Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Аккумулятор AGM
Аккумулятор 12 В VRLA, обычно используемый в небольших источниках бесперебойного питания и аварийных лампах.

Клапана регулируется свинцово-кислотные ( VRLA ) батареи , обычно известный как герметичные свинцово-кислотные ( SLA ) батареи , [1] представляет собой тип свинцово-кислотной батареи характеризуется ограниченным количеством электролита ( «голодали» электролита) поглощается в пластинчатый сепаратор или в виде геля; пропорциональное соотношение отрицательных и положительных пластин, чтобы облегчить рекомбинацию кислорода внутри ячейки; и наличие предохранительного клапана, который удерживает содержимое батареи независимо от положения ячеек. [2]

Существует два основных типа батарей VRLA: абсорбирующий стекломат ( AGM ) и гелевый элемент . [3] Гелевые элементы добавляют к электролиту кремнеземную пыль, образуя густую замазку, похожую на гель. Аккумуляторы AGM (абсорбирующий стекломат) имеют сетку из стекловолокна между пластинами аккумулятора, которая служит для удержания электролита и разделения пластин. Оба типа батарей VRLA имеют преимущества и недостатки по сравнению с затопленными вентилируемыми свинцово-кислотными батареями (VLA), а также друг с другом. [4]

Благодаря своей конструкции гелевые ячейки и типы AGM VRLA могут быть установлены в любой ориентации и не требуют постоянного обслуживания. Термин «не требующий обслуживания» является неправильным, поскольку батареи VRLA по-прежнему требуют очистки и регулярных функциональных испытаний. Они широко используются в больших портативных электрических устройствах, автономных энергосистемах и аналогичных ролях, где требуется большой объем памяти по более низкой цене, чем другие технологии с низкими эксплуатационными расходами, такие как литий-ионные .

История [ править ]

Первая свинцово-кислотная гелевая батарея была изобретена компанией Elektrotechnische Fabrik Sonneberg в 1934 году. [5] Современная гелевая батарея или батарея VRLA была изобретена Отто Яче из Sonnenschein в 1957 году. [6] Первым элементом AGM был Cyclon, запатентованный Gates Rubber Corporation в 1972 году и сейчас производится компанией EnerSys . [7]Циклон представляет собой спирально-навитую ячейку с тонкими электродами из свинцовой фольги. Ряд производителей ухватились за технологию, чтобы реализовать ее в ячейках с обычными плоскими пластинами. В середине 1980-х две британские компании, Chloride и Tungstone, одновременно представили аккумуляторы AGM с десятилетним сроком службы емкостью до 400 Ач, что было стимулировано спецификацией British Telecom для аккумуляторов для поддержки новых цифровых коммутаторов. В тот же период Гейтс приобрел другую британскую компанию Varley, специализирующуюся на самолетах и ​​военных батареях. Варлей адаптировал технологию свинцовой фольги Cyclon для производства плоских пластинчатых батарей с исключительно высокой производительностью. Они получили одобрение для различных самолетов, включая бизнес-джеты BAE 125 и 146, Harrier и его производную AV8B, а также некоторые варианты F16 в качестве первой альтернативы тогдашнему стандарту.никель-кадмиевые (NiCd) батареи. [8]

Основной принцип [ править ]

Основная статья: Свинцово-кислотная батарея
Автомобильный аккумулятор 1953 года в разрезе

Свинцово-кислотные элементы состоят из двух свинцовых пластин, которые служат в качестве электродов , подвешенных в электролите, состоящем из разбавленной серной кислоты . Ячейки VRLA имеют тот же химический состав, за исключением того, что электролит иммобилизован. В AGM это достигается с помощью матов из стекловолокна; в гелевых батареях или «гелевых элементах» электролит находится в форме пасты, подобной гелю, созданной путем добавления к электролиту диоксида кремния и других гелеобразующих агентов. [9]

