Зарядка свинцово кислотных аккумуляторов плотность

Способы зарядки свинцово-кислотного аккумулятора

Рынок источников питания поражает своим изобилием и разнообразием автомобильных кислотных батарей (АКБ). Основное их отличие заключается в материале, из которого изготовлен электрод, и типе электролита.

Отсюда названия: литиевые, никель-кадмиевые, в том числе свинцово-кислотные и другие. Практически для каждой модели автомобиля существует свой тип АКБ.

Электролит бывает жидкий (водный раствор серной кислоты) или гелевый. В зависимости от этого источники питания разделяют на обслуживаемые и необслуживаемые.

Обслуживаемые требуют постоянного контроля за уровнем электролита способом своевременной добавки его или дистиллированной воды. Особенно важно проверить эти параметры перед зарядкой. В зависимости от времени года требуется доливать то или другое.

Свинцово-кислотные аккумуляторы относятся к обслуживаемым.

Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотные аккумуляторы очень популярны и пользуются спросом. Они имеют достаточно низкую стоимость и большой диапазон применения (кроме автомобилей, их можно встретить в бытовой технике, детских игрушках и др.).

Свинцово-кислотные аккумуляторы были известны уже в 60-е годы девятнадцатого века.

Металлические пластины данного аккумулятора покрываются свинцовым суриком. Это химически стойкое антикоррозийное покрытие служит защитой в агрессивной среде кислотного электролита.

Свинцово-кислотный аккумулятор отличается высокой удельной мощностью. За время эксплуатации допускает до 500 циклов перезарядки. Одним из существенных преимуществ является низкая цена.

Что указывает на необходимость подзарядки

При такой популярности следует всегда поддерживать свинцово-кислотные аккумуляторы в рабочем состоянии (впрочем, как и все другие).

А для этого требуется своевременная периодическое заряжение. О том, что такое время наступило, говорят очевидные факты: с трудом запускается двигатель, и значение напряжения опускается до 12 В.

Важно оперативно реагировать на те знаки, которые подает устройство. Если в такой ситуации продолжать использовать аккумулятор, он очень быстро станет неработоспособным без всякой надежды на восстановление.

Лучше чаще перезаряжать аккумулятор (это поможет продлить срок его службы).

Если свинцово-кислотный аккумулятор хорошего качества и приобретен из рук фирмы-изготовителя, частые перезарядки для него не только не опасны, а даже полезны, потому что тогда работа проходит без скачков напряжения.

На протяжении всей эксплуатации технические характеристики таких батарей остаются постоянными, если не доводить их до полного разряда. При отрицательной температуре это может привести еще к короткому замыканию.

Обязательные действия перед зарядкой

Большое влияние на процесс подзарядки имеет температурный режим. Прежде всего надо знать, что не рекомендуется заряжать свинцово-кислотную батарею при минусовой температуре. В зависимости от температуры требования к электролиту меняются.

При холодных погодных условиях важно сохранять плотность электролита, поэтому в это время нужно доливать именно его, а в летнее время – дистиллированную воду. Это касается обслуживаемых аккумуляторов.

Необслуживаемые батареи вынимаются из автомобиля и подключаются к зарядному устройству. Сам процесс происходит в автоматическом или полуавтоматическом режиме.

Важно выполнить несколько обязательных действий, которые являются подготовительными перед процессом подзарядки:

• прежде всего отсоединить аккумулятор, соблюдая осторожность;
• оставить в помещении с достаточной температурой, чтобы он нагрелся (в зимнее время) до требуемой по инструкции температуры;
• тщательно очистить электроды от окислов, образовавшихся в результате химической реакции;
• открутить пробки всех банок, чтобы исключить недопустимо высокого давления в корпусе;
• протереть от грязи весь корпус аккумулятора 10% раствором нашатырного спирта;
• проверить, требуется ли доливка дистиллированной воды;
• в случае необходимости – долить.

Все подготовительные операции завершены.

Правила техники безопасности

На всех этапах проведения зарядки — от подготовки до завершения работы — является обязательным соблюдение правил техники безопасности.

