Аккумулятор с гелеобразным электролитом

Что такое гелевый аккумулятор для автомобиля?

Гелевый аккумулятор, предназначенный для пуска силового агрегата машины, отличается повышенными характеристиками энергоемкости и увеличенным сроком службы. Устройство приспособлено к длительной работе в условиях вибраций и переменных нагрузок. При этом батарея требует соблюдения режимов зарядки, что ограничивает распространение изделий.

Что такое гелевый АКБ

Гелевым аккумулятором называется свинцово-кислотный источник постоянного тока, предназначенный для установки на автомобилях и в стационарных агрегатах. Отличием является отказ от жидкого электролитического состава в пользу загущенного вещества, состоящего из серной кислоты и дистиллированной воды.

Применение геля позволило отказаться от периодического обслуживания устройства, связанного с измерением плотности и добавлением в электролит воды. Герметичный корпус позволяет перевозить источники питания в самолетах или заряжать в замкнутом помещении.

Конструкция

В конструкцию аккумуляторной ячейки входят следующие элементы:

• клеммы или полюсные штыри, которые используются для подключения нагрузки или зарядного устройства;
• отрицательный электрод плоской конфигурации;
• положительная пластина трубчатого типа;
• сепаратор из специального материала, пропитанный загущенным электролитом.

Пластиковый корпус источника тока выполняется из ударопрочного полипропилена, герметичная конструкция исключает вытекание электролитического вещества при длительной эксплуатации изделия под наклоном. Находящийся внутри корпуса электролит удерживает образующиеся при работе газы, предусмотрен предохранительный клапан для сброса избыточного давления.

Для снижения подвижности электролита используется двуокись кремния, которая не изменяет электрохимических характеристик раствора.

Характеристики Gel-аккумуляторов

При покупке гелевого аккумулятора требуется учитывать следующие характеристики:

1. Номинальная емкость, измеренная в А*ч (ампер в час). Параметр указывает на интервал времени, в течение которого батарея способна отдавать ток силой 1 А. Например, аккумулятор Delta GX 12-55 обладает емкостью 55 А*ч. Существуют изделия емкостью 230 А*ч и более, предназначенные для установки на грузовой транспорт.
2. Ток холодной прокрутки, указывающий на максимальную силу напряжения в цепи на протяжении нескольких десятков секунд. От параметра зависит способность аккумулятора запустить силовой агрегат. Батарея Delta GX 12-100 обеспечивает ток 900 А при температуре воздуха 25°С.
3. Допустимый ток в цепи зарядки, определяющий время восстановления работоспособности. Для аккумулятора Delta GX 12-100 нормой считается ток силой до 20 А.
4. Показатель саморазряда при температуре +20…+25°С. Например, изделие Sonnenschein a512/40 A разряжается на 9% за каждые 3 месяца хранения на складе.
5. Рабочее напряжение батареи. Для автомобилей используются 12-вольтовые аккумуляторы, допускается соединение 2 источников по последовательной схеме для повышения напряжения (используется на грузовых автомашинах).
6. Масса и габариты изделия, позволяющие подобрать источник питания для автомашины или стационарной установки.
7. Полярность и тип крепления к аккумуляторной площадке.

Маркировка гелевых АКБ

На верхней крышке корпуса находится этикетка, на которой указаны характеристики источника питания и написана дата изготовления. Каждый производитель использует собственную систему кодировки даты. Например, изделия компании Optima имеют маркировку из 4 цифр вида ABCD, где A указывает на год выпуска, а BCD информирует покупателя о дне производства (отсчет идет с начала года). Надпись вида 7156 указывает на 2017 г. выпуска, батарея собрана в 156 день года.

Для изделий Delta используется код из 2 букв и 2 цифр. Буквы отображают год и месяц выпуска, а цифры позволяют определить день сборки. Например, код AA11 указывает на изделие, выпущенное 11 января 2011 г. Для последующих месяцев и годов используются латинские буквы в алфавитной последовательности. Копания Varta использует для кодировки 4-6 цифр в обозначении, нанесенном на кожух аккумулятора. Цифры обозначают год и месяц сборки соответственно.

Срок службы

Разработчики гелевых аккумуляторов заявляют максимальный срок службы до 10 лет, но условия эксплуатации способны снизить показатель в 2-3 раза. При использовании изделия в условиях низких температур (-30°С и холоднее) наблюдается ускоренное разрушение электродов и электролита. Негативное влияние оказывает и повышенная температура (более 50°С), способствующая испарению воды из гелевого электролитического состава.

