В настоящее время широкое применение получили различные типы накопителей энергии. Они используются в качестве стартера для привода генераторов, буферов при сбросе-набросе нагрузки, дополнительных источников тока при обеспечении энергией особой группы 1-й категории электроприемников в случае провала напряжения.

Аккумуляторная батарея включает в себя несколько элементов, электрическая энергия в которых возникает в результате протекания химической реакции. Существуют несколько вариантов соединения элементов: последовательное, параллельное и смешанное. Каждый из них применяется на практике в зависимости от требований потребителя – необходимого значения емкости или величины выдаваемого на зажимах напряжения [1, Вайнел, с. 12].

При использовании аккумуляторной батареи в качестве источника тока при запуске генератора от преобразователя частоты расчет емкости накопителя, обеспечивающего нужное время резервирования, можно осуществлять по формуле:

(1)

где P_нагр – средняя мощность нагрузки, Вт; =0.8-0.85 – к.п.д. преобразования постоянного тока в переменный с помощью инвертора ; U_аб – напряжение АБ; C_ак – необходимая емкость, Ач; t_Р – необходимое время работы (разряда), ч; K_Р – рекомендуемый коэффициент глубины разряда аккумулятора – 0,5 – 0,7 (50-70%); K_g – коэффициент доступной емкости: при получасовом режиме разряда – 0,4 (40%); при одночасовом режиме разряда – 0,5 (50%); при двухчасовом режиме разряда – 0,65 (65%;) при десятичасовом режиме разряда – 1,0 (100%) [2, Курзуков , с.18].
Для выбора необходимого типа аккумуляторной батареи проведен сравнительный анализ наиболее распространенных типов химических источников тока [3, Багоцкий, с. 54], результаты которого представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики перезаряжаемых химических источников тока

Из приведенных данных видно, что наилучшими удельными характеристиками обладают литий-ионные аккумуляторные батареи, способные работать с высокой величиной напряжения единичного элемента равной 3,6 В, что позволяет значительно снизить массогабаритные показатели систем. К недостаткам следует отнести высокую стоимость и низкую надежность, так как для работы необходимы специальные схемы и управляющие ключи, ограничивающие номинальное напряжение на каждом элементе в течение заряда, а также датчики температуры и тепловые предохранители, препятствующие перегреву батареи.

Никель-металлогидные источники тока позволяют обеспечить 90% от номинальной емкости при небольших токах нагрузки, однако обладают самой большой величиной саморазряда в течение месяца, что вызывает дополнительные трудности в процессе эксплуатации и уменьшают срок работоспособности.

Никель-кадмиевые батареи способны к быстрому заряду в течение 15 мин, обеспечивают нагрузку большим током даже при – 20°С (60% от номинальной емкости), имеют самый широкий температурный диапазон работы, но обладают «эффектом памяти» – при зарядке аккумуляторной батареи не достигшей полного разряда снижается емкость, в последствии этого химический источник тока перестает держать заряд [4, Коровин Н. 46].

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (СКБ) обладают самыми низкими энергетическими характеристиками по сравнению с другими источниками тока, однако являются наиболее безопасными и экономичными для работы в качестве стационарного источника питания, кроме того, обеспечивают высокую надежность работы при значительных перепадах температур. Необходимо учесть, что саморазряд СКБ в 6 раз меньше по сравнению с никель-кадмиевыми батареями и в 10 раз ниже относительно никель-металлогидридных аккумуляторов, следовательно, 40% саморазряд от запасенной энергии у СКБ произойдет приблизительно за год, у никель-кадмиевой батареи через три месяца, никель-металлогидридного аккумулятора – через месяц [5, Коровин, с.42; 6, Андреев, с.54.].

Заряд СКБ, должен осуществляться в режиме, при котором ток должен сильно уменьшаться к концу процесса. Используется несколько стратегий заряда, которые требуют оборудования разной сложности и стоимости. Например, он может осуществляться при постоянном токе 0,1 С на первом этапе и при постоянном напряжении источника тока на втором (рис. 1). Большинство производителей рекомендуют проводить заряд циклируемых батарей при постоянном напряжении 2,4-2,45 В на аккумулятор. Ускорение данного процесса достигается при увеличении тока на первой стадии заряда, но в соответствии с рекомендациями производителей не более чем до 0,3 С. В отличие от щелочных источников тока, производители не рекомендуют производить гальваностатический заряд (при постоянном токе), свинцово-кислотных батарей.

Рисунок 1 – Плавающий режим подзаряда аккумуляторов в источнике бесперебойного питания.

На срок службы аккумуляторов наибольшее влияние оказывают: режим эксплуатации: режим и глубина разряда, продолжительность паузы между зарядом и разрядом; рабочая температура, периоды эксплуатации и хранения.

Рассмотрим особенности работы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. На рисунке 2 показано изменение срока службы в зависимости от глубины разряда. На рисунке 3 приведена зависимость срока эксплуатации источника тока от режима его заряда.

Рисунок 2 – Зависимость срока службы герметизированных свинцово-кислотных АБ от глубины разряда (при 20-25 °С).

Рисунок 3 – Влияние режима заряда на срок службы герметизированных свинцово-кислотных АБ при эксплуатации в буферном режиме.

Из рисунка 3 видно, что при многократных переразрядах снижается разрядная емкость и уменьшается срок службы. Такие же изменения могут происходить и при длительном хранении батарей в разряженном состоянии.

На рисунке 4 показано изменение величины наработки в циклах никель-кадмиевых батарей SAFT стандартной серии в зависимости от глубины разряда аккумуляторов.

Ni-Cd аккумуляторы обладают достаточно хорошей устойчивостью к случайным переразрядам.

Рисунок 4 – Наработка герметичного Ni-Cd аккумулятора SAFT стандартной серии при различной глубине разряда током 0,2 С.

Анализ характеристик свинцово-кислотных и Ni-Cd АБ, приведенных на рисунках 2 и 4 соответственно, показывает способность последних выдерживать большее количество циклов зарядки-разрядки.

На основании выполненного анализа АБ различных типов для обеспечения запуска и работы генератора рекомендуется использовать свинцово-кислотный источник тока, способный выдерживать большие импульсы тока нагрузки, допускающий работу на плавающем заряде в течение длительного времени.

Однако, длительное хранение аккумуляторной батареи без обеспечения периодического заряда вызывает саморязряд источника тока, который значительно усиливается при увеличении температуры (рис.5).

Рисунок 5 – Саморазряд аккумуляторной батареи Casil [7]

Длительное хранение разряженного аккумулятора приводит к растворению сульфата свинца в электролите до полного насыщения, а затем его выпадению крупными кристаллами на поверхность анода и катода, образуя слой, изолирующий пластины от электролита. Поскольку сульфат свинца является диэлектриком, то остаточная емкость батареи значительно снижается. Следовательно, обязательным условием при использовании аккумуляторной батареи является недопущение сульфатации.

1. Вайнел Дж. Аккумуляторные батареи, пер. с англ., 4-е изд., М. –Л.: Госэнергоиздат, 1960. 480 с.
2. Курзуков Н.И. Аккумуляторные батареи: Краткий справочник/ Н.И. Курзуков, В.М. Ягнятинсий – М.: За рулем, 2006. 88с.
3. Багоцкий В.С. Химические источники тока / В.С. Багоцкий, А.М. Скундин А.М. – М.: Энергоатомиздат, 1981. 360с.
4. Коровин Н. Никель-металлогидридные аккумуляторы. // Электронные компоненты. – 2002. №4. C. 45-49
5. Коровин Н. Свинцовые герметизированные аккумуляторы. // Электронные компоненты. 2003. №2. C. 40-43;
6. Андреев И.Н. Электрохимические устройства – ХИТ. – Казань: Изд-во КГТУ, 1999. 84с.
7. Инструкция по эксплуатации герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов с регулирующими клапанами casil
   URL: http://lit.govuadocs.com.ua/docs/8868/index-6694.html (дата обращения: 28.05.2014)

Все статьи автора «Турышева Анна Вахтанговна»