Промышленные аккумуляторные батареи Exide

Промышленные аккумуляторы
EXIDE.
Повышение энергоэффективности
объектов.
ЗАО «Акку-Фертриб»
Руководитель ПТД
Макаренко Сергей Владимирович
(495) 228-13-13, доб. 162, моб: 8 (916) 792-46-06
[email protected]
Технологии
CLASSIC
Малообслуживаемые
аккумуляторы
с жидким
электролитом
GEL
Герметизированные
аккумуляторы
с желеобразным
электролитом
AGM
Герметизированные
аккумуляторы
с абсорбированным
электролитом
Газообразование - Рекомбинация
Малообслуживаемые Герметизированные
ЗУ
ЗУ
H2
H2
O2
-
+
H2SO4
жидкость
O2
H2SO4 в
стекловолокне
или ГЕЛЬ
+
Химические реакции в процессе разряд-заряд
Положительная пластина:
Отрицательная пластина:
Электролит:
кислоты)
PbO2 (двуокись свинца)
Pb (свинец)
H2SO4 (водный раствор серной
Уравнения реакций на электродах
Положительный электрод:
PbO2 +H2SO4 + 2e-  PbSO4 + 2OHОтрицательный электрод:
Pb + H2SO4  PbSO4 + 2H+ + 2e2H+ + 2OH-  2H2O
Уравнение общих реакций в аккумуляторе
PbO2 + Pb + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + 2H2O
Газообразование - Рекомбинация
«Открытая» система
Положительная пластина :
Отрицательная пластина:
Полная реакция:
H2O = 1/2 O2 + 2 H+ + 2 e2 H+ + 2 e- = H2
2H2O = 2H2 + O2
VRLA - система
Положительная пластина :
Отрицательная пластина :
Полная реакция :
H2O = 1/2 O2 + 2 H+ + 2 e-
1. 1/2 O2 + Pb = PbO
2. PbO + H2 SO4 = PbSO4 + H2O
3. PbSO4 + 2 H+ + 2 e- = Pb + H2SO4
2 e- + 1/2 O2 + 2 H+ = H2O + DELTA W
Коэффициент рекомбинации Gel-батарей 98%, AGM-батарей 99%
Две технологии
• Загущенный электролит – гель
– Патент от 1957 года фирмы
Sonnenschein под названием dryfit
• Электролит впитан в
стекловолоконном сепараторе – AGM
– Технология развивается с конца 1970-х
годов
Побочные химические реакции.
Электролиз воды
• Электролиз воды проявляется при протекании
электрического тока через полностью заряженный
аккумуляторный элемент
– На положительном электроде:
– На отрицательном электроде:
– Итоговая реакция:
–
Отрицательный эффект: потеря воды, выделение
водорода
На 1 Ампер-час электричества разлагается
0,336 гр воды (H2O) с образованием
0,45 литра водорода (H2) и
0,22 литра кислорода (O2) для н.у.
Ток разряда свинцово-кислотного
элемента
Кривая напряжения элемента 100Ah
при разряде постоянным током
2,00
1,95
Напряжение / эл [V]
1,90
t[h] I[A] C[Ah]
1,85
10
10
100
1,80
5
17,2
85
1,75
3
25
75
1
52
52
0,5
82
41
1,70
1,65
1,60
1,55
1,50
0
10
20
30
40
50
60
Время разряда [%]
70
80
90
100
Семейство разрядных
характеристик
Зависимость емкости от температуры
Процессы, ограничивающие
срок службы
• коррозия решеток положительных пластин:
– Увеличение внутреннего сопротивления аккумулятора,
– Деформация (рост) положительных пластин и выводов.
• Старение (осыпание) активного материала
положительных пластин;
• Необратимая сульфатация активной массы;
• Прорастание дендритов свинца и короткие
замыкания между разноименными
пластинами;
• Расход воды в VRLA батареях.
Циклы и непрерывный подзаряд.
Разный характер износа АКБ.
Подзаряд
• Коррозия
решеток;
• Дендриты;
• Сульфатация;
• Осыпание
активной массы.
Циклы
• Осыпание
активной массы;
• Сульфатация изза неполного
заряда между
циклами;
• Дендриты;
• Коррозия.
Коррозия –
определяющий фактор окончания срока
службы батарей, работающих в режиме
непрерывного подзаряда
В случае свинцово-кислотного аккумулятора
коррозия проявляется как процесс медленного
превращения свинца в его двуокись.
Условия, вызывающие коррозию:
– Сернокислотный электролит;
– Высокий потенциал анода;
– Выделение кислорода при заряде.
В процессе эксплуатации необходимо
контролировать и управлять:
– Температурой;
– Режимом заряда (напряжением подзаряда);
– Плотностью электролита (для классических технологий).
Факторы, влияющие на
скорость коррозии решетки
положительной пластины
Для каждого ХИТ существует оптимальный режим
содержания (T/U), обеспечивающий его
максимальный срок службы.
• Повышенная температура (U фиксировано)
–
–
–
–
приводит к росту остаточного зарядного тока;
увеличивает количество выделяемого кислорода;
ускоряет коррозию положительных пластин и саморазряд;
вызывает более частое срабатывание клапанов в батареях VRLA.
• Влияние режима заряда (T фиксирована)
– Под действием напряжения через ХИТ протекает ток подзаряда,
который поддерживает активные материалы в заряженном
состоянии;
– Недозаряд и перезаряд ускоряет коррозию;
– Напряжением заряда определяется величина газообразования и
частота срабатывания клапанов в батареях VRLA.
Напряжение подзаряда и
срок службы
• Напряжение подзаряда
выбирается из условия
поддержания состояния
заряженности 100%
• Перезаряд ускоряет
коррозию решёток
положительных пластин,
сокращает срок службы
• Недозаряд ускоряет
коррозию и приводит к
сульфатации пластин и
снижению ёмкости
Температурные влияния на срок
службы
• Основано на соотношении
K(T0+ΔT)/K(T0)=2(ΔT/10)
• Удваивается с повышением
температуры на каждые 10ºC
выше +25ºC
• Срок службы сокращается
многократно при температуре
выше +30ºC
• Срок службы незначительно
увеличивается при температуре
ниже +25ºC
Коэффициент сокращения срока службы
Life Acceleration Factor
(ускорения процессов деградации)
12
10
8
6
4
2
0
0
15
30
45
Temperature (C)
Температура
(С)
60
Примеры влияния температуры
(для батареи со сроком службы 20 лет
при температуре 250С)
Температура = 34oC
Температура = 44oC
• Коэффициент
• Коэффициент
ускорения
ускорения
= 2{(34-25)/10} = 1.866
= 2{(44-25)/10} = 3.732
• Срок службы
• Срок службы
20 / 3.732= 5.4 лет
20 / 1.866 = 10.7 лет
Зависимость емкости от температуры
Доступная емкость в % от С норм. темп.
Температура, °С
Работа в условиях низких температур
 Низкие температуры увеличивают сопротивление
электролита, следовательно:
 Вызывают эффект «кажущейся» потери емкости
из-за увеличенного падения напряжения на
внутреннем сопротивлении батареи;
 Требуют повышенного напряжения содержания
батареи;
 Электролит может замерзнуть!!!
 Полностью заряженную батарею можно хранить
до минус 50 -70ºC;
 Разряд снижает плотность электролита;
 Замерзание электролита может привести к
разрушению корпуса и пластин;
Контроль температуры батареи
• Классическая конструкция требует измерения
температуры электролита;
• Герметичная конструкция с загущенным
электролитом требует измерения:
– Температуры вывода элемента (отрицательного);
– Температуры поверхности элемента или корпуса
блока;
• Избегайте дополнительного нагрева или прямых
солнечных лучей;
• Пользуйтесь результатом измерения температуры
– Корректируйте напряжение заряда.
Требования к заряду батарей
• Заряжайте батарею сразу после разряда;
• Храните батарею в полностью заряженном
состоянии;
• Содержите батарею в полностью заряженном
состоянии для оптимизации ее
электрических параметров и реализации
максимального срока службы
– Это предотвращает паразитный саморазряд
– Даёт энергию другим реакциям
• Выделение кислорода и водорода
• Рекомбинация кислорода в батареях VRLA
• Коррозия решёток положительных пластин
Время полного
восстановления заряда
Зависит от:
 Графика (профиля) заряда;
 Значения тока в фазе I=const;
 Значения напряжения в фазе U=const;
 Глубины предшествующего разряда
(DOD);
Емкость, % от номинала
Заряд АКБ - 1
После разряда:
25% - 10 минут
50% - 1 час
75% - 3 часа
100% - 10 часов
Параметры заряда: I=1I10, U=2,23В/эл
Емкость, % от номинала
Заряд АКБ - 2
Время заряда, часы
Параметры заряда: I=1I10, U=2,40В/эл
Емкость, % от номинала
Заряд АКБ - 3
Время заряда, часы
Параметры заряда: I=2I10, U=2,40В/эл
Фактор заряда
q=Qзаряда/Qразряда
q=1,05 при разряде за 10 часов
q=1,10 при разряде за 1 час
q=1,20 при разряде за 10 минут
Выравнивающий заряд
Выравнивающий заряд – это заряд, который
позволяет достичь наиболее полного преобразования
активного материала во всех элементах батареи
Выравнивающий заряд проводится
• после глубокого разряда и/или после заряда с
несоответствующими параметрами.
• если напряжение на отдельных
элементах/блоках находится за пределами
допуска.
Режим:
U=2,4В/эл, Imax=35A/100Ah,
время – не более 48 часов,
температура аккумуляторов – не более +45°С
Выводы
 Расчетный срок службы батареи определён для
эталонных условий эксплуатации (25ºC и
напряжении подзаряда 2.23В – классика, 2.25В VRLA);
 Срок службы батареи, предназначенных для
параллельно-резервного режима эксплуатации,
определяется в основном коррозией решёток
положительных пластин;
 Срок службы снижается с повышением
температуры;
 Срок службы снижается при повышении
напряжения подзаряда;
 Повышенный ток подзаряда уменьшает срок
службы из-за ускорения коррозии,
газообразования, усиления разогрева;
 Недостаточный ток подзаряда приводит к
ускорению коррозии, сульфатации, потере
емкости.