VRLA акумулаторни батерии

Част I - развитие и специфики на акумулаторни батерии до разработването на VRLA

 Терминът батерия се използва за всички видове източници на електрически ток без подвижни части. Най-често намира приложение за електрохимичните източници, състоящи се от един или няколко електрохимични елемента (клетки), като например галванични елементи, акумулаторни батерии (АБ), но също така и за горивни клетки и дори слънчеви батерии.
Енергията на една АБ (W.h) се изчислява по формулата WР = CРUР; Wз = CЗUЗ, (W.h.), където Ср и С3 са капацитетите при разряд и заряд. Мощността на акумулаторните батерии АБ (W) е P = I(I.R +I.r) = I2R + I2.r, W, където R е съпротивлението на външната верига, W, r - вътрешното съпротивление на акумулатора, W, I - ток на разряд. Вътрешното съпротивление на батерията е RB =(Vs./I)-RL или RB = [(Vs-V)/I] - RL, където R B е вътрешното съпротивление на батерията, Vs е напрежението на батерията без товар, RL е общото съпротивление на веригата, V е напрежението на батерията с товар, I е общият ток на батерията. Една емпирична формула за вътрешното съпротивление на една напълно заредена, нова АБ се пресмята по зависимостта Rd=Un/(15.C20), W, където Rd - вътрешно съпротивление, Un - номинално напрежение на АБ, а C20 - номинален капацитет на АБ при 20-часов разряд (стандартно).

Тягови и стартерни акумулаторни батерии
В автомобилите се използват изключително стартерни АБ. В литературата се срещат още като автомобилни. В повечето случаи, това са оловно-киселинни АБ, обезпечаващи 12 или 24 V. Характерно за стартерните АБ е, че имат специална конструкция, която ги прави способни да дадат голям ток при включване на стартера, без да се понижава напрежението и намалява ресурсът й.
Тяговите акумулаторни батерии се използват за движение на електрокари, електромобили и др. Те не могат да доставят голям стартерен ток, но за сметка на това продължително време отдават не толкова голям ток, който се използва от електродвигателите. Наименованието им "тягови" произхожда именно от предназначението. Като габарити са по-големи от стартерните за един и същи капацитет. Следва да се има предвид, че стартерните и тяговите АБ не са взаимозаменяеми.

Оловни акумулатори
При наливане на сярна киселина в акумулатора, тя взаимодейства с оловните оксиди на активната маса. В резултат се образува повърхностен слой от оловен сулфат. Зареждането на акумулатора се извършва, като се включи към едноименните полюси на източник на постоянен ток. Максималният ток се посочва от производителя. Не трябва да се превишава тази най-висока стойност, тъй като химичният обмен протича само по повърхността на електрода. Колкото по-малка е стойността на тока, толкова по-пълен е този обмен. В резултат на зареждането, концентрацията на сярната киселина непрекъснато расте. Свидетелство, че процесът е завършил, е достигането до постоянна относителна плътност на електролита. Също така, се наблюдава т.нар. кипене на акумулатора - започва интензивно отделяне на водород на отрицателните и кислород на положителните електроди.

Най-често срещаните повреди при акумулаторните батерии са:
l късо съединение, поради неправилно положение на сепаратора (разделителя) между положителните и отрицателни електроди;
l вътрешни повреди, свързани с корозия;
l повреда на листовия материал поради вибрации;
l ниско ниво на електролита;
l повредени полюсни накрайници;
l сулфатизация след продължителен престой, без употреба.

Оловно-кисели АБ от първо поколение
Оловно-киселите АБ са най-надеждните, с най-дълъг живот и неизискващи големи експлоатационни разходи химически източници на електроенергия. Условно се разделят на три поколения:
АБ първо поколение - с открит течен електролит, имащи капацитет от 36 до 5328 Ah и живот от 10 до над 20 г. В конструкцията им отсъстват пробки и електролитът е в непосредствен контакт с открития въздух. Основните разходи са свързани с често доливане на чиста дестилирана вода и с цел осигуряване на добра вентилация на помещението, в което са монтирани. Често, за предотвратяване на интензивно изпарение в електролита, се налива тънко минерално масло, което образува тънък филм отгоре. Към тях принадлежат и АБ закрит тип, които могат и да са не обслужваеми. От производителя се доставят залети с електролит и заредени, и през целия им живот не се долива вода. Тези АБ са най-вече стационарни, но се използват още и в автотракторната техника, като стартерни и тягови.

Батерии от второ поколение
Обикновено като конструкция са херметизирани гел АБ. Както личи от наименованието им, електролитът е във вид на гел. Обикновено за сгъстител на електролита се използва SiO2. За подзаряд се използват специални зарядни устройства, обезпечаващи нестабилност на зарядното напрежение, не по-малка от ±1 %, с цел предотвратяване на излишно газообразуване. Големите стационарни АБ се доставят съвместно със заряден агрегат, гарантиращ безаварийна работа през целия им живот.
Този тип АБ са високо чувствителни към температурата на обкръжаващата среда. На сравнително по-късен етап са разработени хибридни АБ, с положителни електроди от нискоантимонови сплави и отрицателни от оловно-калциеви.

