Свинцово -кислотная батарея с клапанным регулированием ( VRLA ) , широко известная как герметичная свинцово-кислотная батарея ( SLA ) , [1] представляет собой тип свинцово-кислотной батареи , характеризующийся ограниченным количеством электролита («голодный» электролит), абсорбируемого в пластинчатый сепаратор или сформированный в гель; такое соотношение отрицательных и положительных пластин, чтобы облегчить рекомбинацию кислорода внутри клетки ; и наличие предохранительного клапана, который удерживает содержимое батареи независимо от положения ячеек. [2]
Существует два основных типа батарей VRLA: абсорбирующий стекломат ( AGM ) и гелевые элементы ( гелевый аккумулятор ). [3] Гелевые элементы добавляют в электролит кварцевую пыль, образуя густой, похожий на замазку гель. Аккумуляторы AGM (абсорбирующий стекломат) имеют сетку из стекловолокна между пластинами аккумулятора, которая служит для удержания электролита и разделения пластин. Оба типа батарей VRLA имеют преимущества и недостатки по сравнению со свинцово-кислотными батареями с затопленной вентиляцией (VLA) или друг с другом. [4]
Благодаря своей конструкции гелевые элементы и AGM-типы VRLA могут быть установлены в любом положении и не требуют постоянного обслуживания. Термин «необслуживаемые» является неправильным, поскольку батареи VRLA по-прежнему требуют очистки и регулярного функционального тестирования. Они широко используются в крупных портативных электрических устройствах, автономных энергосистемах и аналогичных целях, где необходимы большие объемы памяти при меньших затратах, чем другие технологии, не требующие особого обслуживания, такие как литий-ионные аккумуляторы .
Первая свинцово-кислотная гелевая батарея была изобретена компанией Elektrotechnische Fabrik Sonneberg в 1934 году. [5] Современная гелевая батарея или батарея VRLA была изобретена Отто Яхе из Sonnenschein в 1957 году. [6] [7] Первым элементом AGM был запатентованный Cyclon. компанией Gates Rubber Corporation в 1972 году, а сейчас производится EnerSys . [8] Циклон представляет собой спирально навитую ячейку с тонкими электродами из свинцовой фольги. Ряд производителей ухватился за технологию и реализовал ее в элементах с обычными плоскими пластинами. В середине 1980-х годов две британские компании, Chloride и Tungstone, одновременно представили батареи AGM с десятилетним сроком службы емкостью до 400 Ач, чему способствовала спецификация British Telecom на батареи для поддержки новых цифровых станций. В тот же период Гейтс приобрел еще одну британскую компанию Varley, специализирующуюся на производстве самолетов и военных аккумуляторов. Варли адаптировал технологию свинцовой фольги Cyclon для производства плоских аккумуляторов с исключительно высокой производительностью. Они получили одобрение для различных самолетов, включая бизнес-джеты BAE 125 и 146, Harrier и его производную AV8B, а также некоторые варианты F16 в качестве первой альтернативы тогдашним стандартным никель-кадмиевым (Ni-Cd) батареям . [6]
Свинцово-кислотные элементы состоят из двух свинцовых пластин, служащих электродами , подвешенных в электролите , состоящем из разбавленной серной кислоты . Ячейки VRLA имеют тот же химический состав, за исключением того, что электролит иммобилизован. В AGM это достигается с помощью мата из стекловолокна; в гелевых батареях или «гелевых элементах» электролит имеет форму пасты, похожей на гель, созданной путем добавления в электролит кремнезема и других гелеобразователей. [9]
Когда аккумулятор разряжается, свинец и разбавленная кислота вступают в химическую реакцию, в результате которой образуется сульфат свинца и вода. Когда элемент впоследствии заряжается, сульфат свинца и вода снова превращаются в свинец и кислоту. Во всех конструкциях свинцово-кислотных аккумуляторов зарядный ток необходимо регулировать в соответствии со способностью аккумулятора поглощать энергию. Если зарядный ток слишком велик, произойдет электролиз , в результате которого вода разложится на водород и кислород, в дополнение к предполагаемому преобразованию сульфата свинца и воды в диоксид свинца, свинец и серную кислоту (процесс, обратный процессу