Аккумуляторы с жидким электролитом

Основа жидко-кислотных тяговых аккумуляторов – тяжелые, усиленные сурьмой решетки, толстые пластины с плотным активным материалом, многослойный сепаратор и прочный корпус. Если за такими аккумуляторами правильно ухаживать, они выдержат тысячи циклов заряда/разряда. Однако способность к глубокому разряду омрачается в несколько раз более высокой по сравнению с автомобильными аккумуляторами ценой и недостатками, вытекающими из достоинств.

Толстые пластины и плотный активный материал замедляют скорость диффузии электролита и уменьшают скорость заряда и разряда аккумулятора. Поэтому, каждый раз, когда к аккумулятору подключается мощная нагрузка — запускается двигатель или включается инвертор, напряжение на аккумуляторе падает.

Слева — результат перезарядки гелевого аккумулятора. Жидкость испарилась и электролит превратился в порошок. Справа — взорвавшийся аккумулятор с жидким электролитом

С возрастом аккумулятора падение напряжения возрастает и может упасть настолько сильно, что электронные блоки управления на современных двигателях отключатся, а работа других электронных устройств, подключенных к аккумуляторам, нарушится. Из-за этой особенности тяговые жидко-кислотные аккумуляторы не рекомендуют использовать с мощными устройствами чувствительными к уровню напряжения.

В отличии от кратковременных высоких нагрузок, которые забирают заряд с поверхности аккумуляторных пластин, маломощные устройства разряжают батарею в течении нескольких часов. У аккумулятора появляется время выровнять напряжение по толщине пластины и отдать заряд из ее центральных областей.

Сульфатация

Во время зарядки разряженные внутренние области пластин необходимо перезарядить. Для этого процесс диффузии должен распространится по всей толщине пластины, а на это может потребоваться несколько часов. Если время зарядки ограничено, то аккумулятор полностью не зарядится. Часть сульфата свинца, образовавшегося во внутренних областях пластины во время разряда, сохранится. Сульфат будет медленно превращаться в кристаллы, и через некоторое время нормальная зарядка уже не сможет вернуть их обратно в активную массу.

Таким образом меры, предпринятые для уменьшения повреждений от циклической нагрузки, повышают вероятность сульфатации. Чтобы этого не допустить, продолжительность зарядки аккумулятора периодически увеличивают. Источник еще одной проблемы жидко-кислотных аккумуляторов – сурьма, которую используют для усиления решеток аккумуляторных пластин. Сурьма вызывает слабые токи, разряжающие неиспользуемую аккумуляторную батарею, поэтому если аккумулятор регулярно не подзаряжать, образуется сульфат свинца и емкость аккумулятора уменьшается.

Чтобы уменьшить повреждения от сульфатации, тяговый аккумулятор с жидким электролитом необходимо периодически заряжать до 100%, а затем производить контролируемую перезарядку, называемую выравниванием или кондиционированием.

График зарядки аккумулятора с жидким электролитом. Коричневая линия — изменение тока зарядки, желтая — изменение напряжения. По окончание зарядки напряжение увеличивают, чтобы выполнить кондиционирование аккумулятора

Цель перезарядки — смягчить затвердевшие кристаллы сульфата свинца и вернуть их к активному использованию. Для этого аккумулятор заряжают током 3-5% от его номинальной емкости (3 — 5 ампер для аккумулятора емкостью 100 Ач) до тех пор, пока напряжение не вырастет до 15,0 — 16,2 вольт. Перед проведением кондиционирования аккумулятор изолируют от нагрузки, чтобы высокое напряжения не повредило чувствительное электронное оборудование.

Все аккумуляторы с жидким электролитом по мере приближения к полной зарядке выделяют газ, а в процессе выравнивания аккумулятор бурлит, как кипящий варочный котел! Взрывоопасные (водород и кислород) и вредные (арсин и стибин) газы, пар, вызывающий коррозию и необходимость долива воды делают использование аккумуляторов с жидким электролитом в некоторых случаях нежелательным.