АБ трето поколение
Като конструкция са херметизирани с абсорбирани сепаратори с електролит. Познати са и като конструирани на базата на AGM-технология. При тях електролитът е абсорбиран от сепаратора в стъклотъкан (Absorbed in Glass Mat), поместена между електродите. Сепараторът представлява елементарна система, в която капилярните сили задържат електролита. При това, електролитът е дозиран в количества, гарантиращи запълване на малките пори. От своя страна, големите пори остават свободни, с което се осигурява циркулация на отделящите се газове.
Като качества AGM батериите са сходни на геловите АБ, с изключение на газообразуването, което е с пъти по-малко. Друга разлика е по-слабото влияние на външната температура. Задължително е използването на специално зарядно устройство, обезпечаващо нестабилност на напрежението по-малко от ±1 %. Следващата крачка в развитието на технологията бе разработването на АБ, в която всички електроди са калциевосъдържащи. Това бе шумно огласено като технология "Са/Са". Освен вяло кипене на електролита, което е възможно да не се случи никога, новите АБ се характеризират и с минимален ток на саморазряд при продължително съхранение.
Характерно за АБ от третото поколение е, че отсъства напълно антимон. Той подобрява електрическите характеристики на АБ, но присъствието му във VRLA АБ е нежелано. След технологията "Са/Са" бяха разработени още два варианта гел АБ. Технологията АGM (Absorptive Glass Mat) също бе развита в посока сепаратор от ултратънки стъклени влакна. Съвременните АGM АБ са по-нечувствителни към колебанията на външната температура, дълготрайни, виброустойчиви. На базата на технологията се изработват АБ, с плоски и със спирални електроди. Последните имат отлични стартови характеристики и минимално вътрешно съпротивление. Основният им недостатък е нежелателното оставяне на незаредена АБ при ниски външни температури.

Групи АБ според режима на работа
Съществуват различни признаци за класификация на АБ. Сред тях е режимът им на работа. На основата му батериите се разделят в три групи:
l АБ, работещи в буферен режим, например с основен източник на напрежение. АБ е резервен източник на захранване. Периодите на заряд, както и тези на разряд са непродължителни. В по-голяма част от времето батерията е в подзаряд. Типичен пример - UPS системите.
l Работа в цикличен режим, който се характеризира с определени периоди на разряд и заряд. Този режим се използва сравнително по-рядко в сравнение с буферния. Характерен пример са електротранспортът и устройствата за автономно електрозахранване.
l Смесен режим на работа. Типичен пример - автомобилни АБ.

Класификация според конструкцията
Съществуват различни акумулаторни батерии според конструкцията. Сред най-широко използваните са т.нар. оловно-кисели батерии с регулиращи клапани (VRLA - Valve Regulated Lead Acid batteries), с панцерни плочи, с решетъчни намазани плочи, GroE батерии с тип Plante плочи. В някои технически издания се говори за SLA (Sealed Lead Acid batteries) - херметични оловно-кисели АБ, отнасящи се към групата на VRLA. Абсолютно херметични АБ не съществуват, тъй като при всички конструкции се използва клапан за понижаване на вътрешното налягане до определена стойност. Следва да се има предвид, че клапан и пробка са различни елементи и ако АБ има клапан, няма пробка и обратно. Често се използва и названието Gelcell или гел АБ на български. Стационарните АБ понякога съкратено се наричат SLI (Start, Light, Ignition) - пускови, осветителни, запалителни. VRLA, от своя страна, са два основни вида GEL dryfit и AGM. Произвеждат се и чисто оловни АБ - от тях се правят батериите, тип Plante и GroE.
Според съдържанието на антимон АБ се разделят на:
l Високоантимонови (4-11%) - използват се като тягови АБ. Понасят по-голям брой цикли разряд-заряд. Необходимият им заряден ток е 5 пъти по-голям от разреждащия.
l Нискоантимонови (0.5-3%) - към групата принадлежат батериите, тип OpzS.
l Безантимонови - такива са VRLA.
Високата температура съкращава живота на VRLA
Повечето оловно-киселинни АБ имат елементи с призматична форма. Затова и изработените им от пластмаса кутии са правоъгълни. Някои VRLA АБ се произвеждат на основата на цилиндрични елементи. Те обезпечават много висока стабилност на работа на елементите, голям разряден ток, много добра температурна стабилност в сравнение с АБ от призматични елементи. Нямат "ефект на паметта" и продължителният заряд не ги изкарва от строя. Способността да съхраняват заряда е най-добра от всички типове АБ.
За разлика от никел-кадмиевите АБ, на оловно-киселите не се отразяват положително дълбоките цикли заряд/разряд. Големият разряд може да причини изкривяване на призматичните пластини (електродите), водещо до понижение на капацитета или отказ. Такива загуби на капацитет не са големи, ако АБ работи в нормални условия, но даже единствен случай на претоварване би могъл да причини загуба на 80% от капацитета. В зависимост от начина на експлоатация - разряд/заряд, работна температура, ресурсът им се движи от 1 до 20 и повече години. Оптималната околна температура е 25 °С и всяко увеличение с 10 °С води до съкращаване на ресурса им наполовина. Например, VRLA АБ при температура 25 °С може да работи 10 г., при температура 33 °С - само 5 г., а при температура 42 °С - само 1 г.
Конструкцията на АБ на различните компании-производители се характеризира с определени специфики, например конструкция на сепараторите или решетките, или използване на специфични добавки при изработване на електродите.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю с видовете, конструктивните специфики, характеристиките и критериите за избор на VRLA батерии.