор),2-контроллер,3-инвертор-преобразователь напряжения и т.п.-адаптер. Обычно для минисистем (для малых и средних) применяют батареи из 1-4 ак-ров (12-24 В-та), более 8-и –(48-96 В-та).
Внутреннее сопротивление является еще одним очень важным параметром аккумулятора. Измеряется внутреннее сопротивление в миллиомах (мОм) и зависит от емкости элемента, числа элементов, электрохимической системы, а также возраста и условий эксплуатации аккумулятора. При эксплуатации аккумулятора значение его внутреннего сопротивления увеличивается-повышение внутреннего сопротивления приводит к сокращению времени работы приборов. Если аккумулятор обладает большим внутренним сопротивлением, то при резком увеличении потребляемого прибором тока напряжение на нем существенно падает (по закону Ома). При этом, если напряжение падает ниже определенного значения, прибор считает, что аккумулятор полностью разряжен, и отключается. Таким образом, аккумулятор с высоким внутренним сопротивлением не выдает в нагрузку всю запасенную им энергию, вследствие чего и сокращается время работы приборов. При комнатной температуре( 20 или 25 °С) нормальный аккумулятор должен иметь 5-10 мили Ом.
Саморазряд аккумулятора- самопроизвольная потеря аккумулятором запасенной энергии с течением времени после того, как он был полностью заряжен. Явление саморазряда присуще всем типам аккумуляторов, независимо от их электрохимической системы. Для количественной оценки саморазряда используется величина потерянной аккумулятором за определенное время энергии, выраженная в процентах от значения, полученного сразу после заряда. Саморазряд максимален в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается. Поэтому оценивается саморазряд за одни сутки и за один месяц после заряда. Величина саморазряда зависит от температуры, с увеличением окружающей температуры саморазряд увеличивается. Например, при увеличении температуры с 20 до 30 градусов саморазряд увеличивается почти в 2 раза.
Срок службы аккумулятора характеризуется количеством циклов заряда/разряда, которое он выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих основных параметров: емкости, саморазряда и внутреннего сопротивления. Срок службы определяется временем, прошедшим со дня изготовления, Аккумулятор, считается непригодным после уменьшения его емкости до 60% - 80% от номинального значения. Срок службы аккумулятора зависит: от типа аккум(от его электрохимической системы), от методов заряда и глубины разряда, от условий эксплуатации и процедуры обслуживания.
Виды ак: 1-Свинцово-кислотные SLA/Pb аккумуляторы(наиб.распростр-автомобиль- срок службы 24 года), 2-Гелевый ак(тоже свинцово-кислотный по принципу действия, но кислота в виде геля)- позволяет получить более эффективную рекомбинацию, образ. при зарядке газов- часто исп.для ветра и солн.систем-5-8 лет, 3-AGM – тоже свинц-кисл, но кислота содерж в адсорб.сепараторе из тонк.стекловолокна, 4-Литий-ионные (Li-Ion)-работают на реакции лития.Дорогие, поэтому исп.редко.Чаще исп.для автомонм.уличных фонарей. Преимущества: сохран. Рабобоспаособности при частых разрядах батареи. Срок службы 3-6 лет. 5–Щелочные – железо-никель, -кадмий-никель. Вместо кислоты(как электролита) исп. щелочь. Характеризуется малым напряжением 2В.Собираются в моноблоки (в батареи) – для альтернативн.источников. Тяжелые и громоздкие. При зарядке частично выкипают, выделяя водород - установка в вентилир.помещениях, иначе взрыв при контакте с кислородом.Требуют регулярного обслуживания – проверки уровня электролита.Срок службы 15 и более лет.
Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: аккумуляторные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии. Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов (положительных и отрицательных) и разделительных изоляторов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой свинцовые решётки. Сотовая конструкция позволяет внести на пластину рабочий реагент (активную массу). Массу намазывают. Поэтому этот ак.с пластинами намазного типа. У положительных активным веществом является диоксид свинца (PbO2), у отрицательных активным веществом является губчатый свинец. Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной дистиллированной водой серной кислоты (H2SO4). Наибольшая проводимость этого раствора наблюдается при комнатной температуре (что означает наименьшее внутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) и при его плотности 1,23 г/см³( в районах с холодным климатом, до 1,29−1,31 г/см³).
Аккумулятор электромобиля
Теоретическая энергоёмкость (Вт•ч/кг): около 133.
Удельная энергоёмкость (Вт•ч/кг): 30-60.
Теоретическая удельная энергоплотность (Вт•ч/дм³): 1250.[4]
ЭДС заряжённого аккумулятора = 2,11 — 2,17 В, рабочее напряжение = 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В (12 В)).
Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя
Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C. КПД: порядка 80-90 %
Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде.
Энергия возникает в результате взаимодействия оксида свинца и серной кислоты до сульфата (классическая версия). Проведенные в СССР исследования показали, что внутри свинцового аккумулятора протекает как минимум ~60 реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита (нехимические)
Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на анодеи окисление свинца на катоде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.
Химическая реакция (слева направо — разряд, справа налево — заряд):