Когда элемент разряжается, свинец и разбавленная кислота вступают в химическую реакцию, в результате которой образуется сульфат свинца и вода. Когда аккумулятор впоследствии заряжается, сульфат свинца и вода снова превращаются в свинец и кислоту. Во всех конструкциях свинцово-кислотных аккумуляторов ток зарядки необходимо регулировать в соответствии со способностью аккумулятора поглощать энергию. Если зарядный ток слишком велик, электролизпроизойдет разложение воды на водород и кислород, в дополнение к предполагаемому превращению сульфата свинца и воды в диоксид свинца, свинец и серную кислоту (процесс, обратный процессу разряда). Если этим газам дать возможность уйти, как в обычном затопленном элементе, в батарею время от времени потребуется добавлять воду (или электролит). Напротив, батареи VRLA удерживают генерируемые газы внутри батареи, пока давление остается в пределах безопасных уровней. При нормальных условиях эксплуатации газы могут затем рекомбинировать внутри самой батареи, иногда с помощью катализатора, и дополнительный электролит не требуется. [10] [11]Однако, если давление превышает пределы безопасности, предохранительные клапаны открываются, чтобы позволить избыточным газам выйти, и тем самым регулируют давление до безопасного уровня (отсюда «регулируемый клапан» в «VRLA»). [12]

Строительство [ править ]

Элементы VRLA могут быть изготовлены из плоских пластин, аналогичных обычным свинцово-кислотным аккумуляторным батареям, или могут быть выполнены в форме спирального рулона для изготовления цилиндрических элементов.

Батареи VRLA имеют клапан сброса давления, который срабатывает, когда батарея начинает создавать давление газообразного водорода, как правило, в результате перезарядки. [12] Активация клапана позволяет некоторому количеству газа или электролита уйти, что снижает общую емкость аккумулятора. Прямоугольные ячейки могут иметь клапаны, настроенные на работу от 1 или 2  фунтов на квадратный дюйм ; круглые спиральные ячейки с металлическими внешними контейнерами могут иметь клапаны, настроенные на высоту 40 фунтов на квадратный дюйм.

Крышки ячеек обычно имеют встроенные газовые диффузоры, которые позволяют безопасно рассеивать любой избыток водорода, который может образоваться во время перезарядки . Они не герметичны, но не требуют технического обслуживания. Их можно ориентировать любым образом, в отличие от обычных свинцово-кислотных аккумуляторов, которые необходимо держать в вертикальном положении, чтобы избежать разливов кислоты и сохранить вертикальное расположение пластин. Ячейки могут работать с пластинами горизонтально (в виде блинов ), что может увеличить срок службы.

Абсорбирующий стеклянный мат (AGM)[ редактировать ]

Аккумуляторы AGM отличаются от заливных свинцово-кислотных аккумуляторов тем, что электролит удерживается в стеклянных матах, в отличие от свободного заливания пластин. Очень тонкие стекловолокна вплетены в мат для увеличения площади поверхности, достаточной для удержания достаточного количества электролита на элементах в течение всего срока их службы. Волокна, из которых состоит тонкий стекломат, не впитывают и не подвергаются воздействию кислотного электролита. Эти маты отжимаются на 2–5% после замачивания в кислотах непосредственно перед окончанием производства.

Пластины в батарее AGM могут иметь любую форму. Некоторые из них плоские, а другие изогнутые или свернутые. Аккумуляторы AGM глубокого цикла и пускового типа встроены в прямоугольный корпус в соответствии со спецификациями кодов аккумуляторов Battery Council International (BCI).

Аккумуляторы AGM более устойчивы к саморазряду, чем обычные аккумуляторы, в широком диапазоне температур. [13]

Как и в случае со свинцово-кислотными аккумуляторами, чтобы максимально продлить срок службы AGM-аккумулятора, важно следовать спецификациям производителя по зарядке, и рекомендуется использовать зарядное устройство с регулируемым напряжением . [14] Существует прямая корреляция между глубиной разряда (DOD) и сроком службы аккумулятора [15] с разницей между 500 и 1300 циклами в зависимости от глубины разряда.

Гелевый аккумулятор [ править ]

Разбитый гелевый аккумулятор с белыми каплями гелеобразного электролита на пластинах

Первоначально разновидность гелевой ячейки была произведена в начале 1930-х годов для портативного вентильного (лампового) источника питания LT (2, 4 или 6 В) путем добавления диоксида кремния к серной кислоте. [16] К этому времени стеклянный корпус был заменен целлулоидом, а позже, в 1930-х годах, другим пластиком. Ранее для «влажных» ячеек в стеклянных сосудах использовались специальные клапаны, позволяющие наклоняться от вертикального к одному горизонтальному направлению с 1927 по 1931 или 1932 год. [17] Гелевые ячейки с меньшей вероятностью протекали при грубом обращении с портативным набором.

Современная гелевая батарея (также известная как гелевый элемент ) представляет собой батарею VRLA с гелеобразным электролитом ; серная кислота смешивают с коллоидальным диоксидом кремнием , что делает полученный гель массовым , как и неподвижный. В отличие от свинцово-кислотных батарей с жидким электролитом, эти батареи не нужно хранить в вертикальном положении. Гелевые батареи уменьшают испарение электролита, утечку (и последующие проблемы с коррозией ), характерные для влажных батарей, и обладают большей устойчивостью к ударам и вибрации . По химическому составу они почти такие же, как мокрые (не герметичные) батареи, за исключением того, что сурьма в свинцовых пластинах заменена кальцием., и может иметь место рекомбинация газа.

Приложения [ править ]

Многие современные мотоциклы и вездеходы (ATV), представленные на рынке, используют аккумуляторы AGM, чтобы снизить вероятность проливания кислоты во время поворота, вибрации или после аварий, а также по причинам упаковки. Более легкую и меньшую батарею можно установить под странным углом, если это необходимо для конструкции мотоцикла. Из-за более высоких производственных затрат по сравнению с затопленными свинцово-кислотными аккумуляторами, AGM-аккумуляторы в настоящее время используются в автомобилях класса люкс. По мере того, как автомобили становятся тяжелее и оснащены большим количеством электронных устройств, таких как навигация и система контроля устойчивости , аккумуляторы AGM используются для снижения веса транспортного средства и обеспечения большей электрической надежности по сравнению с залитыми свинцово-кислотными аккумуляторами.

BMW 5-й серии с марта 2007 года включает аккумуляторы AGM в сочетании с устройствами для рекуперации энергии торможения с использованием рекуперативного торможения и компьютерного управления, чтобы генератор переменного тока заряжал аккумулятор при замедлении автомобиля. В автомобилях, используемых в автогонках, могут использоваться аккумуляторы AGM из-за их устойчивости к вибрации.

AGM с глубоким циклом также обычно используются в автономных солнечных и ветроэнергетических установках в качестве накопителя энергии и в крупномасштабной любительской робототехнике , такой как соревнования FIRST и IGVC .

Аккумуляторы AGM обычно выбираются для удаленных датчиков, таких как станции мониторинга льда в Арктике . Аккумуляторы AGM из-за отсутствия свободного электролита не растрескиваются и не протекают в этих холодных условиях.

Батареи VRLA широко используются в инвалидных колясках с электроприводом, поскольку чрезвычайно низкий выход газа и кислоты делает их более безопасными для использования внутри помещений. Батареи VRLA также используются в источниках бесперебойного питания (ИБП) в качестве резервного источника питания при отключении электроэнергии.

Батареи VRLA также являются стандартным источником энергии в планерах из-за их способности выдерживать различные положения в полете и относительно большой диапазон температур окружающей среды без каких-либо побочных эффектов. Однако режимы зарядки необходимо адаптировать к разной температуре. [18]

Батареи VRLA используются в флоте атомных подводных лодок США из-за их удельной мощности, отсутствия выделения газов, меньшего количества обслуживания и повышенной безопасности. [19]

AGM и гелевые аккумуляторы также используются в морских развлечениях, причем AGM более широко доступны. Морские батареи глубокого разряда AGM предлагаются рядом поставщиков. Их обычно отдают предпочтение за их низкие эксплуатационные расходы и герметичность, хотя обычно они считаются менее экономичным решением по сравнению с традиционными затопленными ячейками.

