Влияние величины зарядного напряжения на сокращение ёмкости свинцово-кислотных аккумуляторных батарей

Развитие возобновляемых источников энергии является одним из факторов растущего спроса на накопители энергии. Такие альтернативные источники энергии как ветроэлектрогенераторы и солнечные панели являются, как известно, источниками с непостоянным значением выходного напряжения. Это напряжение впоследствии должно быть стабилизировано и изменено в соответствии с требованиями сети при помощи сетевого инвертора (в случае продажи электроэнергии электроснабжающей компании), или посредством контроллера и накопителя энергии (для автономной энергосистемы) [1], [2].

В сочетании с накопителем энергии, например, аккумулятором, контроллер понижает напряжение и сглаживает пульсации вырабатываемой энергии. [3]-[4].

Аккумуляторная батарея - это накопитель энергии, который сохраняет электрическую энергию посредством химической. Свинцово-кислотная батарея, будучи изобретённой ещё в 1859 году, до сих пор остаётся наиболее распространённым типом аккумуляторных батарей. Она хорошо зарекомендовал себя в автомобильной промышленности, широко применяется в источниках бесперебойного питания, в альтернативной электроэнергетике, а также в промышленных установках [5], [6]. Свинцово-кислотные батареи широко используются благодаря их низкой стоимости, простоте изготовления и налаженному методу утилизации [7].

Режим заряда и разряда частично зависит от области применения. Например, для хранения энергии из возобновляемых источников требуется частичный заряд и разряд батареи. А в автомобильных системах запуска-искрообразования, аккумуляторная батарея в основном работает в режиме плавающего заряда. Хорошо известно, что различные режимы заряда-разряда вызывают различные виды износа, что приводит к снижению срока службы батареи [8]. Множество видов утраты работоспособности свинцово-кислотных батарей можно разделить на три категории: 1) осыпание активной массы положительного электрода; 2) сульфатация активной массы; 3) прочие факторы, такие как замыкания, порча электролита, сепаратора и токовыводов [9].

Несмотря на большое количество исследований различных режимов заряда, влияние напряжения заряда на отказ батареи требует дальнейшего изучения. Данная работа включает в себя анализ влияния зарядного напряжения, немного превышающего потенциал разомкнутой цепи на срок службы и деградацию аккумуляторных батарей.

Цель работы: оценить влияние зарядного напряжения на снижение ёмкости свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Материалы и методы исследования.

В данном исследовании использовались аккумуляторные батареи, изготовленные по технологии AGM, с номинальным напряжением 6 вольт, ёмкостью 5 А/ч. Шесть аккумуляторных батарей было разделено на 3 группы по 2 батареи в группе. Каждой группе присваивалось определённое напряжение заряда аккумуляторных батарей, при этом параметры разряда и начальный ток заряда были одинаковы для каждой аккумуляторной батареи. Для проведения зарядки аккумуляторных батарей использовался прибор «Кулон – 715d». Начальный зарядный ток, равный 0,5 ампера, был выбран исходя из рекомендации производителя. Зарядка аккумуляторных батарей прекращалась через 10 минут после снижения зарядного тока до нуля, согласно электронному табло зарядного устройства. Согласно ГОСТ Р 53165-2008, напряжение полностью заряженных батарей с номинальным напряжением 12 вольт после не более 24 ч выдержки при температуре 25 °С при разомкнутой цепи для герметичных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей должно быть не ниже 12,8 вольт. Таким образом, приняв напряжение полностью заряженных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением равным 6 вольт как половину напряжения полностью заряженных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением равным 12 вольт, а именно 6,4 вольт, было выбрано напряжение заряда аккумуляторных батарей, превышающее потенциал разомкнутой цепи, а именно: 6,5 вольт (101,5%); 6,75 вольт (105,5%); 7 вольт (109,5%). Для проведения разряда аккумуляторных батарей применялся электронный модуль нагрузи «WEL3005» . Разряд аккумуляторных батарей производился током 0,25 ампера до падения напряжения под нагрузкой до значения 6 вольт. Для определения снижения ёмкости аккумуляторных батарей в результате проведённых испытаний, перед их началом все аккумуляторные батареи были полностью заряжены, а затем разряжены током 0,25 ампер до напряжения 5,25 вольт для выявления их действительной ёмкости, согласно ГОСТ 53165-2008. Повторная проверка ёмкости выполнялась после прохождения аккумуляторными 10 циклов «заряд-разряд» согласно описанной выше методике.

Результаты и обсуждение

Процент снижения ёмкости  свинцово-кислотных аккумуляторных батарей рассчитывался исходя из разницы ёмкости в первом и последнем циклах. Деградация емкости в 9,933%, 8,158% и 5,143% наблюдается у образцов, заряжавшихся при напряжении 26                 Агротехника и энергообеспечение. – 2022. – № 2 (35)

101,5%, 105,5% и 109,5% от напряжения разомкнутой цепи соответственно. Результаты проведённых испытаний приведены в таблицах №1,2,3.

Таблица №1

Таблица №2

Таблица №3

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о том, что при низком зарядном напряжении ёмкость аккумуляторных батарей сравнительно быстро снижается. При повышении зарядного напряжения данная тенденция, напротив, уменьшается. Можно предположить, что снижение ёмкости аккумуляторных батарей при заряде малым напряжением происходит из-за сульфатации пластин. В то же время, можно предположить, что при повышении зарядного напряжения электролиз происходит более активно, что способствует перемешиванию электролита, а образующиеся в результате электролиза пузырьки газа разрушают частички сульфата и отделяют их от пластин аккумуляторной батареи, что снижает интенсивность утраты батареей первоначальной ёмкости.

Заключение

Информация, полученная в результате проведённого исследования может способствовать продлению срока службы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, определению оптимальной величины зарядного напряжения и, как следствие, снижению затрат на приобретение новых аккумуляторных батарей.