Гелевые и AGMs батареи лишены недостатков жидко-кислотных аккумуляторов, но обладают собственными проблемами

Гелевые и AGM аккумуляторы

В процессе производства сепараторы и пластины гелевых и AGM аккумуляторов насыщают раствором серной кислоты и затем плотно упаковывают в корпус. Свободного электролита в батареях этого типа меньше, и он перемещается между пластинами не так хорошо, как в жидко-кислотных аккумуляторах. Поэтому чтобы увеличить контакт с электролитом, аккумуляторные пластины делают тоньше. Тесно расположенные пластины меньшей толщины снижают внутреннее сопротивление ячеек — аккумуляторы быстрее разряжаются и разряжаются.

Аккумуляторные батареи Optima – один из вариантов AGM аккумуляторов с низким внутренним сопротивлением. Пластины в этих аккумуляторах плотно упакованы и закручены в спираль. Optima допускают высокий ток заряда, имеют хорошее сопротивление вибрации и большой пусковой ток. Однако из-за того, что аккумуляторы этой марки выпускаются емкостью менее 100 Ач, они плохо подходят для создания больших батарей.

Сравнительные характеристики тяговых аккумуляторов DEKA и Trojan

Производитель	Trojan	Trojan	Deka	Deka	Deka
Модель	6V-AGM	31-GEL	8G31DT	8A31DT	8A4D
Тип электролита	AGM	GEL	GEL	AGM	AGM
Емкость C20, Ач	200	102	102	105	198
Резервная емкость @25Amp, мин	385	200	190	210	413
Напряжение, В	6	12	12	12	12
Вес 1 шт, кг	29	32	32	31,5	59,5

TPPL аккумуляторы – еще одна модификация AGM батарей. Решетки TPPL аккумуляторов состоят из чистого свинца без примеси кальция. Мягкие и податливые пластины толщиной около 1 мм удерживают в корпусе с помощью специальных приспособлений и пасты. TPPL аккумуляторы допускают очень высокий ток заряда и разряда и выдерживают большее количество циклов, чем традиционные AGM батареи.

Зависимость количества циклов аккумуляторов глубокого разряда Trojan от глубины разряда.

С точки зрения абсолютного срока службы, гелевые и AGM-аккумуляторы находятся посредине между стартовыми и высококачественными тяговыми аккумуляторами с жидким электролитом. Однако на практике, из-за низкой скорости проникновения электролита в толстые пластины жидко-кислотных аккумуляторов, батареи этого типа часто заряжаются не полностью и постепенно сульфатируются. При одинаковом времени зарядки гелевые и AGM аккумуляторы заряжаются полнее, а значит выдерживают большее количество циклов.

Решетки в пластинах AGM и гелевых аккумуляторов усиливаются кальцием, а не сурьмой. Из-за этого прочность решеток уменьшается и срок службы аккумуляторов сокращается. Но одновременно во много раз по сравнению с жидко-кислотными аккумуляторами уменьшается внутренний саморазряд. Если аккумулятор с жидким электролитом оставить в разряженном состоянии, в нем начинается сульфатация и он никогда не проработает ожидаемое время. Гелевые и AGM батареи без ущерба остаются разряженными в течение нескольких месяцев.

Плотно упакованные пластины в гелевых, и особенно в AGM аккумуляторах, лучше выдерживают вибрацию во время движения. В разряженных жидко-кислотных аккумуляторах удары электролита при вибрации могут вымыть активный материал из решетки.

Способность гелевых и AGM аккумуляторов быстро отдавать заряд означает, что при больших нагрузках напряжение батареи будет выше, чем у жидко-кислотных аккумуляторов. Если аккумулятор используется для запуска двигателя или с мощным инвертором, то гелевый или AGM аккумулятор меньшей емкости будет работать так же как жидко-кислотный большей.

Зарядка аккумуляторов

Периодическая контролируемая перезарядка – обязательное условие нормальной работы аккумуляторов с жидким электролитом. Традиционно считается, что для гелевых и AGM батарей выполнять эту процедуру не нужно — газообразование и потеря воды ведут к выходу VRLA аккумуляторов из строя.

Однако в последние годы выяснилось, что AGM и особенно TPPL аккумуляторы допускают режим кондиционирования, который напоминает режим выравнивания для аккумуляторов с жидким электролитом. Как и жидко-кислотные, AGM аккумуляторы страдают от сульфатации и из-за этого преждевременно выходят из строя. Поэтому если емкость AGM аккумулятора значительно уменьшается, то ее часто удается восстановить с помощью контролируемой перезарядки.

При правильной зарядке лучшие аккумуляторы с жидким электролитом служат дольше, чем гелевые и AGM батареи, а их стоимость в расчете на один ампер-час энергии существенно меньше. Однако, жидко-кислотные аккумуляторы редко заряжают и обслуживают как положено, поэтому очень немногие из них полностью используют заложенный в конструкции срок службы.

Если для зарядки аккумуляторов используют двигатель, а в стоимость ампер-часа включают стоимость топлива и затраты на обслуживание, то из-за низкой скорости приема заряда жидко-кислотными аккумуляторами, цена их ампер-часа оказывается выше. Разница в стоимости энергии возрастает, если учитывать потери при зарядке и разряде. Для жидко-кислотных аккумуляторов они могут доходить до 40%, а у AGM батарей составляют 15 – 25%. Высокие потери означают большее время зарядки, большую стоимость ампер-часа и большее выделение тепла, особенно у высоконагруженных батарей. Регулярный нагрев также уменьшает срок службы аккумулятора.

Какой тяговый аккумулятор выбрать

Если аккумуляторные батареи на судне не используются в течение нескольких недель или месяцев, то лучший выбор – гелевые или AGM аккумуляторы. У них низкий уровень саморазряда. Кроме того, если владелец не уделяет обслуживанию аккумуляторов даже минимального времени, то гелевые или AGM батареи также более предпочтительны.

Жидко-кислотные аккумуляторы	VRLA аккумуляторы
Потенциальный срок службы больше при меньших затратах	Выше цена, потенциальный срок службы меньше
Мало чувствительны к перезарядке	Чувствительны к перезарядке
Медленная зарядка. Если время зарядки ограничено, стоимость вырабатываемой энергии может быть высока	Быстрая зарядка. Если время зарядки ограничено, стоимость вырабатываемой энергии ниже
Требуется периодическая десульфатация	Десульфатация не требуется
Для десульфатации нужно специальное зарядное устройство	Не требуется
Газообразование при достижении полной зарядки. Опасность взрыва	Нет газообразования в нормальных условиях
Напряжение падает при высокой нагрузке	Лучше держат высокую нагрузку
Установка только в вертикальном положении	Положение не имеет значения
Высокий уровень саморазряда	Низкий уровень саморазряда
Требуется регулярное обслуживание	Обслуживание не требуется

Гелевые и AGM аккумуляторы лучше держат напряжение под большой нагрузкой, при нормальной эксплуатации не выделяют взрывоопасных газов и едких паров и не разливают электролит при повреждениях. Поэтому если на лодке не установлено зарядных устройств с функцией выравнивания и судно используется от случая к случаю, то гелевые или AGM аккумуляторы предпочтительнее жидко-кислотных.

Однако, если владелец заботится об аккумуляторах, имеет устройства для их правильной зарядки и не допускает саморазряда, то аккумуляторы с жидким электролитом прослужат дольше при меньших затратах.

В настоящий момент нет объективных данных, по которым можно сделать вывод о преимуществах гелевых или AGM аккумуляторов разных марок. Однако AGM аккумуляторы обладают меньшим внутренним сопротивлением и меньшими потерями во время разряда и заряда. Значит они заряжаются быстрее, время работы двигателя для их зарядки меньше, а общая стоимость эксплуатации аккумуляторов ниже.