Аккумуляторы для катера

На катере, яхте и в автомобиле специального назначения системы постоянного тока часть времени работают от аккумуляторов и глубоко разряжают их.  В результате режим работы основных компонентов такой системы — аккумулятора, генератора и регулятора напряжения — отличается от того, когда аккумулятор используется исключительно для запуска двигателя. Желание использовать с циклическими нагрузками не предназначенные для этого оборудование приводит к многочисленным проблемам. Большая часть осложнений возникает из-за неправильного понимания принципов работы и конструкции аккумуляторов глубокого разряда.

Аккумуляторы состоят из одной или нескольких ячеек, в которых по очереди установлены отрицательные и положительные пластины. Между пластинами расположены сепараторы (изоляторы). Все отрицательные пластины соединены между собой. Положительные пластины так же соединены друг с другом.

Решетка аккумуляторной пластины
Решетка аккумуляторной пластины. Из нескольких ячеек выпал активный материал

Пластина аккумулятора состоит из решетки и впрессованного в нее активного материала. Активный материал вырабатывает электроны, а жесткая решетка служит для них проводником и придает пластине форму. В полностью заряженном аккумуляторе активный материал отрицательных пластин — чистый пористый свинец, а положительных — диоксид свинца.

Упакованные в ячейку аккумуляторной батареи пластины контактируют с раствором серной кислоты (электролитом). В результате при разряде образуются сульфат свинца и вода, которая разбавляет электролит и уменьшает его плотность. Когда аккумулятор заряжается, вода вытесняется из электролита, плотность раствора увеличивается и сульфат свинца в пластинах снова превращается в активный материал.

Формула, описывающая этот процесс, выглядит следующим образом:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 <->2PbSO4 + 2H2O.

Напряжение, емкость и скорость заряда

Каждый металл, погруженный в электрически проводящую жидкость, обладает электрическим потенциалом. Потенциалы всех металлов разные, поэтому в сосуде с электролитом между двумя металлами возникнет разность напряжений. У свинца и диоксида свинца в растворе серной кислоты она равна 2,1 вольта. Разность потенциалов зависит только от химического состава электродов и электролита, поэтому на напряжение ячейки свинцово-кислотного аккумулятора не оказывают влияния ни ее размер, ни конструкция, ни число пластин.

В отличии от напряжения, емкость и скорость заряда ячейки не связаны с химическим составом элементов аккумулятора. На эти характеристики влияет только количество свинца в ячейке. Чем больше вес диоксида свинца и свинцовой пасты, тем больше емкость аккумулятора. Большие толстые пластины создают такое же напряжение, что и тонкие, но хранят во много раз больше электронов.

Гелевый электролит на аккумуляторной пластине
На фото слева — гелевый электролит на пластине аккумулятора. На правом фото — пластина гелевого аккумулятора с выпаренным электролитом.

Способность аккумулятора отдавать запасенную энергию зависит от скорости взаимодействия кислоты с активным материалом пластин. Во время разряда пористый активный материал фильтрует электролит, кислота распространяется по всему объему пластины, а вода просачивается сквозь нее. При зарядке процесс идет в обратном направлении. Чем толще пластина и чем плотнее активный материал, тем медленнее протекает реакция, и тем медленнее аккумуляторная батарея отдает запасенную энергию и заряжается.

Когда к аккумулятору подключают мощную нагрузку электролит вступает в реакцию с внешней частью пластины. Если диффузия идет медленно, то после того как поверхностные слои отдадут энергию, поступление электронов сокращается и напряжение падает. Однако это не обязательно означает разряд аккумулятора. Если отключить нагрузку и дать время воде освободится из пластин, а кислоте проникнуть внутрь, напряжение восстановится и в работу включатся новые участки активного материала.

Во время зарядки, ток быстро восстанавливает активный материал в местах соприкосновения с электролитом. Но полное время заряда зависит от скорости проникновения воды в глубь пластины и кислоты в электролит. Поскольку продолжительность заряда определяется скоростью диффузии, тяговые аккумуляторы с толстыми плотными заряжаются медленнее, а батареи с тонкими пористыми пластинами быстрее.

Типы электролита

Электролит в свинцово-кислотных аккумуляторах содержится в различных состояниях. Эта разница и определяет конструкцию аккумуляторных батарей.

Жидкий электролит

Жиднокислотные аккумуляторы для катера или яхты Trojan
Жидко-кислотные аккумуляторы для катера или яхты Trojan емкостью 100, 130 и 225 Ач

Традиционно в аккумуляторах используется жидкий электролит, вода в котором во время зарядки разлагается на водород и кислород. Газы выходят наружу и уровень электролита уменьшается. Потери воды снижают, заменяя обычные крышки на крышки с катализатором, который ускоряет рекомбинацию водорода и кислорода. Образовавшаяся в результате реакции вода затем стекает обратно в аккумулятор.

Чтобы укрепить решетку, удержать активный материал и уменьшить его выпадение, в свинцовые решетки жидко-кислотных аккумуляторов добавляют сурьму. Однако у сурьмы есть нежелательный побочный эффект – она усиливает газообразование во время зарядки, и способствует внутренним гальваническим токам в батарее, которые медленно разряжают аккумулятор во время хранения (процесс, известный как саморазряд).

Гелевый электролит

В процессе производства гелевого аккумулятора электролит перемешивают с микроскопическими частицами кремния. После заливки в корпус электролит густеет и образует гель с консистенцией мягкого свечного воска. В ячейке гель непосредственно соприкасается с активным материалом пластин, однако из-за того, что он менее подвижен, контакт с пластинами у него хуже, чем у жидкого электролита. Во время эксплуатации в геле могут образоваться пустоты и трещины, из-за которых отдельные части пластин оказываются сухими и емкость аккумулятора постепенно снижается.

Гелевые аккумуляторы изготавливают в виде не обслуживаемых герметичных блоков, в которых нельзя ни заменить гель ни долить воду. Если во время зарядки электролит закипит и начнется интенсивное выделения газа, то гель высохнет, превратится в порошок и аккумулятор выйдет из строя. Выделение газа уменьшают несколькими способами:

  • Тщательно контролируют напряжение зарядки, чтобы не допускать перезаряда.
  • Сурьму, используемую для укрепления пластин в обычных аккумуляторах, заменяют кальцием. Решетка на основе кальция не такая прочная, но аккумуляторы меньше подвержены газообразованию или саморазряду.
  • В некоторых аккумуляторах создают слегка избыточное внутреннее давление. Под давлением водород и кислород, образующиеся во время зарядки, рекомбинируют в воду и поглощаются электролитом. Однако при перезарядке объем газа возрастает, и чтобы уменьшить давление в гелевых аккумуляторах устанавливают предохранительные клапаны. Каждый раз, когда клапана срабатывают и выпускают газ, электролит высыхает и срок службы аккумулятора сокращается.

Абсорбированный электролит

AGM – это один из видов необслуживаемых аккумуляторов, в которых под действием капиллярных сил электролит удерживается в пористом сепараторе из стекловолокна. В отличии от гелевых, электролит в AGM аккумуляторах жидкий, а не желеобразный. Он лучше перемещается между пластинами, в нем меньше образуется пустот и AGM аккумулятор лучше работает при высоких токах разряда, заряда и в холодном климате. AGM аккумуляторы допускают более высокий ток заряда чем жидко-кислотные или гелевые батареи и их используют, если важна скорость зарядки.

Причины выхода из строя

Особенности аккумуляторных батарей помогают спроектировать на катере или яхте систему постоянного тока в которой аккумуляторы защищены от преждевременного выхода из строя.

Выпадение активного материала пластин

Активный материал выпавший из решетки аккумуляторной пластины
Активный материал выпавший из решетки аккумуляторной пластины

Во время заряда и разряда аккумуляторов химические процессы, протекающие в пластинах, превращают свинец и оксид свинца сначала в сульфат свинца, а затем обратно. Многократные химические преобразования ослабляют связь активного материала с решеткой. Каждый раз во время разряда часть активного материала выпадает из нее и емкость аккумулятора уменьшается. Это нормальный процесс старения, который в конечном итоге выводит аккумулятор из строя. Уровень отложений на дне батареи растет, достигает пластин и происходит короткое замыкание. Если активного материала выпало много, то аккумулятор не держит заряд и не справляется со своей работой.

Чтобы продлить срок службы, большинство аккумуляторов выпускается с конвертными сепараторами, запечатанными снизу и по бокам. Активный материал в них навсегда остается в конверте, частота замыкания пластин уменьшается, однако активная масса по-прежнему выпадает из решеток. Другой способ уменьшить выпадение активного материала – скрутить пластины в цилиндр.

Количество выпадающего из пластин активного материала зависит от конструкции аккумулятора. В аккумуляторах с тонкими пластинами и рыхлым активным материалом это происходит быстрее. В батареях с толстыми пластинами и плотной активной массой медленнее. Чаще всего пластины осыпаются при глубоком разряде и заряде слишком высоким током. В аккумуляторах с жидким электролитом дополнительная причина осыпания — удары электролита о пластины во время сильной качки на судне и газообразование при перезарядке.

В гелевых и AGM аккумуляторах пластины упакованы плотно, поэтому осыпаются меньше, чем в батареях с жидким электролитом. Если активный материал в VRLA аккумуляторах осыпается, он задерживается конвертным сепаратором и не падает на дно корпуса. Лучше всех противостоят вибрации и осыпанию пластин AGM аккумуляторы.

Сульфатация

Сульфатация пластин аккумуляторной батареи
Сульфатация пластин аккумуляторной батареи. Слева — фотография отрицательной пластины сульфатированной аккумуляторной пластины, сделанная под электронным микроскопом. Справа — пластина аккумулятора в нормальном состоянии

Сульфат свинца, образующийся в пластинах аккумулятора во время разряда, это мягкий материал, который легко превращается обратно в активную массу во время зарядки аккумулятора. Однако, если оставить аккумуляторную батарею в разряженном состоянии, сульфат затвердевает и кристаллизуется. Кристаллы труднее преобразуются в активный материал, уменьшают емкость и медленно разрушают аккумулятор.

Сульфатация возникает по следующим причинам:

  • Аккумулятор оставлен на длительное время в разряженном состоянии
  • Аккумулятор регулярно недозаряжается, в результате часть активного материала остается незаряженной;
  • Внутренние области толстых пластин или пластины с плотным активным материалом остаются недозаряженными
  • В режиме хранения аккумуляторы со временем разряжаются и сульфатируются. Скорость сульфатации зависит от материала решетки и окружающей температуры. Чем выше температура, тем быстрее саморазряд. Сульфатация гелевых и AGM аккумуляторов меньше, чем у батарей других типов из-за рекомбинации кислорода, ускоряющего сульфатацию, в воду.

Перезарядка

Перезарядка так же разрушительна для аккумуляторных батарей, как и недозарядка. При перезарядке электролит выделяет газ и аккумулятор теряет воду. Если потерянная вода не восполняется, рано или поздно пластины высыхают. Больше всех боятся перезарядки ячейки гелевых и AGM аккумуляторов. В них меньше электролита, чем в жидко-кислотных батареях и его нельзя заменить. Как только активный материал в пластине высыхает, он безвозвратно пропадает.Коррозия на положительной пластине аккумулятора

Во время перезарядки гальваническая активность уменьшает токонесущую способность решеток положительных пластин и со временем полностью разрушает их. Решетки в аккумуляторах с тонкими пластинами выходят из строя раньше, чем в аккумуляторных батареях с толстыми пластинами.

Коробление пластин

Внутреннее сопротивление аккумулятора увеличивается по мере того, как батарея заряжается. Чем больший ток проходит через аккумулятор, тем больше он выделяет тепла. Естественный результат зарядки чрезмерно высоким током – нагрев аккумулятора, коробление пластин, замыкание с соседними пластинами и выход аккумулятора из строя.

Задайте вопрос,

и получите консультацию по электрооборудованию для катера, яхты, автодома или кемпера

Ваше имя

Ваш e-mail

Сообщение

captcha