Аккумуляторные батареи
Однотипные аккумуляторы часто объединяют электрически и конструктивно по нескольку штук. Полученная конструкция называется аккумуляторной батареей (далее "батарея" или "АКБ"). Среди получаемых преимуществ напряжение, сила тока, ёмкость или мощность, большие, чем может дать один элемент. При параллельном соединении аккумуляторов напряжение батареи равно напряжению каждого из элементов (они уравниваются), а общий электрический заряд — сумме электрических зарядов отдельных аккумуляторов. При последовательном соединении суммируется ЭДС. Смешанное соединение осуществляют для повышения напряжения и емкости по сравнению с напряжением и емкостью отдельного аккумулятора.
Недостатки аккумуляторных батарей по сравнению с аккумуляторами
Помимо описанных ранее проблем, возникающих при использовании аккумуляторов, объединение их в батареи дает нам не только новые возможности эксплуатации, но и новые недостатки.
Помимо очевидных конструктивных недостатков батареи относительно входящих в ее состав элементов (необходимость создания конструкции, меньшая плотность энергии, больший вес, стоимость и т. д.), вероятность отказа батареи зачастую выше, чем аналогичная вероятность у отдельного аккумулятора. Например, в большинстве случаев, при отказе хотя бы одного элемента батареи, она вся становится негодной, так как производители аккумуляторов крайне не рекомендуют замену отдельных ее элементов или такая замена вообще невозможна.
Второй существенной проблемой аккумуляторных батарей, существенно снижающей срок эксплуатации относительно отдельного аккумулятора, является эффект "разбалансировки". Суть этого явления состоит в том, что при наиболее часто используемом последовательном соединении элементов, время заряда-разряда каждого отдельного элемента немного отличается, и со временем происходит увеличение разницы напряжений на отдельных элементах батареи. Некоторые элементы заряжаются быстрее не позволяя зарядиться остальным элементам, так как в сумме батарея набирает нужное напряжение и заряд прекращается. Полностью избавиться то этого эффекта невозможно, так как невозможно создать несколько абсолютно идентичных аккумуляторов, но снизить его влияние можно повышением качества производства и проведением процедуры "балансировки" при изготовлении и эксплуатации АКБ. При "балансировке" все элементы батареи заряжаются каждый в отдельности до одинакового напряжения, простейший способ состоит в рассоединении элементов и замыкании всех катодов и всех анодов аккумуляторов между собой.
-
Принцип работы аккумуляторов
Науке известно несколько способов накопления электрической энергии, но только электрические аккумуляторы возможно заряжать электрическим током, что дешево и относительно просто и безопасно. Любой аккумулятор состоит из анода, катода и жидкого или пастообразного электролита, которые могут проводить электрический ток. Химический принцип действия электрических аккумуляторов, в общем, таков:
При разряде восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы отдает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восстанавливается. Электролит может служить как пассивной средой для переноса ионов между электродами (литий-ионные, никель-кадмиевые и др. аккумуляторы), так и являться активным участником электрохимической реакции (свинцово-кислотные и др. аккумуляторы).
При подключении аккумулятора к зарядному устройству химическая реакция протекает вспять: электроны движутся к отрицательному электроду и он восстанавливается, положительный же электрод окисляется.
Конкретные принципы действия и соответствующие формулы приведены далее.
-
Аккумулятор как электрический элемент
Аккумулятор, как электрический элемент, характеризуется основными параметрами:
электрохимической системой;
ЭДС;
напряжением;
электрической емкостью;
внутренним сопротивлением;
током саморазряда.
Электрохимическая система — система, состоящая из двух электродов и находящегося с ними в контакте электролита, в которой могут протекать как минимум одна электрохимическая реакция окисления и одна электрохимическая реакция восстановления вещества. Применительно к аккумуляторам - вещества, из которых состоят электроды и электролит, а также химический принцип действия аккумулятора. Бывают аккумуляторы следующих электрохимических систем:
• лантан-фторидной;
• литий-ионной;
• литий-полимерной;
• никель-цинковой;
• никель-кадмиевой;
• никель-металл-гидридной;
• свинцово-кислотной;
• свинцово-оловянной;
• свинцово-цинковой;
• серебряно-цинковой;
• серебряно-кадмиевой;
• железо-никелевой;
• железо-воздушной;
• цинк-хлорной;
• натрий-серной;
• литий-хлорной;
• свинцово-водородной;
• цинк-бромной;
• натрий-никель-хлоридной;
• литий-железно-сульфидной;
• литий-фторной.
ЭДС аккумулятора — разность электродных потенциалов, измеренную при разомкнутой внешней цепи. Электродный потенциал при разомкнутой внешней цепи состоит из равновесного электродного потенциала и потенциала поляризации.
Равновесный электродный потенциал характеризует состояние электрода при отсутствии переходных процессов в электрохимической системе. Потенциал поляризации определяется как разность между потенциалом электрода при заряде и разряде и его потенциалом при разомкнутой внешней цепи. Электродная поляризация сохраняется в аккумуляторе и при отсутствии тока после отключения нагрузки от зарядного устройства. Это связано с диффузионным процессом выравнивания концентрации электролита в порах электродов и пространстве аккумуляторных ячеек. Скорость диффузии невелика, поэтому затухание переходных процессов происходит в течение нескольких часов и даже суток в зависимости от температуры электролита. Учитывая наличие двух составляющих электродного потенциала при переходных режимах, различают равновесную и неравновесную ЭДС аккумулятора.
