Эксплуатация гелевых аккумуляторов. Простой источник бесперебойного питания с буферным режимом зарядки аккумулятора

Буферный режим работы аккумуляторных батарей является самым «любимым» - батарея находится на постоянной подзарядке и очень редко получает глубокий разряд. В таком режиме аккумулятор прослужит вам максимально долго.

Примером использования аккумулятора в буферном режиме может быть источник бесперебойного питания: когда присутствует сеть, аккумулятор постоянно держит заряд, а в момент, когда сеть пропадает, аккумулятор начинает отдавать накопленную энергию. В компьютерных источниках бесперебойного питания обычно используют аккумуляторы 12 В ёмкостью от 7 до 26 А-ч, это даёт возможность компьютеру проработать от аккумулятора дополнительных 10-15 минут при отключении электричества.

Сфера применения при буферном режиме:

• накопители солнечной энергии
• источники бесперебойного питания (ИБП)
• системы аварийного освещения
• лифты
• пожарные и охранные системы
• контрольно-кассовые аппараты
• аварийные системы

Циклический режим

Циклический режим работы является самым «жёстким» для аккумуляторной батареи. В таком режиме её полностью разряжают, потом ставят на зарядку и снова полностью разряжают. Срок службы в таком случае будет зависеть от глубины разряда аккумулятора.

Большинство свинцово-кислотных аккумуляторов AGM-типа имеют циклический ресурс не более 300 циклов 100% разряда, но уже существуют аккумуляторы нового поколения, циклический ресурс которых составляет 600 циклов 100% разряда.

Сфера применения при циклическом режиме:

• поломоечные машины
• лодочные моторы
• электромобили
• погрузочная техника и т.д.

Все мы привыкли в благам цивилизации, и когда что то из удобств исчезает, человек ощущает сильный дискомфорт. У большинства иногда пропадает электроэнергия, так как состояние электросети в большинстве городов очень старые и аварии происходят довольно часто. После того как я в очередной раз 4 часа просидел в темноте, я решил что нужно что то делать... И решение пришло довольно быстро. Аккумулятор 12V 7Ah, такие используются в компьютерных бесперебойниках, небольшая схема, которая будет поддерживать данный аккумулятор, всегда в заряженном состоянии, кусок светодиодной ленты, и Разъем для подключения роутера (без интернета скучно), ноутбук и планшет слава богу имеет свой аккумулятор... И все, нам теперь есть чем заняться и без центральной поставки электроэнергии....
Схема зарядки держит аккумулятор в буферном режиме, то есть на аккумулятор всегда поступает напряжение определенного уровня, что поддерживает его в заряженном состоянии. Производители пишут на корпусе какое именно напряжение необходимо для вашей батареи. Обычно оно лежит в пределах 13,5 - 13,8 вольта. Под таким напряжением аккумулятор может быть подключен к сети постоянно.

Схема зарядного устройства состоит с сетевого трансформатора, стабилизатора напряжения на микросхеме LM317, и аккумуляторной батареи. Все монтируется на небольшой печатной плате, микросхему lm317 необходимо установит на радиатор.

Настройка заключается в установке напряжения на выходе зарядного устройства 13,5 - 13,8 вольта. Для питания роутера я дополнительно ставил кренку на 9 вольт. При емкости аккумулятора 7Ah. метр светодиодной белой ленты и роутер работал более 4 часов, больше не проверялось, свет обычно включают...
Скачать схему, файл печатной платы, аварийного источника бесперебойного питания

П ри циклическом режиме работы батарею заряжают, а затем отключают от зарядного устройства. Разряд батареи производится по мере необходимости.

В большинстве UPS (не только в on-line UPS) аккумулятор работает в буферном режиме. Однако в некоторых UPS зарядное устройство отключают после полной - аккумулятор UPS в этом случае ближе к к циклическому режиму работы. Производители декларируют увеличение срока службы аккумуляторов в таких UPS. Буферный режим работы характерен также для систем бесперебойного питания постоянного тока, которые широко применяются для коммуникаций (связи), систем сигнализации, электростанций и других непрерывных производств.

Ц иклический режим работы аккумуляторных батарей используется при работе различных переносных или перевозимых устройств: электрических фонарей, средств коммуникаций, измерительных приборов.