Для обеспечения срока службы, заявленного производителем, необходимо соблюдать условия эксплуатации гелевой батареи:

• использовать в диапазоне температур -30…+50°С;
• проводить зарядку специальным устройством;
• не допускать регулярных глубоких разрядов;
• устанавливать изделие в зоне с пониженной влажностью;
• избегать перезарядки и неполноценной зарядки аккумулятора.

Перегрев дополнительно ускоряет коррозионные процессы, разрушающие поверхность положительных и отрицательных пластин.

Плюсы и минусы гелевых аккумуляторов

К числу достоинств аккумуляторов гелевого типа относят следующее:

1. Устройство не требует пополнения запаса электролита или воды при нормальных условиях работы. Открывать банки и заправлять дистиллированную воду требуется только при попытке восстановления батареи.
2. Залитый между пластинами гель является диэлектрической прокладкой между положительными и отрицательными электродами. Вещество дополнительно препятствует выкрашиванию активной массы, что позволяет использовать аккумулятор в условиях повышенных вибрационных нагрузок.
3. В моторный отсек не попадают агрессивные пары серной кислоты. Испарившиеся вещества и газообразные продукты реакции остаются замкнутыми в геле, а затем используются при работе батареи. Поскольку аккумулятор не выделяет водорода (который образует с кислородом воздуха взрывоопасные смеси в широком диапазоне концентрации), то допускается применять устройство в бытовых источниках бесперебойного или аварийного питания.
4. Допускается работа устройства в наклоненном состоянии, аккумулятор выдерживает кратковременный переворот на 180°.
5. Пластина выполняется из химически чистого свинца, который способствует снижению внутреннего сопротивления и ускоряет зарядку.
6. Высокий пусковой ток (зависящий от температуры окружающей среды).
7. Увеличенный срок эксплуатации. В отличие от аккумулятора с жидким электролитом, работающего 2-4 года, гелевое устройство функционирует до 10 лет (при соблюдении рекомендаций производителя).
8. Возможна глубокая разрядка батареи без риска повреждения конструкции.

1. Увеличенная стоимость, в 2-3 раза превышающая цену стандартного источника питания с жидким электролитом.
2. Для зарядки требуется установить точные значения силы тока и напряжения. При повышении напряжения в цепи питания (например, при неисправности регулятора на автомобильном генераторе) происходит необратимое разрушение конструкции аккумулятора. Разница в 1-2 В по сравнению с требуемым значением напряжения приводит к падению емкости на 30-40%.
3. При уменьшении температуры до -30°С и ниже наблюдается замерзание геля, который превращается в хрупкий материал. Жидкий электролит начинает вытекать из затвердевших оболочек в нижнюю часть корпуса батареи.
4. Необходимо применение дополнительного контроллера, регулирующего параметры тока в цепи питания. Устройство ставится на клемму и регулируется в зависимости от емкости аккумулятора.

Отличие гелевых батарей от кислотных и AGM

В стандартных аккумуляторах используется жидкий электролит, состоящий из дистиллированной воды и серной кислоты. Для повышения эффективности работы и снижения расхода воды в материал пластин стала вводиться сурьма, впоследствии вытесненная кальцием. Для повышения устойчивости к глубоким разрядам в состав вещества электродов добавляется серебро.

Получившиеся батареи относятся к категории малообслуживаемых, доливка дистиллированной воды в процессе эксплуатации не требуется.

От устройств серии AGM (также являющихся свинцово-кислотными) напряжением 12 Вольт гелевое устройство отличается текучестью электролита. В изделиях AGM жидкость находится в порах сепараторов, выполненных из специального кислотоустойчивого стеклопластика. Структура элементов обеспечивает удержание жидкости за счет капиллярного эффекта.

Предусмотрены специальные полости увеличенного размера, предназначенные для сбора газообразных продуктов, формирующихся в ходе электрохимической реакции.

Преимуществом устройств AGM является устойчивость к деградации электродов и электролита при глубоких разрядах. Эффект достигается за счет уплотнения пакета, собранного из свинцовых пластин и стеклопластиковых сепараторов. Плотно контактирующие поверхности не допускают испарения воды и выпадения активной массы в осадок.

Зарядка гелевых аккумуляторов

Аккумулятор гелевого типа для автомобиля восприимчив к параметрам электрического тока, подведенного к клеммам. Запрещается использовать стандартные зарядные блоки для обычных свинцово-кислотных устройств. Необходимо приобрести специальное оборудование, позволяющее вручную корректировать характеристики электрического тока.

В конструкции устройства предусмотрен контроллер, автоматически регулирующий параметры зарядки в зависимости от температуры аккумуляторной батареи.

Последовательность действий при обслуживании гелевого аккумулятора:

1. Снять источник тока с машины, а затем подсоединить кабели от зарядного блока с соблюдением полярности (для положительной клеммы используется зажим из красного пластика).
2. Установить вручную силу тока в цепи зарядки, которая должна составлять 10% от номинальной емкости (например, для изделия емкостью 54 А*ч требуется выставить значение 5,4 А). Для контроля параметра используется цифровой или аналоговый прибор, установленный на корпусе. Если требуется выполнить ускоренное восстановление емкости, то сила тока повышается до 30% от номинальной емкости. Часто использовать ускоренный алгоритм не рекомендуется (на корпусе указывается порог силы тока в цепи зарядки, параметр Max Initial Current).
3. Отрегулировать напряжение в цепи питания на уровне до 14,5 В (точное значение нанесено на заводской бирке в графе Cycle Use). При повышении параметра происходит размягчение геля, что приводит к утрате электрохимических характеристик.
4. Зарядка источника питания для авто занимает до 12 часов. Если батарея не используется или смонтирована в источнике аварийного питания, то требуется проводить подзарядку устройства. Допустимое напряжение в цепи указывается на заводской этикетке в графе Standby Use.

Зарядка для гелевых АКБ своими руками

Самодельное зарядное устройство для автомобильного АКБ гелевого типа строится на базе понижающего трансформатора, работающего совместно с полупроводниковым выпрямительным блоком. Вводится регулятор тока и напряжения, построенный на основе микросхемы (например, изделие L200CV от ST Microelectronics).

В конструкции предусматриваются дополнительные сопротивления, позволяющие регулировать силу тока в выходной цепи. Для контроля параметров устанавливается амперметр и вольтметр, все детали размещаются в закрытом корпусе.

Обслуживание аккумулятора

Устройство не требует периодического обслуживания в процессе эксплуатации. Если наблюдается падение емкости, сопровождаемое раздуванием корпуса, то необходимо снять пластиковые заглушки и осмотреть банки. При обнаружении осыпавшегося из-за недостатка воды электролита дальнейшая эксплуатация аккумулятора не рекомендуется.

Восстановить изделие путем добавления электролита не удается, специальных реагентов для повторной активации вещества не существует.

Можно ли в гелевый аккумулятор залить электролит или воду

Для восстановления рабочих параметров батареи допускается доливка в банки дистиллированной воды (электролит вводить не рекомендуется). Перед началом доливки необходимо отключить источник питания от внешней цепи. Затем потребуется снять пластиковую крышку и удалить резиновые заглушки, закрывающие банки.

Жидкость наносится носиком шприца или резиновой груши по 2-3 мл на поверхность сепараторов, а затем устройство выдерживается 8-10 часов (для пропитывания разделительных пластин раствором).

Если вся жидкость впиталась, то необходимо добавить еще 2-3 мл воды.

Процедура повторяется до момента прекращения впитывания раствора, излишки жидкости удаляются шприцем. Провести замер напряжения на клеммах, а затем подсоединить внешний блок питания. После зарядки малым током параметры аккумулятора частично восстанавливаются, но емкость снижается на 30-50%. Длительная эксплуатация изделия не рекомендуется, поскольку батарея не обеспечит уверенного пуска мотора.

Источник

Умный сайт для вашего энергокомплекса

На протяжении более чем века свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (АКБ) продолжают оставаться актуальными в силу дешевизны, неприхотливости и почти полного отсутствия «эффекта памяти». Но им был свойственен существенный недостаток — из-за необходимости отвода газов, выделяемых при работе, корпус аккумулятора невозможно сделать полностью герметичным. По этой причине, а также из-за использования жидкого электролита, свинцово-кислотные аккумуляторы критичны к положению в пространстве. Эксплуатировать их можно только в одном, строго определенном положении.

12-вольтовая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея

Для применения на спутниках и космических кораблях ничего лучше, чем свинцово-кислотные АКБ, тоже не нашли, но встал вопрос — как добиться работы в любом положении и как обеспечить герметичность корпуса? В рамках работы над данным проектом появились две технологии — AGM аккумуляторы, где электролитом пропитан специальный сепаратор из стекловолокна, и так называемые гелевые аккумуляторы (иначе именуемые GEL — Gelled ELectrolite), о которых пойдет речь в статье. Как и многие «космические» изобретения, гелевые и AGM аккумуляторы со временем стали применяться в обыденной жизни. Да, раз уж речь зашла о высоких технологиях, следует предостеречь от применения неправильного термина «гелиевые аккумуляторы», широко распространенного среди обычных пользователей. Никакого гелия в этих аккумуляторах нет, а понятие «гель» означает желеобразную массу и хорошо известно нам на бытовом уровне. С первого взгляда, все очень просто — в электролит добавляется вещество (обычно это соединение кремния), которое вызывает его загущение до состояния желе, практически не обладающего текучестью. Но такое решение радикально улучшает параметры аккумулятора. При этом сохраняется преемственность с прежними аккумуляторами — ЭДС одной ячейки по-прежнему равен 2,1 В.

Аккумуляторы с гелевым электролитом Fiamm серии SMG Endurlite (OPzV Gel) — слева и серии SMG12V Endurlite (Gel) — справа

Плюсы гелевых аккумуляторов

Отсутствие текучести

Гель как бы облекает свинцовые пластины, тем самым предотвращая их осыпание. В результате исключено внутреннее короткое замыкание, также уменьшается саморазряд. Но, самое главное, выделяемые газы практически полностью остаются внутри геля в виде пузырьков с последующей внутренней рекомбинацией, что позволяет сделать корпус аккумулятора полностью герметичным. На самом деле, чтобы избежать возможного «вздувания» аккумулятора, в корпусе предусматривают несколько односторонних клапанов, через которые, тем не менее, гель вытечь не может. Это и обеспечивает возможность эксплуатации аккумулятора в любом положении, хотя гелевые аккумуляторы для широкого применения эксплуатировать в положении «вверх ногами» относительно основного все же не рекомендуется. Благодаря герметичности конструкции больше не нужно подливать дистиллированную воду, поэтому для AGM и GEL аккумуляторов есть общее название «необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы».

Отсутствие текучести геля обеспечивает и безопасность в случае разрушения корпуса аккумулятора. В этом случае кислота не вытечет наружу. Данное обстоятельство особенно важно для транспортных средств на электрической тяге.

Возможность полной разрядки

Свинцово-кислотные и AGM аккумуляторы нельзя доводить до полного разряда, так как при этом на свинцовых пластинах появляются кристаллы окисного сернокислого свинца. Данное соединение не проводит электричество и его очень сложно удалить с пластин с целью восстановления работоспособности аккумулятора.

Нахождение же электролита в желеобразной форме предотвращает образование кристаллов окисного сернокислого свинца, поэтому гелевые аккумуляторы можно полностью разряжать, не опасаясь их выхода из строя. Другой вопрос, что, без лишней надобности лучше все же так не делать, поскольку полная разрядка гелевого аккумулятора снижает срок его службы.

Длительный срок службы

Количество циклов заряда-разряда гелевого аккумулятора при полном разряде составляет около 350, при разряде на 50% от номинальной емкости — около 550, при разряде на 30% — около 1200. Правильно эксплуатируемая гелевая батарея прослужит не менее 7 лет. Для сравнения — обычные кислотно-свинцовые аккумуляторы служат порядка 2 лет, AGM — около 5 лет.

Структура гелевого электролита в аккумуляторной батареи Fiamm SMG замедляет высыхание элемента, поэтому расчётный срок службы элементов 2В составляет 18 лет

Минусы гелевых аккумуляторов

Стоимость

Значительным недостатком GEL аккумулятора является его цена. При сопоставимой емкости она примерно в 3 раза больше, чем у AGM и в 5 раз больше, чем у традиционного кислотно-свинцового аккумулятора. Но данный недостаток полностью компенсируется более высоким сроком службы.

Чувствительность к превышению напряжения

Недостатком, связанным с принципом работы гелевого аккумулятора, является его чувствительность к превышению напряжения выше определенного уровня при зарядке. Например, аккумуляторную батарею с номинальным напряжением 12,6 В, нельзя заряжать под напряжением выше, чем 14,5 В. При значительном увеличении напряжения при заряде наблюдается изменение структуры электролита в сторону большей текучести. По этой причине нельзя устанавливать, например, автомобильные гелевые аккумуляторы в старые модели, где напряжение бортовой сети меняется в широких пределах. Такие аккумуляторы пригодны только для современных моделей автомобилей, где напряжение бортовой сети стабилизировано. И, естественно, недопустимо заряжать гелевый аккумулятор от зарядного устройства, не предназначенного специально для таких батарей.

Ограничения по току зарядки

Необходимость сохранения желеобразной структуры электролита ограничивает и ток зарядки GEL аккумуляторов. И, хотя такие аккумуляторы превосходят по скорости зарядки традиционные свинцово-кислотные, они отстают от AGM аккумуляторов. Существует простое правило для GEL аккумуляторов — оптимальный ток зарядки в амперах численно равен 10% от емкости, выраженной в ампер-часах. Максимально допустимый ток зарядки указывается в технических характеристиках аккумулятора, обычно он примерно в 3 раза больше оптимального.

Длительное короткое замыкание способно привести к «вздуванию» корпуса гелевого аккумулятора и полному выходу его из строя. Впрочем, короткое замыкание противопоказано и другим типам кислотно-свинцовых аккумуляторов.

Температура эксплуатации гелевых аккумуляторов

GEL аккумулятор можно хранить и эксплуатировать, пока не произойдет замерзание электролита. В зависимости от модели аккумулятора, нижняя граница температуры находится в пределах от -50 до -30 C. Но на морозе гелевые АКБ ведут себя иначе, чем традиционные свинцово-кислотные, все зависит от типа нагрузки.

Гелевые аккумуляторы являются оптимальным решением для использования в альтернативной энергетике

Если речь идет о равномерной по времени нагрузке, а также изменяемым в широких пределах уровне заряда аккумулятора, что характерно, например, для систем альтернативной энергетики, то GEL на морозе демонстрирует преимущество как относительно традиционных свинцово-кислотных, так и AGM аккумуляторов.

В свинцово-кислотных и AGM аккумуляторах плотность электролита сильно зависит от уровня заряда, в процессе разряда может произойти замерзание электролита, что в конечном счете ведет к физическому разрушению корпуса. У гелевых аккумуляторов зависимость плотности электролита от уровня заряда выражена намного слабее, так что такой аккумулятор спокойно можно хранить на морозе даже в полностью разряженном состоянии.

Но при снижении температуры у GEL в гораздо большей степени, чем у других свинцово-кислотных аккумуляторов, падает пусковой ток. Поэтому, при использовании таких аккумуляторов в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания известны случаи, когда двигатель на сильном морозе не заводился.

Применительно к повышенным температурам гелевые аккумуляторы имеют преимущества, обусловленные их герметичной конструкцией — не надо доливать часто испаряющуюся воду. В том случае, если температура превышает максимально допустимое значение (зависит от конкретной модели, выпускаются GEL аккумуляторы, специально рассчитанные на эксплуатацию в условиях высоких температур), будет происходить разжижение электролита и процесс этот, увы, необратимый.

Применение гелевых аккумуляторов

Рассматриваемый тип аккумуляторов оптимален для использования в системах альтернативной энергетики. Аккумуляторы могут работать в условиях изменения уровня заряда в широких пределах, в том числе и при отрицательных температурах. Отсутствие необходимости в обслуживании позволяет применять GEL аккумуляторы в уличных светильниках с автономным питанием от солнечных и батарей и ветряков.

Другое направление использования гелевых аккумуляторов в быту и промышленности, где они почти вне конкуренции — источники бесперебойного питания. Особенно большую выгоду применение таких аккумуляторов дает при питании телекоммуникационного оборудования, так как аккумуляторы включаются в буферном режиме, при котором GEL технология обеспечивает срок службы на уровне 10 — 15 лет. Шкафы с гелевыми аккумуляторами при питании аппаратуры связи, характеризующейся равномерной по времени нагрузкой, можно размещать на улице без дополнительного климатического оборудования.

В Китае сейчас массово выпускаются недорогие компактные электромобили для поездок в пределах города или ближайших пригородов. Для накопления энергии в таких транспортных средствах часто используются гелевые аккумуляторы, поскольку они дешевле литий-ионных и не требуют дополнительных мер безопасности.

GEL аккумулятор FIAMM, специально разработанный для использования в мотоциклах

В двухколесном транспорте гелевые АКБ используются только в пусковых системах двигателей внутреннего сгорания у мотоциклов. Для питания электромоторов они в данном случае слишком тяжелые и поэтому проиграли конкуренцию LiFePo аккумуляторам.

Современной тенденцией развития водного транспорта является использование лодок на электрическом ходу. Как правило, в них установлены GEL аккумуляторы — на период завершения навигации батареи можно положить на хранение в неотапливаемый ангар, не заботясь о подзарядке.

Выбор гелевой аккумуляторной батареи

При выборе гелевых аккумуляторов следует, в первую очередь, обращать внимание на следующие параметры:

• номинальное напряжение;
• номинальная емкость;
• максимальный ток нагрузки;
• рабочий диапазон температур, либо рекомендуемая сфера применения;
• рекомендуемый режим заряда-разряда (буферный/циклический);
• длительность рекомендуемого цикла разряда.

При эксплуатации конкретной модели GEL аккумулятора, когда режим в точности соответствует рекомендуемому производителем, аккумулятор будет радовать вас надежностью и большим сроком службы.

Если вам нужна профессиональная консультация по аккумуляторным батареям, просто отправьте нам сообщение!

Источник