разряда). Если этим газам дать возможность выйти, как в обычном затопленном элементе, в батарею необходимо будет время от времени добавлять воду (или электролит). Напротив, батареи VRLA удерживают образующиеся газы внутри батареи до тех пор, пока давление остается в пределах безопасного уровня. При нормальных условиях эксплуатации газы могут рекомбинироваться внутри самой батареи, иногда с помощью катализатора, и дополнительный электролит не требуется. [10] [11] Однако, если давление превышает пределы безопасности, предохранительные клапаны открываются, позволяя избыточным газам выйти, и при этом регулируют давление обратно до безопасного уровня (отсюда и «регулируемый клапан» в «VRLA»). [12]
Каждая ячейка батареи VRLA имеет клапан сброса давления, который срабатывает, когда в батарее начинает повышаться давление газообразного водорода, обычно в результате перезарядки. [12]
В крышки элементов обычно встроены газовые диффузоры, которые позволяют безопасно рассеивать любой избыток водорода, который может образоваться во время перезарядки . Они не герметичны, но не требуют технического обслуживания. Их можно ориентировать любым образом, в отличие от обычных свинцово-кислотных батарей, которые необходимо держать вертикально, чтобы избежать разлива кислоты и сохранить вертикальную ориентацию пластин. Ячейки можно эксплуатировать с горизонтальными пластинами ( в виде блина ), что может увеличить срок службы. [13]
Аккумуляторы AGM отличаются от залитых свинцово-кислотных аккумуляторов тем, что электролит удерживается в стеклянных матах, а не свободно заливается пластинами. Очень тонкие стеклянные волокна вплетены в мат, чтобы увеличить площадь поверхности настолько, чтобы удерживать достаточное количество электролита на элементах в течение всего срока их службы. Волокна, из которых состоит тонкий стекломат, не впитывают и не подвергаются воздействию кислотного электролита. Эти маты отжимаются на 2–5% после замачивания в кислотах непосредственно перед завершением производства.
Пластины в аккумуляторе AGM могут иметь любую форму. Некоторые из них плоские, другие согнуты или свернуты. Батареи AGM как глубокого цикла, так и пускового типа встроены в прямоугольный корпус в соответствии со спецификациями кодов аккумуляторов Battery Council International (BCI).
Аккумуляторы AGM более устойчивы к саморазряду, чем обычные аккумуляторы, в широком диапазоне температур. [14]
Как и в случае со свинцово-кислотными аккумуляторами, чтобы максимально продлить срок службы аккумулятора AGM, важно следовать инструкциям производителя по зарядке. Рекомендуется использовать зарядное устройство с регулируемым напряжением . [15] Существует прямая корреляция между глубиной разряда (DOD) и сроком службы батареи, [16] с разницей между 500 и 1300 циклами в зависимости от DOD.
Первоначально в начале 1930-х годов производилась своего рода гелевая батарея для питания переносных ламповых (ламповых) радиоприемников LT (2, 4 или 6 В) путем добавления кремнезема в серную кислоту. [17] К этому времени стеклянный корпус был заменен целлулоидом, а позже, в 1930-х годах, другими пластиками. Ранее, в 1927, 1931 или 1932 годах, в «мокрых» ячейках в стеклянных банках использовались специальные клапаны, позволяющие наклонять их из вертикального направления в одно горизонтальное. [18] Вероятность утечки гелевых ячеек при грубом обращении с портативным набором была меньше.
Современный гелевый аккумулятор представляет собой аккумулятор VRLA с гелеобразным электролитом ; серную кислоту смешивают с коллоидным кремнеземом , что делает полученную массу гелеобразной и неподвижной. В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов с мокрыми элементами, эти аккумуляторы не нужно хранить в вертикальном положении. Гелевые аккумуляторы уменьшают испарение электролита, утечку (и последующие проблемы с коррозией ), характерные для аккумуляторов с мокрыми элементами, и обладают большей устойчивостью к ударам и вибрации . По химическому составу они почти такие же, как мокрые (негерметичные) батареи, за исключением того, что сурьма в свинцовых пластинах заменена кальцием и может происходить рекомбинация газов.