В телекоммуникационных приложениях батареи VRLA, которые соответствуют критериям документа требований Telcordia Technologies, GR-4228 , Уровни сертификации цепочки свинцово-кислотных аккумуляторов с клапанным регулированием (VRLA), основанные на требованиях к безопасности и производительности, рекомендуются для развертывания на внешнем предприятии (OSP). ) в таких местах, как хранилища с контролируемой средой (CEV), шкафы для электронного оборудования (EEE) и хижины, а также в неконтролируемых конструкциях, таких как шкафы. По сравнению с VRLA в телекоммуникациях, использование оборудования для измерения сопротивления VRLA (OMTE) и измерительного оборудования, подобного OMTE, является довольно новым процессом для оценки заводов по производству телекоммуникационных батарей. [20] Правильное использование оборудования для омических испытаний позволяет проводить испытания батарей без вывода батарей из эксплуатации для проведения дорогостоящих и длительных испытаний на разряд.

Сравнение с затопленными свинцово-кислотными ячейками [ править ]

Гелевые и AGM-батареи VRLA имеют ряд преимуществ по сравнению с свинцово-кислотными и обычными свинцово-кислотными батареями VRLA.. Батарею можно установить в любом положении, так как клапаны срабатывают только при повышенном давлении. Поскольку аккумуляторная система спроектирована так, чтобы быть рекомбинантной и исключающей выбросы газов при перезарядке, требования к вентиляции помещения снижаются, и при нормальной работе не выделяется кислотный дым. Выбросы газа из затопленных элементов имеют незначительные последствия для всех, кроме самых маленьких замкнутых пространств, и представляют очень небольшую угрозу для бытового пользователя, поэтому аккумуляторные батареи с жидкостными элементами, рассчитанные на долговечность, позволяют снизить затраты на кВтч. В гелевых батареях объем свободного электролита, который может высвободиться при повреждении корпуса или вентиляции, очень мал. Нет необходимости (или возможности) проверять уровень электролита или пополнять воду, потерянную из-за электролиза, что снижает требования к осмотру и техническому обслуживанию. [21]Батареи с мокрыми элементами можно обслуживать с помощью системы самополива или дозаправки каждые три месяца. Требование добавить дистиллированную воду обычно вызвано перезарядкой. Хорошо отлаженная система не должна требовать пополнения чаще, чем каждые три месяца.

Основным недостатком всех свинцово-кислотных аккумуляторов является требование относительно продолжительного времени цикла перезарядки, обусловленное присущим им трехступенчатым процессом зарядки: этапы объемного заряда, абсорбционного заряда и (поддерживающего) плавающего заряда. Все свинцово-кислотные батареи, независимо от типа, быстро заряжаются примерно до 70% емкости, в течение которой батарея будет принимать большой ток на входе, определяемый при заданном значении напряжения, в течение нескольких часов (с источником заряда, способным подавать расчетный ток основной емкости C для данной батареи Ач).

Однако затем им требуется более длительное время, затрачиваемое на этап промежуточного абсорбирующего заряда со спадом тока после начальной объемной зарядки, когда скорость приема заряда батареи LA постепенно снижается, и батарея не принимает более высокую C-скорость. Когда достигается уставка напряжения на стадии абсорбции (и зарядный ток снижается), зарядное устройство переключается на уставку напряжения холостого хода с очень низкой скоростью C, чтобы поддерживать полностью заряженное состояние батареи в течение неопределенного времени (стадия плавающего режима смещает нормальную самоподдерживающую способность батареи. разряда со временем).

Если зарядное устройство не может обеспечить достаточную продолжительность заряда стадии абсорбции и C-скорость (это `` плато '' или время ожидания, обычная ошибка дешевых солнечных зарядных устройств) и подходящий профиль плавающего заряда, емкость и долговечность аккумулятора будут значительно уменьшены. .

Чтобы обеспечить максимальный срок службы, свинцово-кислотную батарею следует полностью перезарядить как можно скорее после цикла разряда, чтобы предотвратить сульфатирование , и поддерживать полный уровень заряда с помощью поплавкового источника при хранении или простое (или хранении сухим новым с завода, необычная практика сегодня).

При работе в цикле разряда батарея LA должна иметь DOD менее 50%, в идеале - не более 20-40% DOD; настоящая батарея глубокого разряда [22] LA может быть уменьшена до 80%, но эти большие циклы разряда всегда требуют высокой долговечности.

Циклы срока службы свинцово-кислотных аккумуляторов будут варьироваться в зависимости от ухода, при наилучшем уходе они могут достигнуть от 500 до 1000 циклов. При менее осторожном использовании можно ожидать всего 100 циклов жизни (все зависит также от среды использования).

Из-за того, что в пластины добавлен кальций для уменьшения потерь воды, герметичный AGM или гелевый аккумулятор заряжается быстрее, чем залитый свинцово-кислотный аккумулятор VRLA или обычной конструкции. [23] [24] По сравнению с залитыми батареями, батареи VRLA более уязвимы к тепловому разгоне при неправильной зарядке. Электролит не может быть проверен ареометром для диагностики неправильной зарядки, которая может сократить срок службы батареи. [24]

Автомобильные аккумуляторы AGM обычно примерно в два раза дороже аккумуляторов с заливными элементами в данной размерной группе BCI; гелевые батареи в пять раз дороже.

Аккумуляторы AGM и гелевые VRLA:

  • Время зарядки меньше, чем у заливных свинцово-кислотных аккумуляторов. [25]
  • Не терпит перезарядки: перезаряд приводит к преждевременному выходу из строя. [25]
  • Имеют более короткий срок службы по сравнению с должным образом обслуживаемым аккумулятором с жидкими элементами . [25]
  • Выбрасывать значительно меньше газообразного водорода. [25]
  • Аккумуляторы AGM по своей природе безопаснее для окружающей среды и безопаснее в использовании.
  • Может использоваться или располагаться в любой ориентации.

См. Также [ править ]

  • Гастон Планте
  • Список типов батарей
  • Аккумулятор
  • Песочная батарея

Ссылки [ править ]

