Свинцово-кислотная батарея с регулируемым клапаном ( VRLA ) , обычно известная как герметичная свинцово-кислотная батарея ( SLA ) [1] — это тип свинцово-кислотной батареи, характеризующийся ограниченным количеством электролита («голодный» электролит), абсорбированного в сепараторе пластин или преобразованного в гель; пропорциональным расположением отрицательных и положительных пластин, что облегчает рекомбинацию кислорода внутри элемента ; и наличием предохранительного клапана, который удерживает содержимое батареи независимо от положения элементов. [2]
Существует два основных типа батарей VRLA: абсорбирующий стекломат ( AGM ) и гелевая ячейка ( гелевая батарея ). [3] Гелевые ячейки добавляют в электролит кремниевую пыль, образуя густой гель, похожий на замазку. Батареи AGM (абсорбирующий стекломат) имеют стекловолоконную сетку между пластинами батареи, которая служит для удержания электролита и разделения пластин. Оба типа батарей VRLA имеют преимущества и недостатки по сравнению с затопленными вентилируемыми свинцово-кислотными батареями (VLA) или друг с другом. [4]
Благодаря своей конструкции, гелевые элементы и типы AGM VRLA могут быть установлены в любой ориентации и не требуют постоянного обслуживания. Термин «не требующий обслуживания» является неправильным, поскольку батареи VRLA по-прежнему требуют очистки и регулярного функционального тестирования. Они широко используются в больших портативных электрических устройствах, автономных энергосистемах и аналогичных ролях, где требуются большие объемы хранения по более низкой цене, чем другие технологии с низкими требованиями к обслуживанию, такие как литий-ионные .
Первая свинцово-кислотная гелевая батарея была изобретена Elektrotechnische Fabrik Sonneberg в 1934 году. [5] Современная гелевая или VRLA батарея была изобретена Отто Яхе из Sonnenschein в 1957 году. [6] [7] Первой ячейкой AGM был Cyclon, запатентованный Gates Rubber Corporation в 1972 году и в настоящее время производимый EnerSys . [8] Cyclon представляет собой спирально-навитую ячейку с тонкими электродами из свинцовой фольги. Ряд производителей ухватились за эту технологию, чтобы внедрить ее в ячейки с обычными плоскими пластинами. В середине 1980-х годов две британские компании, Chloride и Tungstone, одновременно представили батареи AGM со сроком службы десять лет и емкостью до 400 Ач, стимулируемые спецификацией British Telecom для батарей для поддержки новых цифровых коммутаторов. В тот же период Gates приобрела другую британскую компанию, Varley, специализирующуюся на авиационных и военных батареях. Varley адаптировала технологию свинцовой фольги Cyclon для производства плоских пластинчатых батарей с исключительно высокой выходной мощностью. 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 первых альтернатив стандартным на тот момент никель-кадмиевым (Ni-Cd) батареям . [6]
Свинцово-кислотные элементы состоят из двух пластин свинца, которые служат электродами , подвешенными в электролите, состоящем из разбавленной серной кислоты . Элементы VRLA имеют ту же химию, за исключением того, что электролит иммобилизован. В AGM это достигается с помощью стекловолоконного мата; в гелевых батареях или «гелевых элементах» электролит находится в форме пастообразного геля, созданного путем добавления в электролит кремния и других гелеобразующих агентов. [9]
Когда ячейка разряжается, свинец и разбавленная кислота вступают в химическую реакцию, в результате которой образуются сульфат свинца и вода. Когда ячейка впоследствии заряжается, сульфат свинца и вода превращаются обратно в свинец и кислоту. Во всех конструкциях свинцово-кислотных аккумуляторов зарядный ток должен быть отрегулирован в соответствии со способностью аккумулятора поглощать энергию. Если зарядный ток слишком велик, произойдет электролиз , разлагающий воду на водород и кислород, в дополнение к предполагаемому преобразованию сульфата свинца и воды в диоксид свинца, свинец и серную кислоту (обратный процесс разряда). Если эти газы высвобождаются, как в обычном затопленном элементе, в аккумулятор необходимо время от времени добавлять воду (или электролит). Напротив, аккумуляторы VRLA сохраняют образующиеся газы внутри аккумулятора, пока давление остается в пределах безопасных уровней. В нормальных условиях эксплуатации газы могут затем рекомбинировать внутри самого аккумулятора, иногда с помощью катализатора, и дополнительный электролит не требуется. [10] [11] Однако, если давление превышает безопасные пределы, предохранительные клапаны открываются, чтобы выпустить избыток газов, и тем самым регулируют давление до безопасного уровня (отсюда и «регулируемый клапан» в «VRLA»). [12]
Каждая ячейка в аккумуляторе VRLA имеет предохранительный клапан, который активируется, когда в аккумуляторе начинает создаваться давление газообразного водорода, как правило, в результате перезарядки. [12]
Крышки ячеек обычно имеют встроенные газовые диффузоры, которые позволяют безопасно рассеивать любой избыток водорода, который может образоваться во время перезарядки . Они не являются постоянно герметичными, но предназначены для того, чтобы не нуждаться в обслуживании. Они могут быть ориентированы любым образом, в отличие от обычных свинцово-кислотных батарей, которые должны храниться вертикально, чтобы избежать проливания кислоты и сохранять вертикальную ориентацию пластин. Ячейки могут работать с пластинами в горизонтальном положении ( в стиле блина ), что может улучшить циклический ресурс. [13]
Аккумуляторы AGM отличаются от залитых свинцово-кислотных аккумуляторов тем, что электролит удерживается в стеклянных матах, а не свободно заливает пластины. Очень тонкие стеклянные волокна сплетены в мат, чтобы увеличить площадь поверхности, достаточную для удержания достаточного количества электролита на элементах в течение всего срока их службы. Волокна, из которых состоит тонкий стеклянный мат, 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 изогнутые или прокатанные. Как аккумуляторы глубокого цикла, так и пусковые аккумуляторы AGM встроены в прямоугольный корпус в соответствии со спецификациями кода аккумулятора 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, для максимального продления срока службы аккумулятора AGM важно следовать спецификациям производителя по зарядке. Рекомендуется использовать зарядное устройство с регулируемым напряжением . [15] Существует прямая зависимость между глубиной разряда (DOD) и сроком службы аккумулятора, [16] с разницей в 500 и 1300 циклов в зависимости от DOD.
Первоначально своего рода гелевая батарея была произведена в начале 1930-х годов для питания портативных ламповых (ламповых) радиоприемников LT (2, 4 или 6 В) путем добавления кремния в серную кислоту. [17] К этому времени стеклянный корпус был заменен целлулоидом, а позднее, в 1930-х годах, другими пластиками. Более ранние «мокрые» элементы в стеклянных банках использовали специальные клапаны, чтобы обеспечить наклон из вертикального в горизонтальное направление в 1927–1931 или 1932 годах. [18] Гелевые элементы были менее склонны к утечке при грубом обращении с портативным устройством.
Современная гелевая батарея — это батарея VRLA с гелеобразным электролитом ; серная кислота смешивается с коллоидным кремнием , что делает полученную массу похожей на гель и неподвижной. В отличие от залитой свинцово-кислотной батареи с жидкими элементами, эти батареи не нужно держать в вертикальном положении. Гелевые батареи уменьшают испарение электролита, проливание (и последующие проблемы с коррозией ), характерные для батареи с жидкими элементами, и обладают большей устойчивостью к ударам и вибрации . Химически они почти такие же, как и жидкие (негерметичные) батареи, за исключением того, что сурьма в свинцовых пластинах заменена кальцием , и может происходить рекомбинация газа.
Многие современные мотоциклы и вездеходы (ATV) на рынке используют батареи AGM для снижения вероятности проливания кислоты во время поворотов, вибрации или после аварий, а также по соображениям упаковки. Более легкая, меньшая батарея может быть установлена под странным углом, если это необходимо для конструкции мотоцикла. Из-за более высоких производственных затрат по сравнению с залитыми свинцово-кислотными батареями, батареи AGM в настоящее время используются в автомобилях класса люкс. Поскольку автомобили становятся тяжелее и оснащаются большим количеством электронных устройств, таких как навигация и контроль устойчивости , батареи AGM используются для снижения веса автомобиля и обеспечения лучшей электрической надежности по сравнению с залитыми свинцово-кислотными батареями.
BMW 5 серии с марта 2007 года включают батареи AGM в сочетании с устройствами для восстановления энергии торможения с использованием рекуперативного торможения и компьютерного управления, чтобы гарантировать, что генератор заряжает аккумулятор, когда автомобиль замедляется. Автомобили, используемые в автогонках, могут использовать батареи AGM из-за их устойчивости к вибрации. Батареи AGM также широко используются в классических автомобилях, поскольку они гораздо менее склонны к утечке электролита, что может повредить трудно заменяемые панели кузова.
AGM глубокого цикла также широко используются в автономных солнечных и ветровых электростанциях в качестве накопителей энергии , а также в крупномасштабной любительской робототехнике , например, в соревнованиях FIRST и IGVC .
Аккумуляторы AGM обычно выбирают для удаленных датчиков, таких как станции мониторинга льда в Арктике . Аккумуляторы AGM, из-за отсутствия свободного электролита, не трескаются и не протекают в этих холодных условиях.
Аккумуляторы VRLA широко используются в электрических инвалидных колясках и скутерах, поскольку чрезвычайно низкий выход газа и кислоты делает их гораздо более безопасными для использования в помещении. Аккумуляторы VRLA также используются в источниках бесперебойного питания (ИБП) в качестве резервного питания при отключении электроэнергии.
Аккумуляторы VRLA также являются стандартным источником питания в планерах из-за их способности выдерживать различные положения полета и относительно большой диапазон температур окружающей среды без неблагоприятных последствий. Однако режимы зарядки должны быть адаптированы к изменяющейся температуре. [19]
Аккумуляторные батареи VRLA используются на атомных подводных лодках США благодаря их плотности мощности, отсутствию газовыделения, сокращению необходимости в обслуживании и повышению безопасности. [20]
AGM и гелевые батареи также используются для рекреационных морских целей, причем AGM более доступны. AGM глубокого цикла морских батарей предлагаются рядом поставщиков. Обычно они пользуются популярностью из-за их низкого обслуживания и защищенности от протечек, хотя обычно считаются менее экономичным решением по сравнению с традиционными затопленными ячейками.
В телекоммуникационных приложениях батареи VRLA, которые соответствуют критериям в документе требований Telcordia Technologies GR-4228, Уровни сертификации рядов свинцово-кислотных батарей с клапанным регулированием (VRLA), основанные на требованиях к безопасности и производительности, рекомендуются для развертывания на внешнем предприятии (OSP) в таких местах, как контролируемые экологические хранилища (CEV), корпуса электронного оборудования (EEE) и хижины, а также в неконтролируемых сооружениях, таких как шкафы. По сравнению с VRLA в телекоммуникациях использование оборудования для измерения омического типа VRLA (OMTE) и измерительного оборудования, подобного OMTE, является довольно новым процессом для оценки установок телекоммуникационных батарей. [21] Правильное использование омического испытательного оборудования позволяет проводить тестирование батарей без необходимости вывода батарей из эксплуатации для проведения дорогостоящих и длительных испытаний на разрядку.
Гелевые и AGM-аккумуляторы VRLA обладают рядом преимуществ по сравнению с затопленными свинцово-кислотными и обычными свинцово-кислотными аккумуляторами VRLA . Аккумулятор можно устанавливать в любом положении, поскольку клапаны срабатывают только при избыточном давлении. Поскольку система аккумуляторов спроектирована как рекомбинантная и исключает выбросы газов при перезарядке, требования к вентиляции помещения снижены, а при нормальной работе не выделяется кислотный пар. Выбросы газов затопленных элементов незначительны во всех, кроме самых маленьких замкнутых пространств, и представляют очень небольшую угрозу для бытового пользователя, поэтому аккумулятор с жидкими элементами, рассчитанный на длительный срок службы, обеспечивает более низкие затраты на кВт·ч. В гелевом аккумуляторе объем свободного электролита, который может высвободиться при повреждении корпуса или вентиляции, очень мал. Нет необходимости (или возможности) проверять уровень электролита или доливать воду, потерянную из-за электролиза, что снижает требования к осмотру и обслуживанию. [22] Аккумуляторы с жидкими элементами можно обслуживать с помощью системы самополива или путем долива каждые три месяца. Необходимость добавления дистиллированной воды обычно вызвана перезарядкой. Хорошо отрегулированная система не должна требовать доливки чаще, чем каждые три месяца.
Основным недостатком всех свинцово-кислотных аккумуляторов является необходимость относительно длительного цикла перезарядки , что обусловлено трехэтапным процессом зарядки: зарядка насыпью, зарядка абсорбцией и (поддержание) плавающей зарядкой. Все свинцово-кислотные аккумуляторы, независимо от типа, быстро заряжаются насыпью примерно до 70% емкости, в течение которой аккумулятор принимает большой входной ток, определяемый при заданном напряжении, в течение нескольких часов (с источником заряда, способным обеспечить расчетный ток стадии насыпи C-rate для данного аккумулятора Ач).
Однако затем им требуется больше времени, проведенного в промежуточной стадии абсорбционного заряда с уменьшающимся током после первоначальной объемной зарядки, когда скорость приема заряда батареи LA постепенно снижается, и батарея не принимает более высокую скорость C. Когда достигается заданное значение напряжения стадии абсорбции (и ток заряда уменьшается), зарядное устройство переключается на заданное значение напряжения плавающего заряда при очень низкой скорости C, чтобы поддерживать полностью заряженное состояние батареи неопределенно долго (стадия плавающего заряда компенсирует нормальный саморазряд батареи с течением времени).
Если зарядное устройство не обеспечивает достаточную продолжительность зарядки на стадии абсорбции и C-скорость (оно «плато» или простои — распространенная ошибка дешевых солнечных зарядных устройств), а также подходящий профиль плавающего заряда, емкость и срок службы аккумулятора резко сократятся.
Чтобы обеспечить максимальный срок службы, свинцово-кислотный аккумулятор следует полностью заряжать как можно скорее после цикла разрядки, чтобы предотвратить сульфатацию , и поддерживать его на уровне полного заряда с помощью источника постоянного тока во время хранения или простоя (или хранить в сухом состоянии новым с завода, что в настоящее время встречается редко).
При работе в цикле разряда глубина разряда батареи LA должна составлять менее 50%, в идеале — не более 20–40%; настоящая [23] батарея LA глубокого цикла может работать при более низкой глубине разряда (даже иногда до 80%), но такие большие циклы разряда всегда влекут за собой снижение долговечности.
Циклы жизни свинцово-кислотных аккумуляторов будут варьироваться в зависимости от ухода, при лучшем уходе они могут достигать 500–1000 циклов. При менее бережном использовании можно ожидать, что срок службы составит всего 100 циклов (все зависит также от среды использования).
Из-за кальция, добавленного к пластинам для снижения потери воды, герметичная AGM или гелевая батарея перезаряжается быстрее, чем залитая свинцово-кислотная батарея VRLA или обычной конструкции. [24] [25] По сравнению с залитыми батареями, батареи VRLA более уязвимы к тепловому разгону во время неправильной зарядки. Электролит нельзя проверить ареометром для диагностики неправильной зарядки, которая может сократить срок службы батареи. [25]
Автомобильные аккумуляторы AGM обычно примерно в два раза дороже аккумуляторов с жидкими элементами в данной размерной группе BCI; гелевые аккумуляторы дороже почти в пять раз.
Аккумуляторы AGM и гелевые VRLA: