Аккумуляторы, представляющие собой приборы многократного действия, находят самое широкое применение в электроустановках предприятий телекоммуникаций, прежде всего для реализации систем бесперебойной подачи электрической энергии постоянного и переменного тока к аппаратуре. При этом они не только во многом определяют стоимость оборудования и надежность работы ЭПУ, но и, как правило, определяют уровень выходного напряжения ЭПУ постоянного тока во всех режимах ее функционирования.
В простейшем случае аккумулятор представляет собой два электрода различной природы, ионная проводимость между которыми обеспечивается электролитом. Обычно электроды представляют собой металлические каркасы, на которые наносятся активные вещества, непосредственно участвующие в электрохимической реакции. При подключении нагрузки между электродами (разряде аккумулятора) химическая энергия активных веществ, входящих в состав электродов преобразуются в электрическую энергию, а сами активные вещества при этом превращаются в продукты разряда. Для того чтобы электрохимическая реакция при разряде аккумулятора проходила успешно, активное вещество одного из электродов (отрицательного) выполняется из металлов, атомы которых легко отдают электроны со своей внешней орбиты (свинец РЬ, кадмий Cd, литий Li и др. ). Активное вещество другого электрода (положительного) должно обеспечивать свободное поглощение этих электронов. При заряде аккумулятора подводимая от внешнего источника электрическая энергия в основном расходуется на регенерацию продуктов разряда. В ЭПУ и устройствах электропитания телекоммуникационной аппаратуры наиболее часто применяются кислотные аккумуляторы, электролитом в которых является водный раствор серной кислоты (в жидком или связанном виде). В отдельных случаях находят применение щелочные никель-кадмиевые или никель-металлогидридные аккумуляторы. Кроме того, в последнее время все шире применяются литиевые аккумуляторы. Каждый из перечисленных типов аккумуляторов имеет свои достоинства и недостатки.
Любой аккумулятор характеризуется рядом электрических и эксплуатационных параметров. Основные параметры аккумуляторов:
• номинальная емкость (Сном) —количество электричества, которое может быть получено от предварительно заряженного на 100 % аккумулятора при номинальном значении разрядного тока, номинальной температуре окружающей среды и заданном конечном разрядном напряжении на зажимах аккумулятора Сном измеряется в ампер-часах (А-ч);
• номинальное напряжение (Uном), представляющее собой условную среднюю величину напряжения на зажимах аккумулятора при его разряде в номинальном режиме, оговоренном техническими условиями;
• номинальный ток разряда (Ip ном). Значение этого тока обычно указывается в долях от номинальной емкости;
• внутреннее сопротивление аккумулятора. Значение этого сопротивления указывается: в миллиомах;
• срок службы аккумулятора (при его эксплуатации в режиме непрерывного подзаряда) или допустимое число циклов заряд-разряд. При условии нормальной эксплуатации в конце срока службы (после гарантированного числа циклов заряд-разряд) аккумулятор должен отдавать не менее 80 % свой номинальной емкости.
Кроме перечисленных выше параметров при выборе аккумуляторов для конкретного применения в устройствах электропитания представляют интерес его массогабаритные, конструктивные и стоимостные параметры, возможность установки в аппаратных стойках и на стеллажах и т. д.
Свинцово-кислотные аккумуляторы
К достоинствам свинцово-кислотных (кислотных) по сравнению, например, со щелочными никель-кадмиевыми аккумуляторами следует отнести прежде всего минимальную цену, достаточно узкие пределы изменения напряжения и малое значение внутреннего сопротивления. Ниже приведена стоимость 1 Вт-час энергии, получаемой от некоторых типов щелочных аккумуляторов, относительно стоимости свинцово-кислотных аккумуляторов.
В настоящее время на стационарных предприятиях связи широко применяются аккумуляторные батареи, составленные либо из малообслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов, которые часто называют также классическими или кислотными аккумуляторами закрытого типа, либо из необслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов, которые часто называют герметизированными кислотными аккумуляторами. Необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы иногда в литературе ошибочно называют герметичными кислотными аккумуляторами.
В аккумуляторах закрытого типа электролит, представляющий собой водный раствор серный кислоты, находится в жидком состоянии, тогда как в герметизированных аккумуляторах электролит находится в так называемом связанном состоянии.
Устройство и принцип действия кислотных аккумуляторов. Простейший классический свинцо-кислотный аккумулятор представляет собой сосуд, выполненный из кислотоупорного материала и заполненный водным раствором серной кислоты (электролитом), в который помещены два электрода (две пластины). Каждый из электродов представляет собой металлическую решетку, на которую наносится активная масса, участвующая в электрохимических процессах происходящих в аккумуляторе при его заряде и разряде. Металлическая решетка имеет выводы, с помощью которых обеспечивается подключение к электродам источника энергии (при заряде аккумулятора) или нагрузки (при разряде аккумулятора). Активным материалом одного из электродов полностью заряженного аккумулятора является чистый свинец Рb (отрицательный электрод), тогда как активным материалом второго электрода является диоксид свинца РbО2.
В водном растворе часть молекул серной кислоты (H2SO4) распадается на положительные ионы водорода (протоны) Н+ и отрицательные ионы кислотного остатка SO4--:
Точно также часть молекул воды (Н2О) распадается на положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислорода О--:
Причем в целом раствор (электролит) остается электрически нейтральным.
Если в электролит погрузить электрод, активная масса которого представляет собой чистый свинец Рb, то часть атомов свинца, легко теряя по два электрона (2е-) со своей внешней орбиты, превращаются в положительные ионы свинца РЬ++, которые вступают в реакцию с отрицательными ионами кислотного остатка SO4--, образуя нейтральные молекулы сульфата свинца PbSО4, оседающие на поверхности пластины. При этом в электролите повышается концентрация положительных ионов водорода, что затрудняет дальнейшее образование положительных ионов свинца. Сам электрод, ввиду избытка электронов, заряжается отрицательно относительно электролита. Значение отрицательного потенциала этого электрода зависит от плотности электролита и его температуры.
Если теперь в электролит погрузить второй электрод, активная масса которого представляет собой двуокись (диоксид) свинца РbО2, то ввиду повышенной концентрации в электролите ионов водорода двуокись свинца будет частично распадаться на положительные четырехвалентные ионы свинца РЬ++++ и отрицательные ионы кислорода О--.
Четырехвалентные ионы свинца, присоединяя на свою внешнюю орбиту по два электрона пластины, переходят в двухвалентные ионы Рb++. Последние вступают в реакцию с кислотным остатком SО4-- образуя нейтральные молекулы PbSО4, оседающие на пластине. Сама пластина ввиду недостатка электронов заряжается положительно. ЭДС такого простейшего аккумулятора определяется как разность потенциалов между положительной и отрицательной пластинами (электродами). В результате сульфатации положительного и отрицательного электродов (оседания на поверхности пластин сульфата свинца PbSО4) плотность электролита уменьшается. Этому также способствует и образование молекул воды в результате реакции между положительными ионами водорода и отрицательными ионами кислорода:
Рассмотренный процесс по существу имеет место в сухозаряженном аккумуляторе после запивки в него электролита. Считается, что если через два часа после заливки электролитом плотность уменьшится не более чем на 0, 02 кг/л, а температура электролита повысится не более чем на 5 °С, то такой аккумулятор способен без заряда отдать не менее 80 % своей номинальной емкости.
Процесс заряда или дозаряда аккумулятора заключается в превращении молекул сульфата свинца на отрицательном электроде в чистый свинец и молекул сульфата свинца на положительном электроде в. двуокись свинца. Следовательно, при заряде аккумулятора энергия источника расходуется на восстановление активной массы электродов и повышение плотности электролита. При этом температура электролита повышается.
Общая электрохимичекая реакция при заряде имеет вид
При заряде свинцово-кислотного, как и любого другого аккумулятора с. водным раствором электролита, имеют место побочные процессы выделения газов. Выделение кислорода на положительном электроде связано с тем что уже при заряженности аккумулятора на 50...80 % отрицательные ионы кислорода начинают отдавать под действием источника энергии по два электрона, превращаясь при этом в атомы кислорода. Поэтому для получения полной разрядной емкости при заряде аккумулятору необходимо обеспечить перезаряд на 10...20 %. Выделение водорода на отрицательном электроде начинается практически уже после восстановления активной массы этого электрода. Перезаряд сопровождается значительным выделением водорода на отрицательном электроде и кислорода — на положительном. Для уменьшения вероятности выделения водорода: уменьшают содержание сурьмы в свинцово-сурьмяном сплаве металлической решетки отрицательного электрода, используют для решетки сплавы свинца с другими материалами, применяют металлические решетки из тянутой меди, а также увеличивают количество активной массы этого электрода по сравнению с количеством активной массы положительного электрода. В последнем случае при полном восстановлении активной массы положительного электрода часть активной массы отрицательного электрода остается не восстановленной, что и исключает выделение водорода.
Общая электрохимическая реакция при разряде имеет вид
Свинцово-кислотные аккумуляторы выпускаются либо в виде отдельных элементов с номинальным напряжением равным 2, 0 В, либо в виде моноблоков. В последнем случае один, общий корпус содержит несколько элементов (чаще всего 3 или 6 элементов), выводы которых соединяются между собой последовательно, так что напряжение на выходных зажимах моноблока равно сумме напряжений элементов, входящих в его состав. Обычно аккумуляторы выпускаются в виде моноблоков при относительно небольшом значении его номинальной емкости, не превышающей, как правило, нескольких сот ампер-часов. Герметизированные аккумуляторы в виде моноблоков находят широкое применение например в децентрализованных системах электропитания телекоммуникационного оборудования и источниках бесперебойного питания переменного тока (UPS в английской транскрипции).
Конструктивно любой кислотный аккумулятор (элемент) представляет собой сосуд (корпус), выполненный из кислотоупорного материала, в котором размещаются отрицательные пластины, сверху соединенные между собой с помощью так называемого мостика в единый пакет, что позволяет существенно увеличить объем активной массы отрицательного электрода. Между отрицательными пластинами помещаются положительные пластины, также объединенные в единый пакет. Положительные и отрицательные пластины этих пакетов изолируются друг от друга высокопористой сепарацией, обеспечивающей свободную циркуляцию положительных и отрицательных ионов и защищающей отрицательные и положительные пластины от короткого замыкания между собой. Сверху сосуд герметично закрывается крышкой, через которую выводятся полюсы (борны) от пакета положительных и отрицательных пластин. В классических аккумуляторах корпус обычно выполняется из прозрачного пластика — стироакрилнитрита (SAN), что позволяет контролировать уровень электролита, состояние пластин и внутренних частей выводов (борнов). Корпуса герметизированных аккумуляторов чаще всего выполняются либо из акрилбутадиенстирола (ABS) либо из полипропилена (РР). В классических кислотных аккумуляторах верхняя крышка снабжается резьбовым отверстием (отверстиями) для установки специальных вывинчивающихся пробок, обеспечивающих свободный выход газов (водорода и кислорода), образующихся в аккумуляторе при его эксплуатации. В этих аккумуляторах долив дистиллированной воды или электролита в процессе эксплуатации осуществляется через вывинчивающуюся пробку в верхней крышке сосуда. По причине достаточно большого газовыделения при заряде классические кислотные аккумуляторы размещаются в отдельных специальных помещениях (аккумуляторных) и заряд их возможен только при работающей приточно-вытяжной вентиляции.
В герметизированных аккумуляторах электролит находится в связанном состоянии. Для связывания электролита применяется либо технология GEL (dryfit), либо технология AGM (Absorbed in Glass Mat). При первой технологии в электролит вводятся специальные кремнийорганические добавки-загустители (примерно 6 % селикогеля SiO2). Перед заполнением аккумулятора эта желеобразная масса интенсивно перемешивается, в результате она становится текучей. После заполнения аккумулятора эта масса загущается, снова превращаясь в желе. При этом в желе образуется много пор (трещин) размером от 0, 1 до 1 мкм, которые позволяют газообразному кислороду свободно перемещаться от положительных пластин к отрицательным. В герметизированных аккумуляторах, выполненных по этой технологии, как и в классических аккумуляторах между положительными и отрицательными пластинами, устанавливается сепарация. При заряде такого аккумулятора молекулы кислорода, образующиеся у положительных пластин, перемещаются по этим порам (трещинам) к отрицательным пластинам. В результате химической реакции между кислородом О2 и пористым свинцом на поверхности отрицательной пластины образуется оксид свинца (РbО):
Серная кислота, находящаяся в составе электролита, реагирует с этим оксидом свинца, в результате чего образуется сульфат свинца (PbSO4) и вода:
Образовавшийся таким образом сульфат свинца при электрохимическом воздействии распадается и снова образуется свинец и серная кислота:
Объединяя записанные выше электрохимические реакции, для процессов, происходящих у отрицательных пластин при заряде герметизированных аккумуляторов, можно записать общее уравнение:
т. е. в герметизированных аккумуляторах имеет место так называемая рекомбинация кислорода по замкнутому циклу. В результате в условиях нормальной эксплуатации в аккумуляторах при заряде практически отсутствует потеря воды. В этих аккумуляторах в верхней крышке устанавливается специальный клапан (valve), позволяющий при избыточном давлении газов внутри аккумулятора обеспечить выброс газов в окружающее пространство. Из-за наличия такого клапана герметизированные аккумуляторы (батареи) в литературе иногда обозначаются как VRLA Batteries (Valve Regulated Lead Acid Batteries).
При второй технологии (технологии AGM) связывание электролита осуществляется путем абсорбирования его специально изготовленной микропористой сепарацией. Эта сепарация (специальное стекловолокно) пропитывается дозированным количеством электролита так, что образуется пористая система, мелкие поры которой заполнены электролитом, а более крупные остаются пустыми, обеспечивая свободное перемещение газа внутри объема аккумулятора. Как и при технологий GEL, эти аккумуляторы также снабжаются специальными клапанами, предотвращающими в условиях нормальной эксплуатации выделение газов и паров серной кислоты, что позволяет размещать такие аккумуляторы в помещениях генераторной, линейно-аппаратных цехов, в автозалах и т. д. Следует иметь в виду, что (в настоящее время) аккумуляторы закрытого типа предъявляют менее жесткие требования к условиям их эксплуатации, так как допускают более широкие пределы изменения напряжения и тока в режиме заряда и разряда по сравнению с герметизированными аккумуляторами.
В кислотных аккумуляторах любого типа отрицательные пластины выполняются, как правило, намазными (решетчатыми), представляющими собой свинцовую решетку, в ячейки которой помещается активная масса, представляющая собой пасту из порошкообразного чистого свинца, замешанного на серной кислоте. Для предупреждения усадки и выпадения активной массы в пасту вводятся различные добавки. В настоящее время в аккумуляторах применяются положительные пластины четырех типов: поверхностные, решетчатые, стержневые и трубчатые.
Положительные пластины поверхностного типа применяются, например, в классических аккумуляторах типа GroE. Эти пластины, называемые также пластинами Планте, отливаются под давлением из чистого свинца (99,99 %) и имеют самую большую поверхность (примерно в 8...10 раз большую по сравнению с поверхностью обычной плоской пластины таких же габаритов). Аккумуляторы типа GroE имеют наибольший срок службы по сравнению с аккумуляторами других типов (срок службы таких аккумуляторов составляет 25 лет). В широко применяющихся в системах электропитания телекоммуникационной аппаратуры классических аккумуляторах типа OPzS и герметизированных типа. OPzV применяются трубчатые положительные пластины. Такая пластина представляет собой металлические стержни, выполненные из свинцово-сурьмянного или свинцово-кальциевого сплава (OPzSC) круглого поперечного сечения, на которые наносится активная масса. Сверху для удержания активной массы и предупреждения ее оползания вниз под действием силы тяжести устанавливаются перфорированные пластмассовые трубки (панцири). Поэтому такие аккумуляторы в литературе иногда называют панцирными. В условном обозначении таких аккумуляторов (как и аккумуляторов типа GroE) указывается число положительных пластин (число отрицательных пластин для кислотных аккумуляторов любого типа всегда на единицу больше числа положительных пластин) и номинальная емкость. Например, условное обозначение 80PzS 800 говорит о том, что аккумулятор имеет 8 положительных пластин типа OPz, а его номинальная емкость равна 800 А-ч.
Широкое применение в системах электропитания аппаратуры телекоммуникаций находят также классические (например, типа OGi) и герметизированные аккумуляторы с положительными и отрицательными пластинами решетчатого типа (с намазными пластинами). Применение в герметизированных аккумуляторах намазных пластин в сочетании с технологией AGM позволяет создавать аккумуляторы с малым внутренним сопротивлением, способные работать при коротких режимах разряда. Так, аккумулятор 2RG 200 (типа ESPACE серии RG) с номинальной емкостью 200 А-ч способен при разряде током 352 А в течение 10 минут до конечного напряжения 1,75 В/эл отдать заряд равный 58 А-ч.
Основные параметры свинцово-кислотных аккумуляторов. ЭДС и напряжение аккумулятора. Электродвижущая сила (ЭДС) полностью заряженного кислотного аккумулятора (элемента), зависящая в основном от плотности электролита, численно равна 2,05... 2,15 В. Плотность электролита заряженного аккумулятора (при его температуре +20 °С) лежит в пределах 1,21... 1,3 кг/л. Верхний уровень плотности относится к стартерным аккумуляторам, эксплуатируемым в зимнее время. Значение ЭДС Е, В, с достаточной для практики точностью можно определить по эмпирической формуле
где d — безразмерная величина, численно равная плотности электролита при температуре +20 °С.
Изменение температуры электролита незначительно влияет на ЭДС. Повышение температуры электролита на 10 °С увеличивает ЭДС на 0,002...0,003 В.
Напряжение UР при разряде отличается от ЭДС заряженного аккумулятора как вследствие уменьшения самой ЭДС (за счет уменьшения плотности электролита), так и за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора Ri. Причем Ri зависит как от температуры электролита, так и от степени его разряженности:
где iр — значение разрядного тока.
За номинальное значение среднего разрядного напряжения свинцово-кислотных аккумуляторов принимается напряжение 2, 0 В.
В эксплуатационной документации на аккумуляторы всегда указывается значение минимально допустимого напряжения на зажимах аккумулятора Up min (конечное разрядное напряжение) в конце его разряда при заданной интенсивности и длительности разряда. Разряд аккумуляторов ниже указанного значения не допустим, так как приводит к образованию крупно кристаллического сульфата свинца на поверхности электродов (сульфатации пластин), т. е. к выходу их из строя.
Внутреннее сопротивление аккумулятора. Внутреннее активное сопротивление Ri аккумулятора представляет сумму сопротивлений: выводов (борнов); мостиков, объединяющих в пакеты положительные и отрицательные пластины; металлических решеток пластин, сопротивление активных масс электродов и сопротивление электролита. По мере разряда аккумулятора его внутреннее сопротивление постепенно увеличивается за счет увеличения сопротивления активных масс электродов (удельное сопротивление сульфата свинца PbSO4 на несколько порядков больше удельного сопротивления свинца Рb и удельного сопротивления диоксида свинца РbО2) и увеличения сопротивления электролита в связи с уменьшением его плотности. Внутреннее сопротивление увеличивается также при понижении температуры электролита. Внутреннее сопротивление полностью заряженного аккумулятора при номинальной температуре электролита тем меньше, чем больше его номинальная емкость. Например, аккумулятор типа 10GroE 1000 (с номинальной емкостью 1000 А-ч) в заряженном состоянии имеет внутреннее сопротивление Ri = 0, 105 мОм, а при разряде на 80 % имеет внутреннее сопротивление практически в два раза большее. Помимо активного сопротивления аккумулятор характеризуется еще и индуктивным сопротивлением. При расчетах токораспределительных сетей постоянного тока в предлагается независимо от номинальной емкости аккумуляторов принимать индуктивность Li одного аккумулятора (элемента, с номинальным напряжением 2, 0 В) равной 0, 2 мкГн. Полное сопротивление (импеданс) аккумуляторной батареи Zб составленной из n последовательно включенных элементов на круговой частоте со в этом случае определяется следующим выражением:
Номинальная емкость аккумулятора. Под номинальной емкостью аккумулятора Сном понимается количество электричества (А-ч), которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при нормальных режимах разряда, оговоренных производителем. Для стационарных классических и герметизированных аккумуляторов под номинальной емкостью чаще всего подразумевается количество, которое можно получить при разряде аккумулятора постоянным по значению током, численно равным номинальной емкости, деленной на 10 в течение 10 часов (10-часовой режим разряда) при температуре электролита, равной 20 °С и конечном значении напряжения на зажимах аккумулятора, равном 1,8 В (1,8 В/эл).
Емкость, которую может отдать предварительно заряженный аккумулятора, зависит от его конструкции (от типа и количества пластин, их размера, т. е. от количества активных материалов), плотности электролита и режима разряда (тока разряда и температуры окружающей среды). В технической и эксплуатационной документации на аккумуляторы указываются: значение емкости, соответствующей конкретной длительности разряда (например, обозначение С10 соответствует гарантированному значению емкости аккумулятора при длительности его разряда, равной 10 часов); значение разрядного тока (например, обозначение I10 соответствует максимально допустимому разрядному току при длительности разряда, равной 10 часов) и значение допустимого конечного напряжения на зажимах аккумулятора для каждого из указанных режимов разряда. С увеличением интенсивности разряда (увеличением разрядного тока или разрядной мощности при сокращении длительности разряда) емкость, которую может, отдать аккумулятор до достижения предельно допустимого разрядного напряжения (за которым следует выход его из строя), уменьшается. Например, аккумулятор типа 10 OPzV 1000, способный отдать емкость 1000 А-ч при 10-часовом режиме разряда, при одночасовым режиме разряда током 565 А может отдать только 565 А-ч при конечном напряжении разряда, равным 1,67 В/эл. Уменьшение отдаваемой аккумулятором емкости с увеличением интенсивности его разряда объясняется тем, что образующиеся в процессе разряда частицы сульфата свинца на поверхности пластин, объем которых в 2...3 раза больше объема исходных материалов, препятствуют быстрому проникновению электролита к глубоким слоям активной массы, которые таким образом выключаются из электрохимических процессов. При низкой интенсивности разряда (при токах разряда меньших номинального разрядного) аккумулятор, как правило, способен отдать емкость большую номинальной. Однако отбор емкости большей номинального значения не допустим, так как приводит к резкому сокращению срока службы аккумулятора или выходу его из строя.
Изменение температуры электролита также влияет на емкость, отдаваемую аккумулятором при неизменной интенсивности разряда. С понижением температуры электролита ухудшаются его условия доступа к активным массам электродов, что. приводит к уменьшению емкости отдаваемой аккумулятором. Эти стационарные герметизированные аккумуляторы (технология dryfit) с трубчатыми положительными пластинами предназначены для режимов разряда от 1 до 20 ч. В этой таблице также указаны конечные значения напряжений на зажимах аккумулятора для каждого из режимов разряда.
Из анализа данных, приведенных в таблицах, следует, что при коротких режимах разряда (tp < 1 ч) изменение температуры оказывает большее влияние на емкость аккумулятора, по сравнению с более длительными режимами разряда. Такая же тенденция сохраняется и для классических аккумуляторов. Зависимость емкости от температуры окружающей среды может быть представлена в следующем виде:
где Сн — емкость соответствующая нормальной температуре окружающей среды, равной +20 °С; T — реальная температура окружающей среды; а — температурный коэффициент. Значение коэффициента а для коротких режимов разряда (tp <1ч) следует принимать равным 0,01, а для длительных режимов разряда (tp
Саморазряд аккумуляторов. Под саморазрядом аккумуляторов понимается потеря емкости в процессе их хранения (в отключенном от источника энергии состоянии). Саморазряд S за время хранения r обычно выражается в процентах:
где С0 — емкость заряженного аккумулятора; Ст — остаточная емкость аккумулятора после его хранения в течение т месяцев.
При отключении заряженного аккумулятора от источника энергии электролит вступает в реакцию с активными массами электродов, образуя на поверхности отрицательных и положительных пластин мелкозернистый сульфат свинца. Этот процесс расходования активных масс электродов, т. е. саморазряд наиболее быстро идет на первом этапе после отключения от источника энергии. При длительном хранении скорость саморазряда уменьшается. Однако фирмами изготовителями запрещается хранить заряженные аккумуляторы более 3...6 месяцев без промежуточных подзарядов. На скорость саморазряда большое влияние оказывает температура окружающей среды. Повышение температуры на каждые 10 0С сокращает допустимое время хранения примерно в полтора-два раза.
Одной из причин саморазряда является также наличие примесей в электролите и в активных массах электродов, что вызывает побочные электрохимические реакции, приводящие к расходу активных масс электродов. Интенсивность этих побочных реакций возрастает С повышением температуры окружающей среды.
Эксплуатация аккумуляторов. Нормальные условия эксплуатации аккумуляторной батареи предполагают прежде всего выполнение требований по правильному размещению и монтажу элементов (моноблоков), входящих в состав этой батареи, на стеллажах или в стативах систем электропитания с соблюдением необходимого зазора между этими элементами и строгого выполнения рекомендаций фирм-изготовителей по вводу в эксплуатацию. Необходимый зазор между элементами, обеспечивающий целостность корпусов при последующей их эксплуатации и нормальные условия охлаждения, регламентируется длиной стандартных межэлементных соединителей (перемычек). Последние закрепляются в зависимости от конструкции выводов либо посредством болтового соединения, либо посредством сварки с соблюдением рекомендуемых моментов затяжки или технологии сварки.
В настоящее время на предприятиях телекоммуникаций применяется в основном один способ эксплуатации, аккумуляторных батарей — режим непрерывного подзаряда, называемый также буферным режимом. При этом способе эксплуатации (в условиях нормального функционирования системы электропитания) аппаратура питается от сети переменного тока через выпрямительные устройства, работающие в режиме стабилизации выходного напряжения. Полностью заряженная аккумуляторная батарея (батареи) подключена параллельно выходу этих выпрямителей (параллельно нагрузке). При этом значение выходного напряжения выпрямителей определяется требуемым напряжением содержания Uc аккумуляторной батареи, обеспечивающим компенсацию саморазряда аккумуляторов. Напряжение содержания (непрерывного подзаряда) определяется числом последовательно соединенных элементов в аккумуляторной батареи, требуемым напряжением содержания одного элемента и температурой окружающей среды. В зависимости от номинальной плотности электролита и технологии изготовления аккумуляторов напряжение содержания для одного элемента при номинальной температуре +20 °С лежит в пределах 2,23...2,29 В. Для обеспечения нормального режима эксплуатации и следовательно нормального срока службы точность стабилизации напряжения содержания аккумуляторов должна быть не ниже ±1 %. В случае применения выпрямителей с меньшей точностью стабилизации выходного напряжения для обеспечения компенсации саморазряда аккумуляторов приходится увеличивать значение напряжения содержания. Так, для герметизированных аккумуляторов технологии dryfit типа OPzV при нормальной температуре окружающей среды и стабилизации напряжения содержания с точностью 1 % рекомендуемое значение этого напряжения составляет 2,25 В/эл, а при точности стабилизации ±2 % — 2,27 В/эл. Напряжение содержания также следует корректировать в зависимости от температуры окружающей среды. Такая корректировка (температурная компенсация) должна быть предусмотрена в системах электропитания прежде всего в случае применения герметизированных аккумуляторов. С ростом температуры окружающей среды, чтобы избежать возможного выхода из строя герметизированных аккумуляторов, напряжение их содержания необходимо уменьшать. В современных системах бесперебойного электропитания для слежения за температурой аккумуляторов на корпуса отдельных элементов или моноблоков наклеиваются терморезисторы или термодатчики с помощью которых и осуществляется автоматическая коррекция (температурная компенсация) напряжения содержания аккумуляторных батарей. Значение корректировочного коэффициента для различного типов аккумуляторов лежит в пределах 0,004...0,005 В/°С.
Заряд как классических, так и герметизированных аккумуляторов после появления сети переменного тока осуществляется либо по методу IU, либо по методу U (так называемый щадящий заряд), требующий по сравнению с методом IU большей продолжительности для компенсации емкости, отданной аккумуляторами при их разряде.
Метод IU предполагает заряд аккумуляторных батарей в две ступени. На первой ступени заряд целесообразно осуществлять при стабилизации зарядного тока Iэ на уровне (0,05...0,3)С10. Следует отметить, что для классических аккумуляторов величина максимального зарядного тока в принципе не ограничивается фирмами изготовителями. Однако при больших, значениях зарядного тока температура электролита в отдельных элементах может превысить допустимое значение, равное 45 0С, что вынудит прервать процесс заряда и ожидать снижения температуры. По мере заряда и увеличении плотности электролита напряжение на зажимах батареи возрастает. Заряд на первой ступени продолжается до тех пор пока напряжение на зажимах аккумуляторной батареи не достигнет значения U3 = (2,35...2,40)nэл, где nэл — число последовательно соединенных элементов в аккумуляторной батареи. После чего необходимо сразу перейти ко второй ступени заряда. Вторая ступень предполагает заряд аккумуляторной батареи при стабилизации напряжения на уровне напряжения содержания Uc.
Этот способ заряда применим как для классических так и для герметизированных аккумуляторов. Для классических аккумуляторов признаком окончания заряда является прежде всего постоянство плотности электролита в течение 2 часов а также уменьшение зарядного тока до значения близкого к току содержания. Герметизированные аккумуляторы считаются полностью заряженными, если, «остаточный» зарядный ток в течение 2 часов больше не изменяется. Значение остаточного зарядного тока для аккумуляторов, выполненных по технологии dryfit составляет (0,4...0,8) • 10-3С10 А для двух вольтовых элементов и (1...3) • 10-3С10 А для моноблоков.
Метод U является частным случаем метода IU. При этом методе напряжение на выходе зарядного выпрямителя (зарядного выпрямителя) устанавливается на уровне напряжения содержания батареи. Причем в начале заряда выпрямители работают в режиме ограничения тока так, что заряд батареи осуществляется неизменным по значению током Iогр После перехода выпрямителей в режим стабилизации напряжения по мере заряда батареи зарядный ток уменьшается. Этот метод заряда рекомендуется к применению для герметизированных аккумуляторов. Признаком окончания заряда также как и при методе IU является снижение величины зарядного тока до значения Ioст и его последующая неизменность. В процессе эксплуатации может возникать необходимость в проведении так называемых уравнительных (выравнивающих) зарядов аккумуляторных батарей. Уравнительный заряд следует проводить в том случае, когда отклонение напряжения на отдельных элементах аккумуляторной батареи от среднего значения достигает значений, превышающих ±0, 2 В, плотность электролита отдельных элементов снижается более чем на 0,01 кг/л от требуемого значения (для классических аккумуляторов) или температура корпусов различных элементов (моноблоков) отличается более чем на 5 °С. Причинами подобных аномалий чаще всего являются длительные недозаряды аккумуляторов, связанные, например, с пониженным напряжением их содержания, или чрезмерно глубокие разряды аккумуляторных батарей. Уравнительные заряды как классических, так и герметизированных аккумуляторов следует проводить при стабилизации напряжения на зажимах батареи на уровне, определяемом из расчета 2,4 В/эл в течение 48...72 часов. Причем начальный зарядный ток не должен превышать 0,35С10. При этом выпрямительное устройство (выпрямительные устройства) работает в режиме ограничения тока. Уравнительный заряд считается законченным, если плотность электролита (только для классических аккумуляторов) и напряжение на элементах не изменяются в течение 2 часов. При разработке систем электропитания следует предусматривать возможность удобного вывода батареи из ЭПУ и подключения к ней выпрямительного устройства (выпрямительных устройств), а также слежения за температурой и напряжением отдельных моноблоков батареи в случае размещения их в стативах ЭПУ.
При двухступенчатом или уравнительном заряде аккумуляторов частично имеет место электролиз воды с образованием водорода и кислорода. В классических аккумуляторах эти газы, смесь которых представляет собой гремучий газ, а также пары серной кислоты выделяются в окружающее пространство, поэтому классические аккумуляторы должны устанавливаться только в специальных помещениях (аккумуляторных), снабженных приточно-вытяжной вентиляцией. В герметизированных аккумуляторах рекомбинация газов составляет не менее 95 % , поэтому они могут устанавливаться в тех же помещениях, что и аппаратура. Необходимый объем циркулирующего воздуха Q для аккумуляторов любого типа рекомендуется определять в соответствии со следующим выражением:
где nэл — общее число элементов в аккумуляторной батареи; Д коэффициент, значение которого зависит от процентного содержания сурьмы в положительных пластинах (для аккумуляторов с содержанием сурьмы более 3 % f1 = 1, а для аккумуляторов с содержанием сурьмы менее 3 % f1 = 0,5); f2 — коэффициент, значение которого для классических аккумуляторов принимается равным 1, а для герметизированных — 0,5; I — зарядный ток, численно равный для всех типов аккумуляторов, 0,1С10, А.
Срок службы классических и герметизированных аккумуляторов существенно зависит от переменной составляющей тока аккумуляторов (так называемого наложенного переменного тока) как при их заряде, так и при их работе в буферном режиме. Переменная составляющая тока аккумуляторов появляется прежде всего за счет импульсного потребления энергии нагрузкой. Такой нагрузкой с импульсным потреблением энергии, являются практически все современные конверторы (DC-DC преобразователи) и инверторы (DC-AC преобразователи), подключаемые к выходу выпрямительно-аккумуляторных установок. При заряде аккумуляторов по методу IU на первой ступени заряда до напряжения 2,4 В/эл действующее значение переменной составляющей тока для большинства как классических, так и герметизированных аккумуляторов регламентируется на уровне, не превышающем 10 А на 100 А-ч номинальной емкости. Для второй ступени заряда (или при заряде по методу U), а также для режима содержания действующее значение переменной составляющей тока не должно превышать 5 А на 100 А-ч номинальной емкости аккумулятора.
Щелочные аккумуляторы
В переносной аппаратуре связи, а также на сельских АТС небольшой емкости находят применение щелочные аккумуляторы, которые в отличие от кислотных могут эксплуатироваться при низких температурах окружающей среды. На практике применяются как герметичные никель-кадмиевые (НК) аккумуляторы, так и НК аккумуляторы закрытого типа.
Наибольшее применение находят ламельные НК аккумуляторы закрытого типа. Ламели представляют собой плоские коробочки из стальной никелированной перфорированной ленты, в которые помещается активная масса электродов. Ламели закрепляются в рамках из никелированной стали, образуя положительные и отрицательные пластины аккумулятора. Активная масса положительных пластин состоит из гидроксида никеля (NiOOH), активная масса отрицательных пластин — из кадмия (Cd). Положительные и отрицательные пластины изолируются друг от друга полимерным сепаратором и помещаются либо в стальные никелированные, либо в полупрозрачные ударопрочные пластиковые сосуды (число положительных пластин на одну больше числа отрицательных пластин). Верхняя крышка аккумулятора, как и в классических свинцово-кислотных аккумуляторах, имеет заливочное отверстие, закрываемое пластмассовой пробкой. Электролитом служит водный раствор гидроксида калия (КОН) плотностью 1,19...1,21 г/см3 с добавкой 20 г/л гидрата окиси лития (LiOH). Основная электрохимическая реакция при заряде и разряде НК аккумулятора имеет вид
Как следует из этой реакции, в НК аккумуляторах в процессе заряда и разряда электролит активно не участвует и поэтому его концентрация практически не меняется. Кроме основной электрохимической реакции, при перезарядах НК аккумуляторов протекают побочные процессы, связанные с выделением кислорода на положительном электроде и водорода на отрицательном электроде.
Кислород, выделяющийся на положительном электроде, через пористый сепаратор достигает отрицательного электрода, где и вступает в реакцию с кадмием, реализуя так называемый замкнутый кислородный цикл
В нормальной ситуации скорость доставки кислорода от положительного электрода к отрицательному и его рекомбинация обеспечивают отсутствие избыточного давления и в герметичных НК аккумуляторах.
Скорость окисления водорода на положительном электроде NiOOH + 1/2Н2 —> М(ОН)2 протекает с более низкой скоростью, что может привести к накоплению водорода и разгерметизации герметичного аккумулятора.
Для того чтобы исключить возможность разгерметизации, емкость отрицательного электрода (количество активной массы) обычно заметно превышает емкость положительного электрода. Поэтому емкость герметичного НК аккумулятора определяется емкостью его положительного оксидно-никелевого электрода. Герметичные НК аккумуляторы выполняются, как правило, безламельными (пластины изготовляются напрессовкой порошкообразной активной массы на стальную рамку с последующей формовкой, в процессе которой им придают необходимую пористость и прочность). Безламельные аккумуляторы характеризуются большими удельными значениями емкости и энергии и имеют существенно меньшее внутреннее сопротивление. Однако по сроку службы и механической прочности они уступают ламельным аккумуляторам.