Равновесная ЭДС свинцового аккумулятора зависит от химических и физических свойств активных веществ и концентрации их ионов в электролите.
На величину ЭДС влияет плотность электролита и очень незначительно температура. С повышением плотности электролита и температуры ЭДС возрастает.
Плотность электролита в порах электродов и в моноблоке одинакова у аккумуляторов, находящихся в состоянии покоя. Этой плотности соответствует ЭДС покоя. Вследствие поляризации пластин и изменения концентрации электролита в порах электродов относительно концентрации электролита в моноблоке, ЭДС при разряде меньше, а при заряде больше ЭДС покоя. Основной причиной изменения ЭДС в процессе разряда или заряда является изменение плотности электролита, участвующего в электрохимических процессах.
Напряжение аккумулятора отличается от его ЭДС на величину падения напряжения во внутренней цепи при прохождении разрядного или зарядного тока. При разряде напряжение на выводах аккумулятора меньше ЭДС, а при заряде больше.
Разрядное напряжение вычисляется по формуле:
Up=E – Ip*r= E – En – Ip*ro,
где E — ЭДС аккумулятора, En – ЭДС поляризации, В;
Ip – сила разрядного тока, А;
r – полное внутреннее сопротивление, Ом;
ro – омическое сопротивление аккумулятора, Ом.
Зарядное напряжение вычисляется по формуле:
Uз=E + Iз*r=E + En + Iз*ro,
где Iз - сила зарядного тока, А;
E — ЭДС аккумулятора, En – ЭДС поляризации, В;
r – полное внутреннее сопротивление, Ом;
ro – омическое сопротивление аккумулятора, Ом.
При увеличении силы разрядного тока 1р напряжение снижается быстрее вследствие большей разности концентраций электролита, а также большего внутреннего падения напряжения в батарее.
Напряжение на выводах аккумуляторной батареи при разряде также зависит от температуры. При понижении температуры увеличивается вязкость, удельное электросопротивление электролита и уменьшается скорость диффузии электролита из аккумуляторного сосуда в поры активных веществ электродов.
Полным внутренним сопротивлением аккумулятора принято называть сопротивление, оказываемое прохождению через аккумулятор постоянного разрядного или зарядного тока:
где ro — омическое сопротивление, rn — сопротивление поляризации.
Омическое сопротивление аккумулятора складывается из сопротивлений электродов, электролита, сепараторов, межэлемёнтных перемычек и других токоведущих деталей.
Сопротивление заряженных аккумуляторов составляет от нескольких тысячных до нескольких сотых долей ома. Сопротивление уменьшается с увеличением числа параллельно соединенных аккумуляторов в батарее, т.е. с увеличением емкости аккумуляторной батареи.
Емкость аккумулятора принято разделять на разрядную, зарядную и номинальную.
Номинальная емкость — это количество электрической энергии, которой аккумулятор теоретически должен обладать в заряженном состоянии.
Разрядная емкость — это количество электричества, отдаваемое аккумуляторной батареей в пределах допустимого разряда.
Зарядная емкость — это количество электричества, необходимое для полного заряда аккумулятора.
Номинальная емкость определяется заводом-изготовителем при разряде аккумулятора постоянным током в течение измеряемого промежутка времени до момента достижения условного порогового напряжения.
Емкость измеряется в ампер-часах (А*час) или миллиампер-часах (mA*час). Ее значение указывается на этикетке аккумулятора или зашифровано в обозначении его типа.
На практике разрядная емкость отличается от номинальной в пределах 80— 110% и зависит от большого числа факторов: от условий и срока хранения, от технологии ввода в эксплуатацию, технологии обслуживания в процессе эксплуатации, используемых зарядных устройств, условий и срока эксплуатации и т.д.
Теоретически аккумулятор номинальной емкостью 600 мА*час может отдавать ток 600mA в течение одного часа, 60 мА в течение 10 часов, или 6mA в течение 100 часов.
Практически же, при высоких значениях тока разряда номинальная емкость никогда не достигается, а при низких токах превышается.
Номинальное значение емкости аккумулятора часто обозначается буквой «C», поэтому здесь и далее часто встречаются ссылки, подобные следующим: С, 1/10 C или C/10.
Когда говорят о разряде аккумулятора, равном 1/10 C, это означает разряд током, величина которого равна десятой части от величины номинальной емкости аккумулятора. Так например, для аккумулятора емкостью 600 мА*час это будет разряд током 600/10 = 60 мА. Подобно вышесказанному о разряде аккумуляторов, при заряде значение 1/10 C означает заряд током, равным десятой части заявленной емкости аккумулятора.
Ток саморазряда — это ток, возникающий вследствие эффекта саморазряда.
Саморазряд — это самопроизвольная потеря аккумулятором запасенной энергии с течением времени после того, как он был полностью заряжен. Явление саморазряда присуще всем типам аккумуляторов, независимо от их электрохимической системы и связано с наличием примесей и диэлектрической разностью материалов аккумулятора, замкнутостью электродов внутри и снаружи корпуса вследствие загрязнения и высокой влажности. Количественно ток саморазряда измеряется в амперах и равен необходимому току разряда для соответствующей скорости потери емкости при условном отсутствии саморазряда.
|
