Емкость свинцового аккумулятора от температуры

Ёмкость и срок службы аккумуляторов в зависимости от температуры

Место монтажа АКБ должно быть оптимально по температуре для максимальной ёмкости и срока службы.

Рабочий диапазон температуры окружающей среды большинства инверторов и ИБП находится в границах от 0 до 40°С и такие условия обеспечить, как правило, не составляет труда. Совсем иная ситуация в отношении аккумуляторных батарей. Давайте обратимся к документации.

Рабочий диапазон температур большинства AGM аккумуляторов:

• Разряд: от -20°С до +60°С
• Заряд: от 0°С до +60°С
• Хранение: от -20°С до +60°С

С первого знакомства с этими данными может показаться, что никаких проблем с эксплуатацией нет, но обратим внимание на график падения ёмкости при снижения температуры:

Ёмкость при различных температурах

Из графика видно, что при 10-ти часовом разряде номинальная ёмкость достигается при температуре 20-25°С. Снижение температуры приводит к потере ёмкости: при 0°С мы имеем порядка 85% ёмкости (тормозится химическая реакция). Повышение температуры ведет к увеличению ёмкости + 40°С – 105%.

Однако следует иметь ввиду, что с ростом температуры падает срок жизни АКБ из-за ускорения процессов сульфатации свинцовых пластин.

Срок службы АКБ в зависимости от температуры

При температуре окружающей среды в 30°С срок жизни падает на 30%. И далее, мы наблюдаем линейное падение срока службы с повышением температуры.

Таким образом, выбирая помещение для размещения аккумуляторного банка следует уделить особое внимание температурным режимам.

Источник

Эксплуатация свинцово-кислотных аккумуляторных батарей при отрицательных температурах

Условия эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторных батарей будь то в составе резервных источников питания, применяемых в системах автоматики и телемеханики на видах транспорта, телекоммуникационного оборудования и оборудования связи, охранных и пожарных систем безопасности и других устройств предусматривают различное их размещение и монтаж непосредственно на самих объектах эксплуатации. Если свинцово-кислотные аккумуляторные батареи расположены внутри помещений в специально оборудованных аккумуляторных комнатах с системами отопления, вентиляции и кондиционирования, то условия их работы, как правило, мало чем отличаются от тех, которые предписаны заводом-изготовителем. Условия эксплуатации батарей в наружных шкафах, где практически нет разницы с температурой внешней среды, заслуживают отдельного внимания. В этом случае не всегда выполняются требования к режиму заряда аккумуляторов, они часто эксплуатируются при низких и даже отрицательных температурах. Это, в свою очередь, ограничивает не только доступную разрядную емкость аккумуляторных батарей, но и зачастую ведет к постоянному недозаряду последних.

Все технические характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов, включая проектируемый срок службы, определены для эталонной температуры 20° (как правило, для европейских производителей) или 25°С (преимущественно для производителей Юго-Востока Азии) в зависимости от серии батарей и производителей. Поддерживать эту температуру в течение всего срока службы очень сложно, поэтому рекомендуемая температура эксплуатации без использования поправочного температурного коэффициента варьируется в пределах 10-30°С. Для многих типов аккумуляторов в этом диапазоне не требуется регулирование напряжения заряда с применением температурного коэффициента.

Зависимость емкости аккумулятора от температуры

Как уже отмечалось выше, условия работы батареи в наружных шкафах существенно отличаются от рекомендуемых производителем. В зимний период в зависимости от региона температура в них может опускаться ниже -50°С. Поэтому при этих условиях заряд аккумуляторных батарей, как правило, производят повышенным напряжением из расчета на 0,003 В/°С, отличной от рекомендованной заводом-изготовителем.

При эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов при пониженной температуре ограничивается их допустимая разрядная емкость.Для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей герметизированного исполнения («AGM» и «GEL») примерные данные зависимости емкости в процентном соотношении от температуры окружающей среды представлены в таблице.

Примерный график зависимости отдаваемой емкости (Сразр.) в процентном соотношении к номинальной емкости от температуры (°С) представлен на Рис. 1. Если исходить из того, что 100% емкость батареи соответствует температуре 25°С, то из графика видно, что с понижением температуры отличной от 25°С отдаваемая емкость аккумуляторных батарей падает, а с повышением, наоборот, возрастает.

Такое поведение свинцово-кислотного аккумулятора объясняется обратной зависимостью его внутреннего сопротивления от температуры. Величина сопротивления возрастает, прежде всего, за счет ухудшения проводимости электролита, а также по мере разряда аккумулятора. Это связано с тем, что при отрицательных температурах снижается скорость диффузии ионов электролита (и его концентрации в порах активной массы), проводимость самой активной массы и сепаратора. При этом уменьшается электропроводность в целом.С увеличением внутреннего сопротивления усиливается поляризация и создаются условия для образования мелкокристаллических плотных осадков сульфата свинца, вызывающих пассивирование отрицательного электрода.

Если вспомнить Закон Ома для полной цепи (I= ε/R+r), который устанавливает связь между силой тока, электродвижущей силой (ЭДС) и внешним и внутренним сопротивлением в цепи, то видно, что чем выше внутреннее сопротивление (особенно электролита), а оно повышается с понижением температуры, тем меньше отдаваемый аккумуляторной батареей ток, а соответственно и емкость самой батареи.

Динамика снижения напряжения аккумулятора при разряде зависит от изменения ЭДС элемента, динамики роста его внутреннего сопротивления, а также величины тока разряда. Иными словами, чем ниже температура аккумулятора и больше ток разряда, тем быстрее упадет напряжение на его выводах и, соответственно, меньше окажется снятая емкость. Возникает эффект так называемой «кажущейся» потери емкости, когда запас непрореагировавших активных веществ еще достаточен, а разряд приходится прекращать из-за недопустимого снижения напряжения на выводах батареи.

Точка замерзания электролита

С понижением температуры увеличивается вязкость электролита, что затрудняет его проникновение в поры глубоких слоев активной массы пластин. При этом поверхностные слои активной массы быстрее преобразуются в PbS04 и кристаллы PbS04 закрывают поры активной массы, а поэтому химическая энергия, запасенная в глубоких слоях активной массы пластин, полностью не используется и разрядная емкость батареи понижается. При понижении температуры электролита ниже +25 °С емкость аккумуляторной батареи при ее разряде силой тока, соответствующей 0,05Сном., уменьшается на 1% на каждый градус понижения температуры, а при большей силе разрядного тока — на большую величину.

Более того, работа аккумуляторной батареи при низких отрицательных температурах связана с опасностью замерзания электролита. Электролит свинцово-кислотного аккумулятора представляет собой водный раствор серной кислоты и непосредственно участвует в токообразующих реакциях. Из-за того, что при разряде расходуются молекулы серной кислоты и образуются молекулы воды, плотность электролита постепенно снижается.

Оценивая работоспособность аккумулятора при отрицательных температурах, необходимо учитывать не только номинальную (начальную) плотность его электролита, но и плотность в конце разряда при снятии расчетной емкости.

Начальная плотность электролита полностью заряженного аккумулятора зависит от его конструкции и технологии производства. Например, аккумуляторы со свободным электролитом в зависимости от модели могут иметь номинальную начальную плотность: 1,22; 1,24; 1,26 кг/л. Температуры замерзания электролита этих полностью заряженных батарей составляют: -32; -42 и -54°С, то есть аккумулятор с электролитом плотностью 1,24 кг/л нельзя разряжать при температуре ниже -40°С

-45°С из-за угрозы его замерзания. Поэтому эксплуатация батареи при температуре ниже точки замерзания электролита полностью заряженного аккумулятора недопустима.

Область замерзания электролита примерно одинакова для всех типов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Усредненный график зависимости температуры замерзания электролита от плотности электролита представлен на рис. 2.

Кроме этого, в зависимости от температуры следует ограничивать глубину ее разряда. Чем ниже температура эксплуатации, тем меньше допустимая глубина разряда. Поэтому при отрицательной температуре приходится использовать аккумуляторы с повышенной номинальной емкостью.

Таким образом, если предполагается эксплуатировать свинцово-кислотные аккумуляторы при пониженной температуре, то при расчете и выборе батареи необходимо предусмотреть запас по емкости.

Ограничение отбора емкости батареи при отрицательной температуре — это принудительная остановка разряда или снятие с аккумуляторов определенного количества электричества. Более экономичное и технологичное решение — использование подогреваемых батарейных шкафов, особенно в регионах с холодным климатом. В идеальных условиях температура в них не должна опускаться ниже 5°С. Это предотвратило бы опасность замерзания электролита и ограничило коэффициент запаса номинальной емкости относительно разрядной. Но даже поддержание температуры в шкафу в пределах оптимальной существенно облегчит выбор батареи и сделает ее работу более предсказуемой.

Оставьте свои контактные данные, и наши специалисты свяжутся с вами, для консультации или оформления заказа

Источник

Эксплуатация свинцово-кислотных аккумуляторных батарей при повышенных температурах

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи способны надежно работать в пределах заявленных заводом-изготовителем сроков службы при соблюдении правил эксплуатации, обслуживания и хранения, изложенных в соответствующих Руководствах. Существенное влияние на работоспособность и срок службы оказывают температурные условия, а также режимы заряда и разряда в процессе эксплуатации.

Оценивая условия эксплуатации резервных источников электропитания, применяемых в системах автоматики и телемеханики на видах транспорта, телекоммуникационного оборудования и оборудования связи, охранных и пожарных систем безопасности основное внимание следует обращать на место их установки. Если свинцово-кислотные аккумуляторные батареи расположены в капитальном помещении, то условия их работы, как правило, мало чем отличаются от тех, которые предписывает производитель. Условия эксплуатации батарей в наружных шкафах, где практически нет разницы с температурой внешней среды, заслуживают отдельного внимания. В этом случае не всегда выполняются требования к режиму заряда аккумуляторов, они часто подвергаются экстремальным тепловым нагрузкам, особенно в летний период и в регионах с жарким климатом. Все это сокращает прогнозируемый срок службы батарей.

Что происходит с аккумуляторными батареями во время работы при повышенной температуре

При высоких температурах из-за повышенного испарения воды быстро понижается уровень электролита в аккумуляторах, происходит повышенная коррозия токоотводов положительных электродов и увеличивается саморазряд батарей при их длительном хранении. Так, при нормальных условиях, а это в пределах 20ºС — 25ºС, саморазряд составляет в среднем в пределах 3% в месяц от заявленной производителем номинальной емкости.

Кроме того, при высоких температурах при заряде также может происходить неконтролируемый перезаряд батарей, при котором прослеживаются так называемые невосстанавливаемые деградационные процессы внутри батарей.

Важно учитывать тот факт, что если снижение температуры приводит к потере емкости, то при повышении температуры емкость увеличивается, что требует при заряде использовать понижающий температурный коэффициент, который в среднем составляет 0,003 В/°С. В противном случае идет перезаряд батарей, сопровождающийся обильным газовыделением и нагревом за счет ускорения реакций внутри батарей, а как следствие, терморазгоном с выходом батарей из строя, а в худшем случае деформацией корпуса, разгерметизацией или даже разрывом батарей.

Известно, что скорость протекания любой химической реакции возрастает в 2 раза при повышении температуры на каждые 10°С. Это положение полностью справедливо и для реакций, происходящих внутри свинцово-кислотных аккумуляторных батарей: при повышении температуры электрохимическая активность аккумуляторов возрастает, что и ведет к увеличению емкости (см. Рис. 1).

Для заряда аккумуляторных батарей в наружных шкафах зачастую применяют преобразователи с недостаточно стабильными выходными характеристиками выпрямителя при отсутствии интеллектуального управления режимом заряда. В частности, у них низкая точность стабилизации выходного напряжения (более 2%), высокий уровень остаточных пульсаций и, как следствие, большая амплитуда наложенных переменных токов, протекающих через батарею. Также отсутствуют функции термокомпенсации напряжения заряда, о которых говорилось выше.

Не всегда в полной мере удается оценить влияние этих факторов на процесс старения батареи. Каждый отдельно и в сочетании они могут приводить к перезаряду или недозаряду аккумуляторов, и, как следствие, к ускоренной деградации и выходу их из строя. Поскольку предотвратить негативные воздействия невозможно, следует внимательнее следить за состоянием батареи в этих условиях, чтобы своевременно принять необходимые меры для обеспечения максимально возможных условий эксплуатации, рекомендованных производителем.

Все технические характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов, включая проектируемый срок эксплуатации, определены для эталонной температуры 20°С или 25°С в зависимости от серии батарей и производителей. Поддерживать эту температуру в течение всего срока службы невозможно, поэтому рекомендуемая температура эксплуатации, как правило, находится в пределах 10°С — 30°С без применения температурного коэффициента при заряде. Для многих типов аккумуляторов в этом диапазоне не требуется регулирование напряжения подзаряда (использование температурного коэффициента компенсации).

Однако условия работы батареи в наружных шкафах существенно отличаются от рекомендованных производителем. В летний период температура в них может подниматься и выше +60°С. При эксплуатации в условиях повышенных температур фактический срок службы батареи по сравнению с расчетным сокращается. Превышение эталонной температуры на каждые 10°С уменьшает этот период вдвое. Эта зависимость, подтвержденная практикой, лежит в основе методики испытаний батарей на долговечность в режиме ускоренного старения.

Так, в соответствии со стандартом ГОСТ Р МЭК 60896-21-2013: «Батареи свинцово-кислотные стационарные. Часть 21. Типы с регулирующим клапаном. Методы испытаний» предусмотрены испытания для определения влияния температурного воздействия 55°С или 60°С на срок службы. При этом аккумуляторные батареи, помещенные в тепловую камеру, заряжают при 55°С или 60°С напряжением «флотирующего» режима заряда, рекомендованного изготовителем для температуры 25°С, после чего через каждые 42 дня (для 55°С) или 30 дней (для 60°С) охлаждают и замеряют фактическую емкость при 3-часовом режиме разряда. Затем испытуемые образцы аккумуляторных батарей снова заряжают во «флотирующем» режиме заряда при 55°С или 60°С соответственно 42 или 30 дней. Такие испытания проводятся до тех пор, пока фактическая емкость не достигнет 80% от номинально заявленной емкости 3-часового разряда (0,8С3) производителем. На основе значений фактической емкости составляется график зависимости этих значений от дней проведения испытаний при температуре 55°С или 60°С и определяется точка пересечения линии регрессии, соединяющей индивидуальные точки фактической емкости с горизонтальной линией, соответствующей уровню емкости 0,8С3. Это дает информацию о поведении аккумуляторных батарей при эксплуатации в условиях чрезмерно повышенной температуры. Для дальнейших расчетов, чтобы привести сроки испытаний к срокам эксплуатации при 25°С, используют коэффициент энергии активации из уравнения Аррениуса, который отражает зависимость скорости протекания химической реакции от степени увеличения температуры и позволяет рассчитывать константы скорости при различных температурах.

Производители свинцово-кислотных аккумуляторов не предусматривают их эксплуатацию при температурах выше 60°С, так как уже при температуре выше 45°С срок их службы многократно сокращается. Например, если батарею, рассчитанную на 5 лет работы при 25°С, непрерывно эксплуатировать при 50°С, то учитывая прочие негативно воздействующие факторы, она будет работоспособной менее года (см. Рис.2).

В шкафах, где размещаются свинцово-кислотные аккумуляторы, должна быть предусмотрена вентиляция, поскольку при заряде выделяется взрывоопасный газ — водород. В зависимости от типа аккумуляторов — с жидким электролитом или герметизированных батарей — вентиляция может быть принудительной или естественной. Недопустимо устанавливать аккумуляторы в герметичных невентилируемых отсеках, в непосредственной близости от отопительных приборов, использовать вблизи них оборудование, которое может быть источником электрических искр или пламени, а также приборов накаливания с температурой поверхности выше 300°С.

Нельзя также забывать и о том, что аккумуляторные батареи необходимо защищать от попадания прямых солнечных лучей, особенно в летний период, так как у большинства производителей корпуса батарей окрашены в черный цвет, которые за счет солнечной радиации нагреваются быстрее.

Оставьте свои контактные данные, и наши специалисты свяжутся с вами, для консультации или оформления заказа

Источник