  1. ^ Eismin, Томас К. (2013). Электричество и электроника самолетов (Шестое изд.). McGraw Hill Professional. п. 48. ISBN 007179915X.
  2. ^ Линден, Дэвид Б .; Редди, Томас (2002). «24». Справочник аккумуляторов Третье издание . Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-135978-8.
  3. ^ «Взрывающиеся свинцово-кислотные батареи, Бюллетень по безопасности шахт № 150» . Австралия: Правительство Квинсленда. 2015-10-27 . Проверено 17 февраля 2020 .
  4. ^ «Выбор правильной свинцово-кислотной технологии» (PDF) . Компания Trojan Battery, Калифорния, США. 2018 . Проверено 17 февраля 2020 .
  5. ^ «Краткая история батарей и накопленной энергии» (PDF) . Netaworld.org . Проверено 19 февраля 2019 .
  6. ^ «Справочник по гелевым батареям VRLA: Часть 1: Основные принципы, конструкция, особенности» (PDF) . Sonnenschein.org . Проверено 19 февраля 2019 .
  7. ^ Джон Девитт (1997). «Отчет о разработке первого свинцово-кислотного элемента с клапанной регулировкой». Журнал источников энергии . 64 (1–2): 153–156. Bibcode : 1997JPS .... 64..153D . DOI : 10.1016 / S0378-7753 (96) 02516-5 .
  8. ^ Кевин Десмонд, «Jache, Otto», « Новаторы в аккумуляторных технологиях: профили 95 влиятельных электрохимиков» , McFarland, 2016 ISBN 1476622787 . 
  9. ^ Вагнер R (2004-03-09). «13.3 Гелевые батареи». В Мозли, Патрик Т; и другие. (ред.). Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи с клапанным регулированием . п. 446. ISBN. 9780444507464.
  10. ^ Роберт Нельсон, "Основная химия рекомбинации газов в свинцово-кислотных батареях", JOM 53 (1) (2001)
  11. ^ "Основы химии рекомбинации газов в свинцово-кислотных аккумуляторах" . TMS.org .
  12. ^ a b Рональд Делл, Дэвид Энтони Джеймс Рэнд, Роберт Бейли-младший, Понимание батарей , Королевское химическое общество, 2001, ISBN 0854046054 с. 101, стр 120-122 
  13. ^ «Техническое руководство: аккумуляторы Powersports» (PDF) . YuasaBatteries.com . GS Yuasa . Архивировано из оригинального (PDF) 12 июля 2017 года . Проверено 25 декабря 2019 .
  14. ^ «Зарядка AGM: Служба технической поддержки» . Support.rollsbattery.com . Проверено 19 февраля 2019 .
  15. ^ «Характеристики разряда AGM: Дата изменения: понедельник, 6 октября 2014 г.» . Support.rollsbattery.com . Проверено 19 февраля 2019 .
  16. ^ Уоттерсон, Майкл (2014-06-28). "Exide Gel-Cel Accumulator JSK2 Power-S Chloride Electrical" . RadioMuseum.org . Проверено 1 марта 2015 .
  17. ^ Вальххофер, Ганс Мартин; Уоттерсон, Майкл (27 ноября 2013 г.). «Портативный супер диапазон (без настроечного шкафа) Радио МакМайкл L» . RadioMuseum.org . Проверено 1 марта 2015 .
  18. ^ Linden, Reddy (редактор), Справочник по батареям, третье издание, 2002 г.
  19. ^ «Exide зарабатывает первый в истории контракт на производство, заключенный ВМС США для подводных батарей с клапанным регулированием; переход к усовершенствованным продуктам предлагает закрытие аккумуляторного завода в Канкаки, ​​штат Иллинойс» . Деловой провод . 2005 . Проверено 7 сентября 2016 года .
  20. ^ GR-3169-CORE , Общие требования к свинцово-кислотным аккумуляторам с регулируемым клапаном (VRLA), типу оборудования для измерения омического сопротивления (OMTE).
  21. ^ Финк, Дональд G .; Бити, Х. Уэйн (1978). Стандартный справочник для инженеров-электриков (одиннадцатое изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. С. 11–116. ISBN 0-07-020974-X.
  22. Рианна Коллинз, Род (7 апреля 2015 г.). "Что такое батарея глубокого цикла?" .
  23. ^ Барре, Гарольд (1997). Управление 12 вольт: как обновлять, эксплуатировать и устранять неисправности в электрических системах 12 вольт . Издательство Summer Breeze. п. 44. ISBN 978-0-9647386-1-4.(утверждается, что герметичные пластины аккумуляторных батарей укреплены кальцием для уменьшения потерь воды, что «повышает внутреннее сопротивление аккумуляторов и предотвращает быструю зарядку»).
  24. ^ a b Стерлинг, Чарльз (2009). «Часто задаваемые вопросы: какую аккумуляторную систему лучше всего использовать в качестве вспомогательной системы зарядки» . Архивировано из оригинального 16 марта 2012 года . Проверено 2 февраля 2012 года .
  25. ^ a b c d Колдер, Найджел (1996). Руководство по механическому и электрическому оборудованию судовладельца (2-е изд.). С.  11 . ISBN 978-0-07-009618-9.

Дальнейшее чтение [ править ]

Книги и статьи [ править ]

  • Свинцово-кислотные аккумуляторы с клапанным регулированием. Отредактировано Патриком Т. Мозли, Юргеном Гарче, CD Parker, DAJ Rand. p202
  • Виналь, GW (1955, 01 января) Аккумуляторы. Общий трактат по физике и химии аккумуляторных батарей и их инженерных применений. База данных Energy Citations (ECD): Документ № 7308501
  • Джон МакГэвак. Поглощение диоксида серы гелем кремниевой кислоты . Eschenbach Print. Компания, 1920 год.

Патенты [ править ]

  • Патент США 417,392 - Обработка пористых горшков для электрических батарей. Эрхард Людвиг Майер и Генри Липманн
  • Патент США 3271199 - Электролит твердокислотной аккумуляторной батареи. Александр Кениг и др.
  • Патент США 4,134,192 - Композитная сетка для аккумуляторных пластин.
  • Патент США 4238557 - Свинцово-кислотная аккумуляторная пластина со стекловолокном, покрытым крахмалом.
  • Патент США 4414302 - Способ изготовления свинцовой аккумуляторной батареи и свинцовой аккумуляторной батареи, изготовленных в соответствии с этим способом. Отто Яче и Хайнц Шредер