Это особенно важно для обслуживаемых АКБ, потому что это прежде всего связано с наличием серной кислоты, которая небезопасна, и в обращении с ней требуется дополнительная осторожность.

1. Если невозможно изъять АКБ из автомобиля, следует отсоединить ее от отрицательного полюса или от обоих полюсов сразу.
2. Чтобы избежать вытекания электролита, надо использовать для зарядки ровную устойчивую поверхность. Это требование не относится к необслуживаемым аккумуляторам, их положение может быть любым.
3. Чтобы не допустить скопления газов в помещении и возможного отравления ими, помещение должно быть хорошо проветриваемым.
4. Чтобы не произошло возгорание или взрыв, следует проводить работы удаленно от открытого огня или мест возможного искрения.
5. Чтобы исключить нежелательные последствия, запрещается проводить зарядку при отрицательной температуре и температуре выше 30 °С.

Методы зарядки

Известны следующие методы зарядки:

• постоянным током;
• постоянным напряжением;
• комбинированный.

Во время зарядки необходима корректировка этих значений.

Зарядка постоянным током

Этот способ проводится строго под контролем и включает несколько этапов:

• АКБ подключается к зарядному устройству (ЗУ);
• задается ток силой 1/10 от номинального;
• зарядка длится несколько часов, потом прибором измеряется выходное напряжение;
• процесс останавливается, если значение составляет 14 В;
• снижается сила тока до 3 А (если значение было выше, например, 6 А), иначе возможно закипание;
• сила тока снижается снова, теперь уже до значения 1,5 А при достижении другого важного параметра — 15 В;
• процесс зарядки прекращается только тогда, когда два главных параметра перестают меняться и остаются неизменными.

Это медленный способ зарядки, он требует значительно большего времени.

Зарядка постоянным напряжением

Этот способ значительно проще. Позволяет зарядить устройство до 80-90% приблизительно за 6 часов. Значение изначально установленного напряжения составляет 14 В. Процесс протекает намного быстрее, чем при первом способе.

Комбинированный

Практически объединяет первые два способа. Но он значительно дороже, потому что в этом случае используется очень дорогое ЗУ.

Зарядка в автоматическом режиме

Самый простой режим. Применяется только для необслуживаемых батарей. Используется ЗУ, которое может автоматически настраиваться на тот тип аккумулятора, подключенного к нему.

По окончании процесса зарядное устройство самостоятельно отключается.

Каким может быть результат зарядки

Продолжительность процесса составляет от 6 часов (простой способ зарядки) до 24 часов. При минимальном проценте тока это может затянуться и на несколько дней.

Состояние аккумулятора в таком режиме напоминает «отдых» (разряженный аккумулятор хранится на складе при низкой температуре). Это говорит о том, что он быстро придет в негодность, потому что идет сульфатация.

После отключения от ЗУ после успешной зарядки внешний вид аккумулятора ничем не отличается от только что купленного.

При визуальном осмотре не должно быть обнаружено никаких следов налета или выделения сероводорода. Если налет присутствует, он указывает на то, что зарядка проводилась неправильно.

Обязательно нужно проверить сопротивление, если его значение повышается, значит с АКБ что-то не так: или в ней происходит разряд, или она не была заряжена полностью. И то, и другое указывает на неисправность и непригодность батареи.

В случае отсутствия явных признаков неработоспособности источника питания, его нужно проверить «в деле»: установить в машину и попробовать ее не только завести, но и проехать на какое-то расстояние при всех включенных приборах.

Если нет сбоев, значит все прошло и завершилось успешно.

Действия после зарядки

После отключения от ЗУ необходимо тщательно протереть крышку, корпус влажной тряпкой и просушить.

Если после этого измеренное напряжения превышает нуль, это говорит о том, что пропускается ток, и крышку необходимо дополнительно промыть содовым раствором.

Источник

Процесс заряда аккумуляторов различных типов

Заряд и разряд аккумулятора являются основными процессами, которые идут при его эксплуатации. Во время заряда аккумуляторная батарея восполняет потерянную ёмкость и по окончании процесса вновь может эксплуатироваться. В этом материале речь пойдёт о заряде аккумуляторов основных типов: свинцово-кислотных, щелочных и литиевых. Будут рассмотрены процессы происходящие при зарядке и режимы.

Заряд аккумуляторов различных типов

Свинцово-кислотные АКБ

Самой распространённой сферой применения свинцово-кислотных аккумуляторов, являются стартерные батареи в транспортных средствах. Они применяются для запуска двигателя, а также поддержки генератора при сильной нагрузке на бортовую сеть автомобиля. В штатном режиме работы свинцово-кислотные АКБ не испытывают глубокого разряда. Заряд батареи после пуска осуществляется током, вырабатываемым генератором. Кроме того, рекомендуется периодически выполнять зарядку стартерного аккумулятора от зарядного устройства. Какие реакции при этом происходят?

Происходящие процессы

В электрохимической реакции внутри свинцово-кислотного аккумулятора участвуют материалы положительного и отрицательного электрода, а также электролит. Активная масса положительного электрода представляет собой диоксид свинца (PbO₂). В случае с отрицательным электродом – это порошок свинца (Pb). При заряде свинцово-кислотной аккумуляторной батареи на электродах протекают следующие реакции.

Общий процесс в электрохимической системе описывается уравнением.

В процессе заряда из электролита расходуется вода и постепенно увеличивается его плотность. Плотность электролита полностью заряженного аккумулятора находится около 1,27 гр/см 3 . Ниже можно посмотреть таблицу степени заряженности АКБ.

Плотность электролита, г/см. куб. (+15 гр. Цельсия)	Напряжение, В (в отсутствии нагрузки)	Напряжение, В (с нагрузкой 100 А)	Степень заряда АКБ, %	Температура замерзания электролита, гр. Цельсия
1,11	11,7	8,4	0	-7
1,12	11,76	8,54	6	-8
1,13	11,82	8,68	12,56	-9
1,14	11,88	8,84	19	-11
1,15	11,94	9	25	-13
1,16	12	9,14	31	-14
1,17	12,06	9,3	37,5	-16
1,18	12,12	9,46	44	-18
1,19	12,18	9,6	50	-24
1,2	12,24	9,74	56	-27
1,21	12,3	9,9	62,5	-32
1,22	12,36	10,06	69	-37
1,23	12,42	10,2	75	-42
1,24	12,48	10,34	81	-46
1,25	12,54	10,5	87,5	-50
1,26	12,6	10,66	94	-55
1,27	12,66	10,8	100	-60
Плотность электролита, г/см. куб. (+15 гр. Цельсия)	Напряжение, В (в отсутствии нагрузки)	Напряжение, В (с нагрузкой 100 А)	Степень заряда АКБ, %	Температура замерзания электролита, гр. Цельсия

Основной проблемой в процессе заряда свинцово-кислотного аккумулятора является неполное растворение сульфата свинца (PbSO₄). Это вещество забивает поры активной массы, в результате чего снижается площадь взаимодействия электролита с материалом электрода. Из-за этого происходит постепенная потеря ёмкости.

По мере эксплуатации аккумуляторной батареи сульфата свинца на пластинах после заряда остаётся всё больше. Процесс носит название сульфатации. Он является причиной выхода из строя большинства свинцово-кислотных аккумуляторов на транспортных средствах.

Режимы заряда

Если не считать ускоренной зарядки, то есть две основные схемы заряда свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. При постоянном напряжении и постоянном токе. Сегодня в продаже можно найти много зарядных устройств (ЗУ), имеющих возможность использования этих режимов, а также их комбинаций.

Наиболее распространённой является схема заряда при постоянном напряжении. Смысл здесь в том, что на терминалы аккумулятора подаётся постоянное напряжение. Заряд обеспечивается благодаря выравниванию напряжений на выводах ЗУ. Полнота заряда в этом случае зависит от напряжения, подаваемого на только выводы АКБ. То есть если заряжать аккумуляторную батарею одинаковое время напряжением 14,4, 15 и 16 вольт, то наиболее полный заряд достигается при 16 В.

Другой распространённой схемой является заряд постоянным током. Этот процесс включает в себя несколько этапов, на каждом из которых поддерживается постоянная сила тока.

Такая схема зарядки требует постоянного контроля и корректировки подаваемого тока. Этапы разделяются по уровню напряжения на выводах аккумулятора.

Обычно процесс выглядит следующим образом.

• На первом этапе сила тока устанавливается в размере 10% от номинальной ёмкости АКБ. После этого проводится зарядка до постоянного напряжения 14,4 вольта.
• Второй этап начинается с напряжения 14,4 вольта. Это значение является тем уровнем, на котором начинается разложение воды из электролита на кислород и водород. У аккумуляторов, выпускаемых по технологии Ca-Ca, это значение напряжения выше. Чтобы минимизировать выделение газов, сила тока снижается в два раза. То есть если на первом этапе она была 5 ампер, то здесь нужно уменьшить до 2,5 А.
• Третий этап стартует с напряжения 15 вольт. Сила тока уменьшается два раза по сравнению со вторым этапом. Далее через определённые промежутки времени (1─2 часа) проверяется напряжение на терминалах. Как только оно перестаёт меняться, так можно считать процесс оконченным. На последнем этапе будет идти активное выделение газов. По этой причине аккумуляторная батарея должна находиться в хорошо проветриваемом помещении, а рядом не должно быть искр и открытого пламени.

Выше был упомянут метод ускоренной зарядки аккумуляторной батареи. Подобный режим есть во многих зарядных устройствах. Он отличается лишь тем, что на аккумулятор подаётся увеличенный до 30% (по сравнению со штатным значением 0,1*С) ток. Это используется в тех случаях, когда аккумулятору нужно быстро отдать заряд, который необходим для запуска двигателя. Увеличенная сила тока при зарядке отрицательно сказывается на состоянии электродов и активной массы. Поэтому без необходимости этот режим лучше не использовать.

Щелочные аккумуляторные батареи

Щелочные аккумуляторы используются в качестве тяговых. Их можно встретить в различной складской технике, железнодорожном транспорте, электроинструменте и других сферах применения, где они работают в режиме циклирования.

Происходящие процессы

Наиболее распространёнными электрохимическими системами щелочных аккумуляторов являются никель─кадмиевые и никель─металлогидридные. Рассмотрим процесс заряда на их примере. Оба типа батарей имеют положительный электрод с активной массой из гидроокиси никеля (NiOOH). В ней присутствует графит и окись бария. Окись бария продлевает срок службы АКБ, а графит увеличивает электропроводность активной массы.

Активная масса на отрицательном электроде в никель─кадмиевых аккумуляторах представляет собой смесь порошков кадмия (Cd) и железа (Fe). У никель─металлогидридных аккумуляторов активная масса на минусовом электроде является смесью порошков железа и его окислов. В неё добавляют сернокислый никель (NiSO4) и сернистое железо (FeS).

Ниже представлены реакции, происходящие в щелочном аккумуляторе при заряде.

2Ni(OH)₂ + 2KOH + Fe(OH)₂ -> 2Ni(OOH) + 2KOH + Fe

2Ni(OH)₂ + 2KOH + Cd(OH)₂ -> 2Ni(OOH) + 2KOH + Cd

В процессе разряда активная масса на положительном электроде окисляется и 2Ni(OH)₂ превращается в гидроокись никеля. Одновременно с этим в активной массе отрицательного электрода происходит восстановление, в результате которого образуется железо и кадмий.

Режимы заряда

Если рассматривать заряд стандартного аккумуляторного элемента Ni-Cd, то рекомендуемый ток составляет 10─20% от номинальной ёмкости. Во время зарядки может доходить до 16 часов. Допустимый диапазон температур для зарядки щелочных аккумуляторов составляет от 0 до 50 по Цельсию. Наиболее эффективно процесс заряда происходит в диапазоне температур от 10 до 40 градусов Цельсия.

На практике конструкция щелочных аккумуляторов позволяет заряжать их током не менее 30% от номинальной ёмкости. Процесс заряда в этом случае занимает несколько часов. При заряде щелочных аккумуляторов есть один важный момент. Особенно это актуально для никель─кадмиевых батарей. Они имеют такую проблему, как «эффект памяти». Поэтому перед зарядом эти АКБ требуется разрядить. Подобным функционалом располагают многие зарядные устройства, предназначенные для работы со щелочными аккумуляторами.

Поэтому процесс зарядки щелочного аккумулятора чаще всего начинается с его разряда. При этом не должно допускаться снижение напряжения на выводах элемента ниже 1 вольта. После разряда запускается процесс заряда.

Различных схем заряда для щелочных батарей значительно больше, чем для свинцово-кислотных. Некоторые из них приведены на изображении ниже.

В процессе заряда напряжение на выводах щелочного аккумулятора постепенно увеличивается до 1,6─1,75 вольта. На заключительном этапе напряжение может подниматься до 1,8 вольта. В случае с герметичными щелочными АКБ бывает так, что окончание заряда определяется переданными ампер-часами. Чтобы зарядить батарею целиком иногда расходуется количество энергии, соответствующее 150 процентам от номинальной ёмкости. Напряжение полностью заряженного щелочного аккумулятора в разомкнутой цепи составляет 1,45 вольта.
Вернуться к содержанию

Литиевые

Процесс заряда будет рассмотрен на примере литий─ионных аккумуляторных батарей. В последнее время они получили широкое распространение в качестве источников питания для бытовой техники, потребительской электроники, электроинструмента, электромобилей, электровелосипедов, скутеров и т. п. По сравнению с вышеописанными свинцово-кислотными и щелочными АКБ литий─ионные модели имеют более высокую энергоёмкость.

Происходящие процессы

В литиевый электрохимической системе сейчас используются различные химические соединения и периодически разрабатываются новые. Мы рассмотрим реакции, происходящие при заряде в большинстве распространённых коммерческих Li─Ion батареях.

Отрицательный электрод выполняется из материала, содержащего углерод. Благодаря его природе и составу электролита происходит процесс интеркаляции ионов лития в углерод. Углеродная матрица обладает слоистой структурой, которая может быть упорядоченной или частично упорядоченной. Это уже зависит от конкретного углеродосодержащего материала.

Материалы, используемые для производства положительного электрода, могут отличаться для различных разновидностей литиевых батарей. Чаще всего для этих целей используются литированные оксиды кобальта или никеля. Используются также литий─марганцевые шпинели.

При заряде литий─ионного аккумулятора на электродах протекают следующие реакции.

C + xLi + + xe — -> CLi_x

В процессе интеркаляция ионы лития из электролита внедряются между слоями углерода. При этом объём углеродной матрицы меняется незначительно. Этими качествами был обусловлен выбор углерода в качестве материала анода. Помимо материала, содержащего углерод, в отрицательном электроде могут быть такие добавки, как олово, серебро и их сплавы. В некоторых моделях встречаются композитные материалы.

Режимы заряда

Процесс заряда литий─ионных аккумуляторов комбинированный и проходит в два этапа. На первой стадии ведётся зарядка током, величина которого составляет от 20 до 100% от номинальной емкости батареи. Этот этап продолжается до того, пока напряжение АКБ не достигнет 4,1 вольта. После этого начинается второй этап, во время которого заряд ведётся при постоянном напряжении. По времени вся зарядка продолжается около 3 часов (при максимально допустимом токе), из которых на первый этап отводится один час. Более подробно о процессе заряда литиевых аккумуляторов можно прочитать в этой статье.

Окончание заряда фиксируется в тот момент, когда напряжение достигло максимального (4,1─4,2 В), а ток уменьшился до 3% от своей величины в начале процесса. В некоторых случаях возможен третий этап, который представляет собой хранение. Этот этап представляет собой периодическую подзарядку для компенсации ёмкости, потерянной в результате саморазряда.

Если увеличивать ток заряда выше 0,2─1*С, это не приводит к уменьшению времени процесса. В этом случае просто сокращается первый и увеличивается второй этап.

Бывают зарядные устройства, которые обеспечивают только первый этап зарядки. При таком варианте степень заряженности батареи составляет около 70─80%.
Вернуться к содержанию

Источник