Аккумуляторы  

В этой статье мы подробно рассмотрим необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы, но вначале - какие вообще существуют аккумуляторные батареи (из широкораспространенных), чем они отличаются друг от друга?.. какие у них достоинства и недостатки?

SLA - Свинцовые, или свинцово-кислотные аккумуляторы. Наиболее распространенный тип аккумуляторов, которые используются в качестве стартовых в автомобилях, тяговых - на электротранспорте, в качестве накопителя энергии в альтернативных энергосистемах, как аварийные - в упсах, сигнализациях всех мастей, и т.д. Изобретены еще в середине позапрошлого века; широкое распространение получили благодаря невысокой стоимости, достаточно большой емкости, способности мгновенно выдать большой ток, что важно, например, при запуске автомобиля.

Как видно из названия свинцово-кислотных аккумуляторов, внутри их содержится свинец и кислота (серная). По типу исполнения свинцово-кислотные аккумуляторы делятся не обслуживаемые - с жидким электролитом внутри, и необслуживаемые - гелевые, AGM - которые, собственно, и используются в солнечной и ветряной энергетике, для питания электровелосипедов, электросамокатов, электроскутеров.

Но, кроме свинцово-кислотных аккумуляторов, где в качестве электролита используется раствор кислоты, есть еще щелочные аккумуляторы, где, соответственно, электролит - раствор щелочи. Главное отличие щелочных аккумуляторов от кислотных - способность постепенно отдавать заряд в течение длительного периода времени. Они не очень подходят для использования в качестве стартовых, где требуется отдать большой ток за несколько секунд, зато отлично работают в многочисленных мобильных устройствах (как правило, - литиевые аккумуляторы), где ток надо отдавать постепенно, но очень долго... Щелочные аккумуляторы - это широкая линейка различных типов аккумуляторов, построенных на различных принципах использования разных химических элементов. Поэтому щелочные аккумуляторы - очень разные... Кратко рассмотрим самые распространенные из них: никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные, литий-ионные...

Ni-Cd - Никель-кадмиевые аккумуляторы. До недавнего времени - самый распространенный тип аккумуляторов, который использовался для питания мобильных телефонов, электронных игрушек, бытовых приборов, шуруповертов... они по-прежнему применяются в качестве источника питания шахтных электровозов, электроподъемников, радиостанций, а также для запуска авиационных двигателей. Никель-кадмиевые аккумуляторы надежны, долговечны, хорошо работают при низких температурах. Основной недостаток большинства никель-кадмиевых аккумуляторов - ярко выраженный «эффект памяти»: если такой аккумулятор начать заряжать, когда он еще не полностью разряжен, то он не зарядится до максимальной емкости ни в этот раз, ни в последующие циклы разряда/заряда.

Ni-MH - Никель-металлогидридные аккумуляторы. Емкость этих аккумуляторов примерно на треть больше, чем емкость никель-кадмиевых того же размера. Также обладают «эффектом памяти». Другой отличительной особенностью никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов является их способность долгое время держать постоянным напряжение на клеммах - вплоть до полного разряда. Это - плюс для них; минус - большой саморазряд, до 10% в месяц.

Li-ion - Литиевый, или литий-ионные аккумуляторы. На сегодня - самый перспективный тип аккумуляторов, которые уже повсеместно вытеснили никель-кадмиевые из мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов, и все чаще применяются как источник питания электровелосипедов, электромобилей; как накопитель энергии - в альтернативной энергетике. Литиевые аккумуляторы отличаются высокой емкостью, имеют большой ресурс (срок службы), быстро заряжаются, имеют относительно малый вес, и способны работать при низких температурах. У литиевых аккумуляторов есть только два существенных недостатка - высокая цена, и необходимость иметь специальную (обычно - встроенную) систему контроля заряда/разряда (BMS), предотвращающую склонность литиевых аккумуляторов к самовозгоранию и даже взрыву при нарушении условий эксплуатации.

Литиевый - LiFePo4 36V/10Ah - литий-феррум-фосфатный аккумулятор для электровелосипеда на 36В, емкость - 10 А/ч. Купить Узнать больше про литиевые аккумуляторы

Основные электрические параметры аккумулятора - напряжение, электрическая емкость, внутреннее сопротивление, ток саморазряда, количество циклов заряда/разряда (срок службы). Неосновные, но весьма важные для потребителя - цена, вес, срок хранения. Наилучшими электрическими и потребительскими качествами (кроме стоимости) сегодня обладают литиевые аккумуляторы: они примерно в три раза легче свинцово-кислотных при той же емкости, имеют малый ток саморазряда, длительный срок службы, и очень быстро заряжаются.