Многие современные мотоциклы и вездеходы (квадроциклы), представленные на рынке, используют аккумуляторы AGM, чтобы снизить вероятность разлива кислоты во время поворотов, вибрации или после аварий, а также из соображений упаковки. Более легкую и меньшую батарею можно установить под нестандартным углом, если это необходимо для конструкции мотоцикла. Из-за более высоких производственных затрат по сравнению с залитыми свинцово-кислотными аккумуляторами аккумуляторы AGM в настоящее время используются в автомобилях класса люкс. Поскольку автомобили становятся тяжелее и оборудуются большим количеством электронных устройств, таких как навигация и контроль устойчивости , батареи AGM используются для снижения веса автомобиля и обеспечения большей электрической надежности по сравнению с залитыми свинцово-кислотными батареями.
В автомобилях BMW 5-й серии, выпущенных в марте 2007 года, используются аккумуляторы AGM в сочетании с устройствами для рекуперации энергии тормозов с использованием рекуперативного торможения и компьютерного управления, обеспечивающего зарядку аккумулятора генератором переменного тока при замедлении автомобиля. Автомобили, используемые в автогонках, могут использовать аккумуляторы AGM из-за их виброустойчивости. Аккумуляторы AGM также широко используются в классических автомобилях, поскольку из них гораздо меньше вероятность утечки электролита, которая может повредить панели кузова, которые трудно заменить.
AGM с глубоким циклом также широко используются в автономных солнечных и ветроэнергетических установках в качестве накопителя энергии , а также в крупномасштабной любительской робототехнике , такой как соревнования FIRST и IGVC .
Батареи AGM обычно выбирают для удаленных датчиков, таких как станции мониторинга льда в Арктике . Аккумуляторы AGM из-за отсутствия в них свободного электролита не трескаются и не текут в таких холодных условиях.
Батареи VRLA широко используются в инвалидных колясках и самокатах, поскольку чрезвычайно низкое выделение газа и кислоты делает их намного более безопасными для использования внутри помещений. Батареи VRLA также используются в источниках бесперебойного питания (ИБП) в качестве резервного питания при отключении электроэнергии.
Батареи VRLA также являются стандартным источником питания в планерах благодаря их способности выдерживать различные положения полета и относительно большой диапазон температур окружающей среды без каких-либо побочных эффектов. Однако режимы зарядки должны быть адаптированы к изменяющейся температуре. [19]
Батареи VRLA используются в флоте атомных подводных лодок США из-за их удельной мощности, отсутствия газовыделения, сокращения затрат на техническое обслуживание и повышенной безопасности. [20]
AGM и гелевые аккумуляторы также используются в морских целях, при этом AGM более широко доступны. Судовые аккумуляторы глубокого цикла AGM предлагаются рядом поставщиков. Их обычно отдают предпочтение из-за неприхотливости в обслуживании и качества защиты от разливов, хотя обычно они считаются менее экономически эффективным решением по сравнению с традиционными затопленными элементами.
В телекоммуникационных приложениях батареи VRLA, соответствующие критериям документа требований Telcordia Technologies GR-4228, Уровни сертификации свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с клапанным регулированием (VRLA), основанные на требованиях к безопасности и производительности, рекомендуются для развертывания на внешнем предприятии (OSP). ) в таких местах, как хранилища с контролируемой средой (CEV), корпуса электронного оборудования (EEE) и хижины, а также в неконтролируемых конструкциях, таких как шкафы. По сравнению с VRLA в телекоммуникациях, использование оборудования омического измерительного типа VRLA (OMTE) и измерительного оборудования, подобного OMTE, является довольно новым процессом для оценки телекоммуникационных аккумуляторных установок. [21] Правильное использование омического испытательного оборудования позволяет проводить испытания аккумуляторов без необходимости вывода аккумуляторов из эксплуатации для проведения дорогостоящих и трудоемких испытаний на разряд.