ЭДС щелочных аккумуляторов ниже, чем у кислотных. У полностью заряженного НК аккумулятора ЭДС составляет 1,30... 1,35 В. Номинальное напряжение (среднее значение напряжения при разряде) НК аккумулятора принимается равным 1,2 В, а напряжение в конце разряда 1,0 В. Конечное напряжение заряда — 1,75... 1,8 В. Столь большое относительное, изменение напряжения НК аккумуляторов ограничивает их применение в стационарных установках связи.
В настоящее время в персональных компьютерах, сотовых телефонах, измерительной и бытовой технике достаточно широко применяются герметичные никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы. Замена отрицательного кадмиевого электрода на электрод из сплавов никеля с металлами редкоземельной группы позволила увеличить в 1, 5 раза объем и емкость положительного электрода, который и определяет емкость аккумулятора при тех же габаритах и массе. Отказ от кадмия означает также переход к более экологически чистым производствам и позволяет легче решать проблему утилизации использованных аккумуляторов. Кроме того в Ni-MH аккумуляторах удалось до некоторой степени уменьшить «эффект памяти» (необходимость перед зарядом полностью разряжать аккумулятор для предотвращения ухудшения его характеристик), что позволяет использовать их в аппаратуре в качестве буферного источника питания. Отечественными и зарубежными фирмами выпускаются аккумуляторы с номинальной емкостью до 15 А-ч. Номинальное напряжение Ni-MH аккумулятора такое же, как и у НК аккумулятора. Однако следует иметь в виду, что в процессе заряда Ni-MH аккумулятора выделяется больше теплоты, чем при заряде НК аккумуляторов. Поэтому их эксплуатация при температурах выше 40 °С недопустима. Кроме того, следует иметь в виду, что потери емкости отрицательного электрода при очень глубоких разрядах безвозвратны, что предъявляет более жесткие требовании к подбору аккумуляторов при их последовательном соединении в батарею и контролю процесса разряда, чем в случае использования НК аккумуляторов. Последовательное соединение более 10 аккумуляторов не рекомендуется. При соединении в батарею более 10 аккумуляторов рекомендуется принимать конечное разрядное напряжение равным (1,1n) В, где n — число аккумуляторов в батарее. Аккумуляторы в батарее соединяются между собой с помощью никелевой или никелированной стальной ленты, которая приваривается к положительному выводу и корпусу аккумулятора точечной сваркой.
Для контроля заряда Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов и аккумуляторных батарей ведущие фирмы изготовители выпускают специализированные микроконтроллеры в интегральном исполнении, позволяющие контролировать процесс заряда по нескольким параметрам, что обеспечивает надежную их работу. Так, немецкая компания Maxim с 1997 года предлагает универсальное устройство для заряда Ni-Cd и Ni-MH батарей из 1-16 аккумуляторов, в котором используется микроконтроллер Мах2003А, позволяющий следить при заряде за температурой, напряжением и требуемой длительностью заряда. Известен более надежный критерий оценки зарядного процесса и состояния аккумулятора по отклику аккумуляторов на тестовый сигнал переменного тока низкой частоты. При сообщении аккумулятору примерно 100 % его номинальной емкости начинается бурный процесс выделения кислорода на положительном электроде, в результате чего угол сдвига между напряжением и током тестового сигнала увеличивается в несколько раз. Этот метод используется фирмой Liebert и для оценки состояния герметизированных кислотных аккумуляторов.
Наиболее перспективными в настоящее время для переносной аппаратуры связи являются литий-ионные и литий-полимерные (Li-Ion, Li-Pol) аккумуляторы, обладающие максимальной удельной энергией (Вт-ч/дм3, Вт-ч/кг). Так, литий-ионный аккумуляторы серии МР, выпускаемые фирмой SAFT с номинальной емкостью от 2,1 до 5 А-ч характеризуются удельной энергией на уровне 250...280 Вт-ч/дм3, что существенно выше, чем для любого другого типа щелочных аккумуляторов. Номинальное напряжение этих аккумуляторов лежит в пределах 3,5...3,7 В. Аккумуляторы работоспособны в широком диапазоне температур и токов разряда. Саморазряд их составляет 5....10 % в месяц. Гарантированный срок службы 500 циклов заряд-разряд, после которых они теряют не более 10...15 % начальной емкости. Фирма Panasonic выпускает литий-ионные аккумуляторы, удельная энергия которых достигает 400 Вт-ч/дм3. Номинальное напряжение этих аккумуляторов — 3,7 В. Причем при разряде токами до 2СН аккумуляторы способны отдать 80 % емкости при снижении напряжения до 3,0 В. Диапазон рабочих температур: от —40 до +50 °С. Дальнейшее совершенствование литий-ионных аккумуляторов считается одним из самых перспективных направлений работ в области электрохимической энергетики.
Li-Pol аккумуляторы имеют примерно такую же плотность энергии, что и Li-Ion, но допускают изготовление в не традиционных для обычных аккумуляторов пластичных геометрических формах. Такие аккумуляторы способны заполнить любое свободное пространство в сотовом телефоне. Диапазон рабочих температур для Li-Pol аккумуляторов от 0 до +60 °С.
Используемая литература: Электропитание устройств и систем телекоммуникаций:
Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Демянский,
JI. Ф. Захаров и др. — М.: Горячая линия—Телеком, 2009. —
384 с.: ил.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com