Напряжение аккумулятора (одного элемента) варьируется от 1 до 3,5 Воль в зависимости от типа. Для достижения требуемого напряжения «банки» аккумуляторов соединяют в аккумуляторные батареи (последовательно) - на заводе-производителе, или же - самостоятельно. Внимание! - Соединять последовательно литиевые аккумуляторы без BMS-системы опасно! Стандартные напряжения аккумуляторных батарей - 6, 12, 24, 36, 48 В (самых распространенных).

Емкость аккумулятора - количество электрической энергии, которую запасает в себе полностью заряженный аккумулятор. Чем больше емкость, тем дольше, к примеру, проедет ваш электровелосипед без подзарядки.

	Электровелосипед со свинцово-кислотным аккумулятором - ссылка
	Электровелосипед с литиевым аккумулятором, подробнее...

Емкость измеряется в ампер-часах. Например, если емкость аккумуляторной батареи 9 А*ч, то это означает, что, будучи полностью заряженной, она может выдавать ток 9 А в течение часа, или 1 А в течение 9 часов. Заряженный аккумулятор теряет емкость в течение срока хранения: литиевые - очень мало, никель-кадмиевые - достаточно быстро... Со временем аккумулятор теряет способность запасать номинальную емкость (стареет) - это и определяет его срок службы.

Внутреннее сопротивление - редко измеряется в любительских условиях (требуется специальный прибор - анализатор аккумуляторов), однако, тем не менее, это один из важнейших параметров аккумулятора. Внутреннее сопротивление измеряется в миллиомах (мОм), и фактически является показателем здоровья (качества) аккумулятора. Аккумуляторы с большим внутренним сопротивлением являются или старыми, или неисправными, и не могут поддерживать требуемое напряжение на клеммах при повышении тока в нагрузке.

Саморазряд аккумулятора - с течением времени любой аккумулятор теряет емкость. Более всего аккумулятор самопроизвольно разряжается в первые 24 часа после зарядки; с повышением температуры саморазряд увеличивается. Обычно саморазряд оценивают за месяц, и для щелочных и кислотных аккумуляторов этот показатель может достигать 20%, при этом 10% своей энергии Ni-Cd аккумуляторы теряют в первые 24 часа... С увеличением температуры с 20 до 30 градусов саморазряд аккумуляторов может увеличиться в два раза.

Срок службы - количество циклов заряда/разряда, которые может выдержать аккумулятор без значительно ухудшения своих характеристик. Очень важный параметр. Например, в солнечной автономной энергосистеме количество и стоимость аккумуляторов весьма существенно влияет на стоимость всей системы; и если выбранные вами аккумуляторы смогут выдержать только 500 циклов заряда/разряда, то через полтора года их придется менять, а, значит, стоимость всей установки снова вырастет...

Обычно аккумулятор меняют на новый, когда его емкость падает на 40% от максимальной; и срок службы зависит не только от количества циклов заряда/разряда, но и от того, насколько правильно мы заряжаем аккумулятор, от условий эксплуатации, от температуры окружающей среды, наконец, - от времени эксплуатации...

Свинцово-кислотные аккумуляторы выдерживают от 500 до 1500 циклов заряда/разряда; литий-ионные - от полутора до нескольких тысяч, и даже десятков. На срок службы никель-кадмиевых, никель-металл-гидридных аккумуляторов оказывает влияние также эффект памяти.

Зарядка аккумуляторов и аккумуляторных батарей - должна осуществляться правильно, по науке, чтобы жизнь вашего аккумулятора было долгой. В общем случае, процесс заряжания аккумулятора заключается в передаче ему электрической энергии от источника постоянного тока, имеющего более высокое напряжение, чем максимальное напряжение на клеммах аккумулятора. Снова же - в общем случае - ток заряда аккумулятора должен быть порядка 1/10 его номинальной емкости. То есть, чтобы зарядить аккумулятор 12 В/20 А*ч (двенадцативольтовый аккумулятор с емкостью 20 ампер*часов) надо подать на его клеммы напряжение больше 12 Вольт, при этом обеспечить зарядный ток 2 Ампера. Это можно сделать с помощью регулируемого источника питания - постепенно увеличивая напряжение на его выходе вручную, или - с помощью специального зарядного устройства. Такими зарядками, например, комплектуются электронаборы для переоборудования велосипеда в электровелосипед

Время заряда аккумуляторов зависит от типа химических процессов, проходящих внутри. Так, полностью разряженный свинцово-кислотный аккумулятор может заряжаться несколько десятков часов подряд; а литиевый - всего несколько часов. Есть методики, позволяющие ускоренно заряжать аккумуляторы, но обычно при этом срок службы аккумуляторов уменьшается.