П роизводители аккумуляторов иногда указывают в перечне технических характеристик, для какого режима работы предназначен тот или иной аккумулятор. Но в последнее время, большинство могут применяться и в буферном и в циклическом режимах.

Аккумуляторы для всех

С амые распространенные - это 5-летние аккумуляторы общего применения. Они могут использоваться для буферного и циклического режима работы, имеют расчетный ресурс 5 лет. Они могут применяться как аккумуляторы для UPS или других систем резервного питания. Другое их применение - для моделей, переносных приборов, игрушек, вроде детского мотороллера. У фирмы CSB они имеют марку GP (от англ. general purpose - общего назначения). Аккумуляторы GP неприхотливы, практически герметичны (допускается использование в любом положении, кроме клеммами вниз). Как аккумуляторы для UPS, они могут работать от 2 до 7 лет, в зависимости от условий эксплуатации (прежде всего, температуры).

HR аккумуляторы для UPS

Н екоторые аккумуляторы специально позиционируются производителем, как аккумуляторы для UPS. При той же массе (а иногда и тех же размерах) эти аккумуляторы во время коротких (10-30 минут) разрядов отдают большую , чем обычные аккумуляторы. Прирост времени работы UPS может быть больше 50% (при временах разряда около 10 минут). При длительных разрядах эти "аккумуляторы для UPS" не имеют преимуществ по сравнению с обычными.

У фирмы CSB и некоторых других производителей такие аккумуляторы имеют обозначение HR (от английского high rate - высокий темп, большая мощность). Эти аккумуляторы можно, конечно, использовать не только, как аккумуляторы для UPS. Их выгодно применять во всех случаях, когда требуется компактная система питания с небольшими временами работы от батареи.

L аккумуляторы. Для UPS и не только.

Н аиболее распространены аккумуляторы со сроком службы в буферном режиме 5 лет. Но выпускаются также аккумуляторы со сроком службы увеличенным до 10 лет. Они часто имеют те же размеры и вес, что и 5-летние батареи, но заметно дороже. В их названии часто есть буква L (от англ. Long - продолжительный). В частности у фирмы CSB есть серия 10-летних аккумуляторов GPL. Батареи UPS, составленные из таких аккумуляторов, действительно работают заметно дольше - их замедлено. Но, как любые аккумуляторы для UPS (или других систем питания) GPL любят правильную , не любят повышенные температуры и частые разряды.

Перед установкой аккумулятора в UPS.

П риобретая аккумулятор, убедитесь, что на его верхней поверхности . имеется такая наклейка. Она является свидетельством предпродажной проверки аккумулятора . Наклейка является гарантией того, что в момент продажи аккумулятор полностью исправен и при правильной эксплуатации прослужит многие годы.

Свинцово-кислотные аккумуляторы изготовлены по технологии с внутренней рекомбинацией воды, поэтому не требуют обслуживания в течение всего срока службы. В качестве электролита используется загущенная серная кислота в виде геля, что обеспечивает устойчивость аккумуляторов к глубоким разрядам и высокую температурную стабильность.

Расчетный срок службы составляет 12 лет.

Гелевые аккумуляторы предназначены для работы, как в буферном, так и в циклическом режимах.

Конструкция:

• Полностью герметичная конструкция, утечка электролита невозможна.
• Система внутренней рекомбинации газа, нет необходимости в доливе воды.
• Моноблоки снабжены регулирующими клапанами для обеспечения выпуска газа, при превышении внутреннего давления выше допустимого уровня.
• Нет ограничений на перевозку воздушным, железнодорожным или автотранспортом.

Конструкция гелевого аккумулятора

Химическая реакция и механизм рекомбинации:

Химическая реакция, протекающая в аккумуляторе при заряде/разряде, описывается формулой:

PbO 2 + 2H 2 SO 4 + Pb Разряд/Заряд PbSO 4 + 2H 2 O

При заряде кислород, проходя через сепаратор от положительной пластины, вступает в реакцию с активным веществом отрицательной пластины с образованием оксида свинца:

2Pb + O 2 -> 2PbO

Оксид свинца, в свою очередь, вступает в реакцию с серной кислотой:

2Pb + 2H 2 SO 4 -> 2PbSO 4 + 2H 2 O

Сформировавшийся на отрицательной пластине сульфат свинца восстанавливается кислородом до свинца с образованием серной кислоты:

2PbSO 4 + 2H 2 -> 2Pb + 2H 2 SO 4

Если упростить описанные выше уравнения, то получается следующее:

2H 2 + O 2 -> 2H 2 O

Разрядные характеристики

На рисунке ниже приведены кривые разряда гелевых аккумуляторов постоянным током до определенного конечного напряжения. Разряд до напряжения ниже указанного снижает емкость и срок службы свинцово-кислотных батарей.

Разрядные кривые постоянным током при 25°С

Заряд

Правильный заряд является одним из важнейших условий успешной работы свинцово-кислотных батарей с автоматическим регулированием внутреннего давления. Правильный выбор зарядного устройства влияет самым непосредственным образом на производительность и срок службы батарей.

Заряд постоянным напряжением

Заряд постоянным напряжением – наиболее часто применяемый метод. На рисунке ниже показаны зарядные характеристики гелевого аккумулятора при заряде их постоянным напряжением 2,40 В/ячейку при начальных значениях тока 0,3 СА.

График заряда постоянным напряжением при 25°С

• Для гелевых аккумуляторов диапазон зарядного напряжения буферного режима установлен в диапазоне 2,23–2,28 В/эл-т (при 25°С).
• Для циклического режима диапазон зарядного напряжения установлен в диапазоне 2,38–2,42 В/эл-т (при 25°С).
• Аккумуляторы гелевые не требуют уравнительного заряда. Буферного напряжения достаточно, чтобы поддержи-вать моноблоки в полностью заряженном состоянии.

Гелевые аккумуляторные батареи можно купить в интернет-магазине Реалсолар:

Двухстадийный заряд при постоянном напряжении

Этот метод является одним из наиболее эффективных и рекомендуется для быстрого заряда свинцово-кислотных батарей с автоматическим регулированием внутреннего давления и поддержания их в полностью заряженном состоянии (буферный режим). Характеристики зарядного устройства для двухстадийного заряда постоянным напряжением приведены на рисунке ниже:

Зарядные характеристики двухстадийного зарядного устройства

На стадии «А» ток ограничен величиной 0,3 СА, а напряжение на клеммах батареи растет. На стадии «В» зарядный ток начинает падать, а напряжение стабилизируется на уровне 2,40 В/эл-т. На этой стадии уровень заряда аккумулятора достигает 80%. При достижении зарядным током уровня «точки переключения Y» зарядная цепь переключается на стадию «С», где зарядное напряжение падает с 2,40 до 2,25 В/эл-т, а ток плавно снижается практически до нуля. Зарядное устройство переходит в буферный режим.

Напряжение заряда зависит от температуры окружающей среды и должно регулироваться в соответствии с графиком показанном на рисунке ниже:

Зависимость зарядного напряжения от температуры окружающей среды

Напряжение заряда (на элемент) в буферном режиме вычисляется по формуле:
U заряда = 2,25 + (25 – (t + grad t +1)) · 0,0033
Напряжение заряда (на элемент) в циклическом режиме вычисляется по формуле:
U заряда = 2,40 + (25 – (t + grad t +1)) · 0,005

где t – температура окружающей среды, °С
grad t – температурный градиент аккумуляторного шкафа, °С. При установке на открытые стеллажи grad t = 0.

Хранение и срок службы

Гелевые аккумуляторы могут храниться без подзаряда в течение 1 года в сухом помещении при температуре окружающей среды от –35° до +60°С.

Гелевые аккумуляторы рассчитаны на работу в буферном режиме работы в течение пяти лет (при 25°С). На рисунке ниже показана зависимость доступной емкости гелевого аккумулятора от времени. Газы, генерируемые внутри аккумулятора, непрерывно рекомбинируют и возвращаются в водную составляющую электролита. Потеря емкости и конец службы аккумуляторов наступают в результате постепенной коррозии электродов.

Срок службы в буферном режиме работы

Срок службы аккумуляторов в циклическом режиме работы зависит от целого ряда факторов.

Наиболее существенными из них являются рабочая температура окружающей среды, скорость разряда, глубина разряда и способ заряда. На рисунке ниже показано влияние глубины разряда на количество циклов работы гелевых аккумуляторов при циклическом режиме.

Срок службы в циклическом режиме работы

По мере повышения температуры электрохимическая активность аккумулятора возрастает, а при понижении – падает. Поэтому при увеличении температуры окружающей среды емкость аккумулятора увеличивается, а при понижении температуры – уменьшается. Рисунок ниже демонстрирует влияние температуры на доступную емкость гелевых аккумуляторов.

Зависимость емкости от температуры окружающей среды при различных токах разряда

Температура окружающей среды является важным фактором, влияющим на срок службы аккумуляторов. При повышении температуры увеличивается скорость коррозии пластин, вследствие чего уменьшается срок службы. На рисунке ниже показана зависимость срока службы гелевых аккумуляторов от температуры окружающей среды.

Зависимость срока службы в буферном режиме от температуры окружающей среды

Свинцово-кислотные аккумуляторы обладают саморазрядом, вследствие чего при хранении их доступная емкость со временем уменьшается.

Этот процесс описан графиком на рисунке:

Зависимость емкости от времени хранения

Если аккумуляторы хранились в течение длительного периода времени, необходимо перед пуском в эксплуатацию провести их подзарядку.
При сроке хранения до 6 месяцев подзарядка должна осуществляться в течение 4-6 часов постоянным током 0,1 СА, либо 15-20 часов постоянным напряжением 2,40 В/эл-т.
При сроке хранения свыше 6 месяцев подзарядка должна осуществляться в течение 8-10 часов постоянным током 0,1 СА, либо 20-24 часов постоянным напряжением 2,40 В/эл-т.

• Аккумуляторы предназначены для установки на изолированных стеллажах или в специальных батарейных шкафах в вертикальном положении. Допускается установка аккумуляторов в горизонтальном положении при вертикальном расположении пластин. Помещения не требуют принудительной вентиляции.
• Если отнивелированность элементов не обеспечивается непосредственно самим способом установки, то необходимо с помощью чалика (нивелировочного шнура) отнивелировать элементы. Расстояние между соседними боковыми стенками двух моноблоков (монтажная длина) задается длиной перемычек. При относительно длинных рядах монтируемых моноблоков рекомендуется начинать нивелировку монтажной длины с середины монтируемого ряда моноблоков, для того чтобы можно было в оба конца сглаживать набегающие допуски. Рекомендуемая минимальная величина воздушного зазора между аккумуляторами составляет от 5 до 10 мм.
• Взаимоподключение единичных аккумуляторов осуществляется с помощью жестких изолированных перемычек, которые привинчиваются к полюсам или гибких кабельных перемычек. Перемычки привинчиваются с помощью динамометрического ключа. Осуществлять следующий крутящий момент 20 Нм ± 1 Нм.
• Если используются две или более групп батарей, соединенных параллельно, то провода, кабели и шины, посредством которых эти батареи подключаются на нагрузку, должны быть одинаковой длины и обладать одним и тем же сопротивлением.

Последовательность монтажа аккумуляторов в батарею:

• Соедините положительную клемму первого аккумулятора с отрицательной клеммой второго аккумулятора. Таким образом, соедините все аккумуляторы в группе (под группой понимается набор аккумуляторов на одном ярусе или в одном ряду стеллажа).
• Соедините аналогично п.1 аккумуляторы в остальных группах (если таковые имеются).
• Подключите «земляной» вывод зарядного устройства или нагрузки к отрицательной клемме (если «земля» – отрицательная) последнего аккумулятора или последней группы.
• Если имеются группы, соедините их между собой, начиная с последней (подключенной к «земляному» выводу).
• В заключение, подключите положительную клемму первого аккумулятора или первой группы к положительному выводу зарядного устройства или нагрузки.
• После окончания монтажных работ аккумуляторы необходимо пронумеровать, а наружные поверхности клемм, перемычек и узлов соединения смазать тонким слоем технического вазелина или синтетического солидола.

Свинцово-кислотные гелевые аккумуляторы предназначены для эксплуатации в закрытых помещениях с естественной вентиляцией, в том числе в помещении с технологическим оборудованием и обслуживающим персоналом, при температуре от -20°С до +60°С. Диапазон температуры хранения аккумуляторов от –35°С до +60°С.

• Аккумуляторы поставляются предприятием-изготовителем в заряженном состоянии, заполненные электролитом и готовыми к эксплуатации.
• Не рекомендуется установка аккумуляторов вблизи источников тепла. Поскольку аккумуляторы могут генерировать воспламеняющиеся газы, запрещается их установка вблизи оборудования, которое может давать электрический разряд в виде искр.
• Запрещается установка и эксплуатация аккумуляторов в атмосфере, содержащей пары органических растворителей или адгезивов или контакт с ними.
• Чтобы максимально повысить срок службы аккумуляторов, среднее значение тока пульсаций любого происхождения, протекающего через аккумулятор, не должно превышать 0,1 СА, а стабилизация зарядного напряжения должна быть в пределах 1%.
• Очистку корпуса аккумуляторов всегда рекомендуется производить с помощью кусочка ткани, смоченного водой. Никогда не используйте для этих целей масла, органические растворители, такие как бензин, разбавители для краски и др.
• Запрещается разбирать аккумулятор. В случае попадания электролита в глаза или на кожу, необходимо сразу промыть пораженный участок сильной струей чистой проточной воды и немедленно обратиться к врачу.
• Прикосновение к токопроводящим частям аккумулятора может повлечь за собой электрический удар. Работу по проверке или обслуживанию аккумуляторов необходимо проводить в резиновых перчатках.
• Использование разнородных аккумуляторов (различных емкостей, с различной историей применения, различной давностью изготовления и происходящих от разных изготовителей), может нанести ущерб, как самой батарее, так и связанному с ней оборудованию.

Буферный режим заряда аккумуляторов, является основным в системах альтернативной энергетики. От правильной настройки и режима использования оборудования зарядной системы зависит производительность всей системы, надёжность и срок службы оборудования.

При использовании в системах альтернативного энергоснабжения в качестве накопителей электрической энергии аккумуляторов, имеются определённые сложности. Это связано с тем, что поступление электрической энергии от ветряков солнечных батарей неравномерно. Поэтому не всегда удаётся обеспечить необходимый ток заряда для аккумуляторов, чтобы через определённое заданное время отключить зарядку. Для таких систем используют буферный режим заряда аккумуляторов, когда к аккумуляторам постоянно подключено зарядное устройство, а также в любое время могут быть подключены один или несколько потребителей электрической энергии. Буферный режим заряда обычно применяют для аварийного включения резервного питания и для сглаживания пиковых нагрузок при маломощном источнике питания. В альтернативной энергетике буферный режим заряда аккумуляторов выполняет несколько иные функции, обеспечение энергоснабжения системы при прерывистом поступлении энергии для заряда аккумуляторов и обеспечение необходимого количества энергии при неравномерном потреблении энергии потребителями.

Разберём подробнее приведённую схему и работу буферного режима зарядки, его достоинства и недостатки. Важной особенностью этого режима является то, что выходное напряжение зарядного устройства задаётся примерно на 0,05В – 0,1В больше максимального напряжения для заряженного аккумулятора, а значение этого напряжения будет зависеть от конкретного типа аккумулятора. Даже кислотные аккумуляторы разных типов могут иметь различное конечное напряжение заряда, причём оптимальное напряжение несколько меняется при изменении температуры аккумулятора. При отключенной нагрузке R н, зарядка будет происходить следующим образом: ЭДС зарядного устройства Е з превышает ЭДС аккумулятора Е а и направлена встречно напряжению аккумулятора. Сумма падений напряжения в контуре заряда, равна алгебраической сумме ЭДС этого контура. Следовательно, ток заряда будет зависеть от разности ЭДС зарядного устройства и от общего сопротивления цепи, состоящей из внутреннего сопротивления зарядного устройства и аккумулятора.

Внутреннее сопротивление зарядного устройства R з и аккумулятора R а будем считать практически постоянным. Следовательно, величина тока зарядки будет зависеть от разности ЭДС. Внутренние сопротивления небольшие по величине, поэтому если аккумулятор разряжен, ток заряда может стать больше допустимого, для конкретного аккумулятора или зарядного устройства. Поэтому зарядные устройства выполняют по схеме с ограничением максимального тока и применяют для аккумуляторов определённого типа и ёмкости. По мере заряда аккумулятора разница ЭДС, а значит, и ток заряда будут уменьшаться. Поэтому процесс заряда аккумулятора будет замедляться независимо от того, какую мощность в это время способен выдавать источник альтернативной энергии и может продолжаться до нескольких суток.

Если установленное напряжение на зарядном устройстве завышено, то после окончания химического процесса заряда, электрическая энергия будет идти на нагрев аккумулятора и на разложение воды на водород и кислород. У обслуживаемых аккумуляторов это приведёт к быстрому уменьшению уровня электролита. Большинство необслуживаемых аккумуляторов изготавливаются с возможностью рекуперации водорода и кислорода в воду, но возможности этой системы ограничены. Если необслуживаемый аккумулятор периодически сбрасывает через клапан повышенное давление газа, то это приводит к высыханию электролита, быстрому старению и выходу аккумуляторов из строя.

Альтернативные источники энергии не всегда могут вырабатывать энергию достаточную для заряда аккумулятора. Если генератор ветряка выдаёт напряжение меньше, чем напряжение аккумуляторов, то заряд не происходит. Схема зарядного устройства должна защищать аккумулятор от разряда через зарядное устройство и генератор.

Рассмотрим режим разряда аккумулятора при отсутствии зарядного тока:

В этом режиме, согласно рисунку, выключатель SA1разомкнут, а выключатель SA2 замкнут. Ток разряда будет зависеть от ЭДС аккумулятора и суммы внутреннего и внешнего сопротивления и определяется по формуле:

Напряжение на выводах аккумулятора 1 и 2 будет равно ЭДС аккумулятора минус падение напряжения на внутреннем сопротивлении:

U = E a – R a I н

Ток через нагрузку и внутреннее сопротивление одинаковый. Внутреннее сопротивление аккумулятора небольшое и ток в основном зависит от величины сопротивления нагрузки. Чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше потребляемый ток и больше величина падения на внутреннем сопротивлении и меньше напряжение на выводах аккумулятора 1 и 2.

Теперь рассмотрим режим одновременной работы зарядного устройства и нагрузки аккумулятора, когда замкнуты контакты SA1и SA2.

Если во время заряда аккумулятора, подключили нагрузку, которая потребляет небольшой по сравнению с зарядным ток, то на зарядку аккумулятора будет идти уже меньшая часть тока. При постепенном уменьшении сопротивления нагрузки и увеличении потребляемого тока, зарядный ток аккумулятора будет уменьшаться и при некотором значении прекратится. Потребляемый от зарядного устройства ток увеличится, что приведёт к некоторому падению напряжения до величины ЭДС аккумулятора. Если поступающий от зарядного устройства ток меньше или равен току, потребляемому нагрузкой, то в таком режиме потреблять энергию можно очень долго. Дальнейшее увеличение потребляемого тока приведёт к тому, что падение напряжения ещё больше увеличится и аккумулятор начнёт отдавать запасённую ранее энергию. Аккумулятор берёт на себя пиковую повышенную нагрузку. Длительная работа в таком режиме может привести к глубокому разряду аккумулятора, в результате снижается ЭДС аккумулятора. Слишком глубокий разряд аккумулятора значительно сокращает срок его службы, поэтому нагрузку лучше подключать через преобразователь или иное устройство, способное автоматически отключать нагрузку при снижении напряжения ниже допустимого уровня. Для кислотных аккумуляторов нежелательно, чтобы они долго находились в разряженном состоянии.

При использовании буферного режима заряда, необходимо следить за поступлением энергии от источника и желательно учитывать, что в то время, когда источник энергии способен выдавать большое количество энергии, но эта энергия не потребляется, то при заряженных аккумуляторах энергия не накапливается, а значит, безвозвратно теряется. При отсутствии поступления энергии от источника, например, ветряка, потребление энергии необходимо сократить или прекратить, чтобы не разрядить аккумуляторы больше допустимой нормы, а также иметь некоторый запас на случай длительных перерывов в поступлении энергии.