Свинцово кислотный аккумулятор кпд

Почему стоит переплатить за литиевый аккумулятор

Перед теми, кто задумался о сборке электровелосипеда своими руками, довольно часто встаёт вопрос выбора типа аккумулятора. И первое, что приходит в голову — использовать свинцово-кислотный аккумулятор. Причины такого выбора на первый взгляд очевидны — низкая стоимость и простота конструкции (не требуется плата управления BMS).

Однако есть весомые аргументы, которые могут побудить вас отказаться от использования свинцового аккумулятора в пользу литий-ионного. Давайте разберём их по порядку.

1. Разница в весе

Не секрет, что свинцовые аккумуляторы весят больше литий-ионных, но часто этому не придают значения, ставя в приоритет преимущество в цене. Тем не менее, для электровелосипеда низкий вес может оказаться важнее цены, так как его вы будете поднимать и спускать по лестнице (возможно даже каждый день), а иногда загружать в автомобиль для транспортировки.

Кроме того, дополнительный вес не лучшим образом сказывается на динамике разгона и торможения. Больше вес — выше инерционность — значительнее износ тормозных колодок. Также применение тяжёлых свинцовых аккумуляторов увеличивает нагрузку на раму и систему подвески велосипеда.

Рассмотрим, к примеру, аккумулятор на 36 В ёмкостью 7-7,5 Ач. Свинцово-кислотное исполнение представляет собой три последовательно соединённых аккумулятора по 12 В 7Ач, а литий-ионный вариант — 30 ячеек типоразмера 18650 по 2500 мАч и плата BMS, весом около 100 грамм.

2,5 Ач 3,6 В 0,05 кг

3S1P (3 элемента)

10S3P (30 элементов)

Вес готовой батареи

Из таблицы видно, что вес свинцового аккумулятора превосходит вес литий-ионного более чем в 4 раза, и эта разница будет влиять на эксплуатационные характеристики велосипеда, в том числе на запас хода на одном заряде.

Стоит также учесть, что в случае, если вы забыли зарядить батарею перед поездкой, возвращаться на педалях со свинцом на борту будет гораздо тяжелее.

2. Плотность энергии

Литий-ионные аккумуляторы по плотности энергии превосходят свинцовые в несколько раз. В нашем случае свинцово-кислотный аккумулятор имеет абсолютную ёмкость 252 Втч (7 Ач * 36 В) при весе 6,9 кг. То есть плотность энергии составляет 36,5 Втч/кг.

В то же время, литий-ионный аккумулятор при абсолютной ёмкости 270 Втч (7,5 Ач * 36 В) весит 1,6 кг, то есть его плотность энергии составляет 168 Втч/кг, что превосходит значение свинцового аккумулятора более чем в 4 раза.

3. Срок службы и ТО

При эксплуатации аккумулятора его ёмкость постепенно снижается, и скорость этого снижения зависит сразу от нескольких факторов, среди которых глубина разряда, температура эксплуатации и другие.

Срок службы аккумулятора, при соблюдении правил его хранения и эксплуатации, определяется количеством циклов заряда-разряда. Для свинцово-кислотных батарей эта характеристика находится в диапазоне от 200 до 1000 циклов, у литий-ионных аккумуляторов — в диапазоне от 1000 до 4000 циклов.

Кроме этого, свинцовые батареи имеют более высоких саморазряд, и требуют периодического обслуживания — подзарядки и корректировки плотности электролита. Литий-ионные батареи практически не требуют обслуживания, так как функцию балансировки, то есть выравнивания напряжений на ячейках, выполняет плата управления батареей (BMS, Battery Management System).

4. Эффективность (КПД)

Коэффициент полезного действия свинцовых аккумуляторов при правильной эксплуатации составляет около 80-90%. Другими словами, если на зарядку батареи потрачено 100 Вт энергии, то на разряде она отдаст только 80-90 Вт.

У литий-ионных батарей этот параметр достигает 95-97%, то есть практически вся энергия, затраченная при заряде, будет возвращена при подключении нагрузки.

5. Ток заряда и время полной зарядки

Оптимальным током заряда для свинцовых аккумуляторов считается ток, равный 10% от ёмкости аккумулятора в ампер-часах (0,1С), то есть в рассмотренном выше случае при ёмкости 7 Ач оптимальный зарядный ток составит 0,7 А. При быстрой зарядке допускается ток 0,2С (в нашем случае 1,4 А). В обоих случаях ближе к концу процесса зарядки этот ток должен быть уменьшен.

Для литий-ионных аккумуляторов ток заряда лежит в пределах от 0,2С до 1С (при быстрой зарядке), то есть при ёмкости аккумулятора 7 Ач он составит от 1,4 А до 7 А. Заряд осуществляется сначала постоянным током, а затем, при достижении верхнего напряжения, ток постепенно снижается.

В большинстве случаев на полную зарядку свинцового аккумулятора требуется 8-16 часов времени, на зарядку литий-ионного — всего 2-4 часа. Это преимущество по времени позволяет существенно подзарядить литий-ионную батарею даже во время остановки в кафе на обед, если вы отправились в дальнее путешествие.

6. Влияние высоких температур

При эксплуатации в условиях высоких температур происходит быстрая деградация аккумулятора. Но что подразумевается под понятием высокой температуры и откуда она берётся?

При подключении к аккумулятору нагрузки, например, в виде электродвигателя велосипеда, через него начинает протекать ток. Каждый аккумулятор имеет своё внутреннее сопротивление. Соответственно, протекание тока приводит к постепенному нагреву аккумулятора — конечно, в зависимости от силы тока. Чем мощнее нагрузка (выше ток), тем быстрее происходит нагрев.

Если нагрузка слишком высокая для данного аккумулятора, он довольно быстро нагревается, и начинается процесс его ускоренной деградации. Результатом этого процесса является существенное снижение ёмкости аккумулятора, и как следствие, необходимость его последующей замены.

Для свинцового аккумулятора деградация начинается при превышении температуры 25 градусов, для литий-ионного — при превышении 45 градусов по Цельсию.

Заключение

Давайте подведём итог всему вышесказанному. Если вы уже приняли решение использовать свинцово-кислотный аккумулятор на электровелосипеде, используйте. Но если всё-таки аргументы, приведённые в данной статье, вас переубедили, и склонили к приобретению литий-ионного аккумулятора, вы определённо останетесь довольны его значительно меньшим весом, компактными габаритами, отсутствием потребности в обслуживании, более длительным сроком службы и скоростью зарядки.

Кстати, если сравнить разницу в денежном выражении, получим следующее. Три свинцовых аккумулятора обойдутся в сумму около 5 тысяч рублей. Сборка батареи заключается только в последовательном соединении этих аккумуляторов.

Литий-ионную батарею на 7,5 Ач 36 В лучше приобретать в собранном виде, и она обойдётся вам в сумму около 10 тысяч рублей (из Китая дешевле, но дольше, при сомнительном качестве и без гарантии). Это в 2 раза дороже свинцово-кислотного исполнения, но она обладает довольно существенными преимуществами.

Кроме того, литий-ионные аккумуляторы можно приобрести сразу с корпусом, предназначенным для установки на раму велосипеда, и с зарядным устройством в комплекте. Это позволит сократить время сборки, обеспечит надёжную работу батареи и безопасность при эксплуатации.

Если статья Вам понравилась, или даже оказалась полезной, подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Впереди будет ещё больше интересного!

Источник

Свинцово-кислотный аккумулятор — из чего состоит и как работает

Что такое свинцово-кислотный аккумулятор

Свинцовый аккумулятор – такой тип химического источника тока, который основан на реакции свинца и серной кислоты. Его изобретателем считается Гастон Планте, а первое появление датируется 1859-1860 годами. В 1878 году устройство аккумулятора было усовершенствовано изобретателем Камиллом Фором, который предложил наносить на пластины свинцовый сурик – красно-оранжевый порошок, представляющий собой ортоплюмбат свинца. В том же веке Николай Николаевич Бенардос – русский инженер и изобретатель – покрыл пластины батареи губчатым свинцом, добившись увеличения мощности.

Чтобы узнать, какой процесс происходит в аккумуляторе во время его работы, необходимо подробно рассмотреть его устройство. Конструкция современного кислотного аккумулятора включает в себя:

• корпус из кислотоупорного материала;
• электролит, представляющий собой раствор серной кислоты в дистиллированной воде;
• анодные – положительные – решетчатые свинцовые пластины, в ячейках которых запрессован порошок диоксида свинца;
• катодные – отрицательные – решетчатые свинцовые пластины, в ячейках которых – губчатый свинец;
• сепараторы, выполненные из пористого, не контактирующего с кислотой материала и предназначенные для разделения положительно и отрицательно заряженных пластин и предупреждения короткого замыкания между ними
• крышку (обычно встречается в переносных батареях), для достижения герметичности упаковки залитая мастикой;
• бареток, соединяющих одноимённые пластины и служащих в качестве токоотвода;
• крепёжные и соединительные элементы.

СПРАВКА: специалисты из США нашли способ облегчить свинцово-кислотный аккумулятор, увеличив при этом коэффициент полезного действия (КПД) – вместо полностью свинцовых решёток инженеры предлагают использовать пластины из углеродного волокна со свинцовым покрытием.

Принцип действия свинцового аккумулятора заключается в следующем. Положительные и отрицательные электроды опущены в электролит, и при подключении источника тока к внешней цепи оксид свинца вступает в химическую реакцию с серной кислотой. По мере разрядки батареи на аноде окисляется свинец, а на катоде происходит процесс восстановления диоксида свинца. Также при уменьшении заряда в АКБ плотность электролита снижается из-за расхода серной кислоты и выделения воды. Но стоит учитывать, что в процессе зарядки устройства запускаются обратные процессы.

СПРАВКА: при перезаряде можно наблюдать нежелательное явление – кипение электролита, вызванное электролизом воды. Избегают его путём снижения зарядного тока при повышении напряжения.

Кислотные аккумуляторные батареи
Классификация	Вид
По конструкции анодов	· Поверхностные

· Решётчатые По агрегатному состоянию электролита · Жидкостный

· Абсорбированный По возможности обслуживания · Обслуживаемый

· Малообслуживаемый По назначению · Стартерные

· Промышленные

СПРАВКА: выделяют также EFB аккумуляторы, также использующие электролит в жидком виде, но обладающие лучшими техническими характеристиками, чем жидкостные.

Параметры батареи, тип, страну-производителя и прочую необходимую информацию пользователь может узнать через маркировку, не прибегая к техническому паспорту устройства.

В источниках тока, сделанных в России, обозначение происходит согласно ГОСТ, и шифр обязательно включает в себя (по порядку):

• количество банок в корпусе;
• обозначение типа, например, «СТ» – стартерная;
• ёмкость, измеряемая в А∙ч;
• материал и особенности конструкции.

ВНИМАНИЕ: последние буквы маркировки означают: «А» – общая крышка, «З» – заряженная и заправленная батарея, «Т» – материалом для корпуса служит термопласт, «М» – минеральная пластмасса, «Э» – эбонит, «П» – материалом для сепараторов служат полиэтилен или микроволокна.

Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Технические характеристики АКБ зависят от их типа. Для наглядности рассмотрены несколько наиболее используемых видов батарей:

• LA – обслуживаемые стартерные;
• VRLA – необслуживаемые, жидкостные;
• VRLA AGM – необслуживаемые, абсорбированные;
• VRLA GEL – необслуживаемые, гелевые;
• OPzV – необслуживаемые, трубчатые, гелевые;
• OPzS – малообслуживаемые, трубчатые.

Вид	LA	VRLA	VRLA AGM	VRLA GEL	OPzV	OPzS
Ёмкость, А∙ч	10-300	1-300	1-3000	1-3000	50-3500	50-3500
Оптимальная глубина разряда, %	30	20	>25

Благодаря умеренной цене и хорошим показателям, кислотные АКБ получили широкое распространение в технике. В сферу применения свинцовых источников тока входят:

• лёгкий и грузовой автотранспорт, включая сельскохозяйственную технику и моторные лодки;
• системы пожарной безопасности и охраны;
• системы аварийного энергоснабжения;
• системы энергоснабжения в областях, удалённых от стационарной электрической сети;
• контрольно-измерительные приборы для торговли и малого бизнеса;
• источники бесперебойного питания (ИБП) для компьютерной техники;
• запасные источники энергии;
• слаботочные системы;
• инвалидные кресла с электроприводом.

Преимущества и недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов

К безоговорочным плюсам свинцово-кислотных АКБ относят относительно низкую стоимость вследствие простоты и дешевизны производства, а также низкий показатель саморазряда, что свидетельствует о долговечности батарей. Кроме этого, кислотные источники тока просты в эксплуатации и обслуживании, не имеют эффекта памяти и могут производить пусковой ток высоких значений, не просаживая напряжение питания. Ввиду использования проверенной временем технологии аккумуляторы универсальны и могут применяться для выполнения широкого спектра задач.

Минусы свинцовых батарей в сумме составляют большой перечень, однако не перекрывают их преимущества. Одним из первых недостатков пользователи называют внушительные габаритные размеры и массу, что зачастую неприемлемо при эксплуатации. При этом если рассматривать весо-энергетическую плотность, то значение энергоёмкости снижается. Количество циклов разряда у АКБ ограничено, а её производство экологически небезопасно из-за свинца. Более того аккумулятор должен храниться в хорошо вентилируемом помещении и не испытывать резких изменений температур, особенно минусовых.

Очевидно, что чем ниже температура окружающей среды, тем быстрее может разрядиться аккумулятор. Однако в кислотных устройствах рабочие параметры снижаются с меньшей скоростью, что отличает его от других типов аккумуляторов. По статистике, начиная понижать температуру с 20°С на один градус, можно заметить потерю показателя ёмкости на 1%. Таким образом, значение ёмкости при нуле не превысит 80%, а при -20°С – 60%.

Свинцовые АКБ отличаются от других типов химических источников тока своими преимуществами и недостатками, но так как сами кислотные батареи подразделяются на несколько видов, следует рассмотреть особенности каждого из них и выявить характерные отличия.

Классификация по агрегатному состоянию электролита	Особенности
Жидкостные	· потребность в регулярном обслуживании; · расположение только вертикально; · ресурс не превышает 500 циклов полного заряда и разряда; · необходимо поддерживать уровень заряда на отметке не менее 50%
EFB	· потребность в регулярном обслуживании; · расположение только вертикально; · ресурс не превышает 1000 циклов полного заряда и разряда; · необходимо поддерживать уровень заряда на отметке не менее 60%
Гелевые	· нет потребности в обслуживании; · увеличенный ресурс работы и повышена устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам по сравнению с жидкостными
AGM (абсорбированные)	· нет потребности в обслуживании; · заряжать можно в 5 раз быстрее, чем другие типы, но важно соблюдать правила зарядки; · ресурс не превышает 600 циклов полного заряда и разряда
AGM+	· ресурс не превышает 1200 циклов полного заряда и разряда; · уменьшенное внутреннее сопротивление

Как обслуживать свинцово-кислотный аккумулятор

По статистике 80% неполадок аккумулятора заключается в его сульфатации, появившейся из-за отсутствия технического обслуживания. Как проверить аккумулятор читайте здесь.

Чтобы предотвратить этот процесс, достаточно регулярно выполнять три процедуры:

• контролировать уровень дистиллированной воды;
• поддерживать чистоту;
• выравнивать заряд.

Как восстановить аккумулятор и убрать потерю емкости, читайте тут.

В процессе работы часть электролита испаряется, концентрация серной кислоты увеличивается, а уровень жидкости в банке понижается, что становится причиной контакта железных пластин с воздухом. Во избежание повреждения ячеек электродов нужно следить за количеством электролита и при необходимости добавлять в банку батареи дистиллированную воду.

СПРАВКА: доливать жидкость необходимо после полной зарядки АКБ.

Пользователи знают, насколько важна чистота АКБ: наличие грязи, пыли, подтёков кислоты может поспособствовать возникновению тока утечки, и аккумулятор разрядится и разбалансируется. Поэтому необходимо регулярно проводить чистку батареи, например, при помощи пароочистителя.

Чем чаще используется источник тока, тем больше ёмкость его ячеек будет отличаться друг от друга, что обязательно приведёт к проблемам в режиме зарядки. Чтобы урегулировать ситуацию, специалисты советуют пользоваться выравнивающим зарядным устройством, которое подаёт слабый ток и увеличивает время процесса на несколько часов, однако позволяет заряду распределиться равномерно и до 100% пополнить энергию.

Стандартное время зарядки пустой батареи составляет 10-12 часов. При этом крайне важно выставлять ток значением до 10% от ёмкости батареи. Обычно схема питания АКБ состоит из двух этапов: на первом аккумулятор заряжается постоянным током, на второй – постоянным напряжением.

Чтобы осуществить проверку работоспособности, существует множество способов, как традиционных, так и современных. К последним относится контроль системы при помощи электронных тестеров, которые показывают более правильные результаты, но могут оказаться дорогостоящими. Конечно, без подобного оборудования не обойтись при проверке современных герметичных аккумуляторов. Но для более традиционных устройств подойдут простые методы, проверенные временем.

1. Контроль плотности жидкости. При помощи ареометра нужно зарегистрировать значение плотности и сравнить с эталонными показателями. Для обеспечения нормальной работы параметр должен быть не ниже 1,23 г/см 3 , но не выше 1,4 г/см 3 .
2. Контроль уровня электролита. Жидкость должна полностью покрывать свинцовые пластины и возвышаться на 1-1,5 см.
3. Контроль с помощью нагрузочной вилки. Данное устройство измеряет напряжение АКБ под действием силы тока в десятки и сотни ампер. Такой метод весьма качественен для определения работоспособности батареи, однако, в случае частого использования нагрузочной вилки существует вероятность износа аккумулятора.

Источник