Многие аккумуляторы весьма чувствительны к перезаряду, например, NiMH, и все типы литиевых. Перезаряд литиевых аккумуляторов особенно опасен, так как может привести к их возгоранию и даже взрыву. Поэтому настоятельно рекомендуется заряжать аккумуляторы с помощью специально предназначенных для этого устройств, при этом батарея литиевых аккумуляторов обязательно должна иметь встроенную систему управления - т.н. BMS-систему.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи до сих пор наиболее широко применяются, потому что имеют достаточно неплохие электрические характеристики и потребительские свойства при относительно невысокой цене. Современные необслуживаемые свинцовые аккумуляторы надежны, долговечны, неприхотливы, и поэтому повсеместно используются в качестве накопителей энергии в солнечных и ветряных автономных энергоустановках, и еще достаточно часто - в качестве источника питания электровелосипедов, электрических скутеров, электромобилей... хотя здесь они уже откровенно проигрывают литиевым аккумуляторам по массогабаритным показателям, весу, скорости заряда, емкости...

Наиболее распространены: гелевые (GEL) необслуживаемые герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы, и свинцовые батареи, изготовленные по технологии AGM. И те, и другие надо заряжать стабильным током, и хранить только в заряженном состоянии.

Свинцово-кислотный гелевый необслуживаемый герметичный аккумулятор. Перейти в раздел Аккумуляторы

GEL - Герметизированные гелевые батареи - называются так, потому что электролит находится в гелеобразном состоянии, в отличие от традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов, где электролит - жидкий. Очевидные достоинства - герметичные, необслуживаемые, имеют стабильные электрические характеристики при перемещении и встряске, что позволяет использовать их на электровелосипедах, электромобилях. Недостатки: параметры сильно зависят от температуры окружающей среды; высокие требования к стабильности зарядного тока.

AGM - Герметизированные батареи с абсорбированным сепараторами электролитом. Электролит внутри их жидкий, но он удерживается в специальном абсориброванном сепараторе из стекловолокна, имеющем пористую структуру (как в губке). Батареи по технологии AGM менее критичны к перепадам температуры, в отличие от гелевых, но, как и гелевые, AGM-батареи надо заряжать стабильным током не хуже +/-1%.

Как расшифровать надписи на свинцово-кислотных аккумуляторных батареях? - На корпусах всех аккумуляторов, кроме информации маркетингового характера - марки аккумулятора, названия фирмы-производителя, адреса сайта - обязательно указывается напряжение батареи в Вольтах, и емкость аккумулятора в Ампер*часах. Например, на аккумуляторной батарее написано - 12 V, 7 А*h - то есть мощность аккумулятора 12х7=84 Вт, которые полностью заряженный аккумулятор может выдать в нагрузку в течение одного часа с током 7 А, или в течение 10 часов с током 0,7 А. Однако, это утверждение не совсем верно, потому что при больших токах разряда емкость аккумулятора быстро падает вследствие внутренних химических процессов и расхода тепла. Поэтому совершенно не рекомендуется использовать аккумулятор в режиме быстрого разряда максимальным током - вы не получите от него требуемой емкости (мощности), и аккумулятор быстро потеряет свой ресурс. Не рекомендуется также разряжать свинцово-кислотный аккумулятор более, чем на 50% его емкости - это также приведет к уменьшению ресурса, сокращению циклов заряда/разряда. Напротив, эксплуатация аккумулятора в условиях, когда он выдает в нагрузку 1/10-1/2 своей емкости, и не разряжается более чем на половину обеспечит получение максимальной мощности в нагрузке, и долгую жизнь самому аккумулятору.

Как уже говорилось, важно использовать специальные зарядные устройства для обеспечения зарядки аккумуляторов стабильным током. Для обеспечения стабильности заряда в солнечных и ветряных электростанциях применяют специальные контроллеры, обеспечивающие зарядку аккумуляторов и управление нагрузкой в режиме изменения питающего напряжения, получаемого от солнечной батареи или ветрогенератора, в широких пределах.

Контроллер заряда солнечной электростанции - больше информации

Правила эксплуатации свинцово-кислотных батарей:

• Не допускайте глубокого - более 50% - разряда аккумуляторной батареи, кроме тех, которые специально созданы для этого - т.н. «аккумуляторы глубокого разряда»
• Заряжайте аккумуляторные батареи только специальными зарядными устройствами. В солнечных/ветряных энергосистемах используйте специальные контроллеры
• Храните свинцовые аккумуляторы только в заряженном состоянии, а разряженные - сразу заряжайте. Даже короткое время нахождения аккумулятора в разряженном состоянии приводит к необратимым последствиям, и снижению срока службы!
• Не закорачивайте клеммы аккумуляторной батареи - это может привести к разрушению клемм, аккумулятора, пожару и ожогам.
• Обязательно используйте предохранитель, подключая нагрузку (электровелосипед, например) к аккумулятору.
• Внимательно подключайте нагрузку, чтобы не перепутать полярность!
• Не пытайтесь вскрывать корпус аккумуляторной батареи. Это опасно!