Гелевые и AGM-аккумуляторы VRLA имеют ряд преимуществ по сравнению с залитыми свинцово-кислотными и обычными свинцово-кислотными аккумуляторами VRLA . Аккумулятор можно установить в любом положении, поскольку клапаны срабатывают только при возникновении неисправности избыточного давления. Поскольку аккумуляторная система спроектирована так, чтобы быть рекомбинантной и исключать выделение газов при перезарядке, требования к вентиляции помещения снижаются, и при нормальной работе не выделяются кислотные пары. Выбросы газа из затопленных элементов не имеют большого значения во всех местах, кроме самых маленьких замкнутых пространств, и представляют очень небольшую угрозу для бытового пользователя, поэтому батарея с мокрыми элементами, рассчитанная на долговечность, обеспечивает более низкие затраты на кВтч. В гелевой батарее объем свободного электролита, который может вылиться при повреждении корпуса или вентиляции, очень мал. Нет необходимости (или возможности) проверять уровень электролита или пополнять воду, потерянную в результате электролиза, что снижает требования к проверке и техническому обслуживанию. [22] Батареи с мокрыми элементами можно обслуживать с помощью системы самополива или путем доливки каждые три месяца. Требование добавить дистиллированную воду обычно вызвано перезаправкой. Хорошо отрегулированная система не должна требовать пополнения счета чаще, чем раз в три месяца.
Основным недостатком всех свинцово-кислотных аккумуляторов является требование относительно длительного времени цикла перезарядки , обусловленное присущим ему трехэтапным процессом зарядки: этапы объемного заряда, абсорбционного заряда и (технического) плавающего заряда. Все свинцово-кислотные аккумуляторы, независимо от типа, быстро заряжаются до уровня примерно 70 % емкости, в течение которого аккумулятор будет принимать большой потребляемый ток, определяемый при заданном значении напряжения, в течение нескольких часов (с источником заряда, способным подавать расчетный ток большой ступени C-rate для данной батареи Ач).
Однако затем им требуется больше времени, потраченного на стадию промежуточного абсорбционного заряда с уменьшением тока после первоначального объемного заряда, когда скорость приема заряда батареи LA постепенно снижается, и батарея не принимает более высокий уровень заряда C. Когда достигается уставка напряжения стадии абсорбции (и ток заряда снижается), зарядное устройство переключается на уставку плавающего напряжения с очень низкой скоростью C, чтобы поддерживать полностью заряженное состояние батареи в течение неопределенного времени (стадия плавающего заряда компенсирует нормальное самовосстановление батареи). разрядка со временем).
Если зарядное устройство не обеспечивает достаточную продолжительность заряда на этапе абсорбции и скорость C (это «плато» или тайм-аут, частая ошибка дешевых солнечных зарядных устройств), а также подходящий профиль плавающего заряда, емкость и срок службы батареи будут значительно снижены. .
Чтобы обеспечить максимальный срок службы, свинцово-кислотную батарею следует полностью заряжать как можно скорее после цикла разрядки, чтобы предотвратить сульфатацию , и поддерживать полный уровень заряда с помощью плавающего источника при хранении или простое (или хранить в сухом виде новым с завода). сегодня это редкость).
При работе цикла разрядки батарея LA должна поддерживать уровень DOD менее 50%, в идеале - не более 20-40% DOD; настоящую [23] батарею глубокого разряда LA можно использовать с более низким DOD (даже иногда до 80%), но эти более высокие циклы DOD всегда налагают цену на долговечность.
Срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов будет варьироваться в зависимости от ухода: при наилучшем уходе они могут достигать 500–1000 циклов. При менее бережном использовании можно ожидать, что срок службы составит всего 100 циклов (все также зависит от условий использования).
Из-за добавления кальция в пластины для уменьшения потерь воды герметичная батарея AGM или гелевая батарея заряжается быстрее, чем залитая свинцово-кислотная батарея VRLA или традиционной конструкции. [24] [25] По сравнению с залитыми батареями, батареи VRLA более уязвимы к перегреву во время неправильной зарядки. Электролит нельзя проверить с помощью ареометра для диагностики неправильной зарядки, которая может сократить срок службы батареи. [25]
Автомобильные аккумуляторы AGM обычно примерно в два раза дороже аккумуляторов с затопленными элементами в данной размерной группе BCI; гелевые батарейки в пять раз дороже.
AGM и гелевые аккумуляторы VRLA: