Заметки о проблемах составления батарей аккумуляторных элементов.
На написание этой статьи меня сподвигла участь многих аккумуляторов, умерших из-за неправильного подбора компаньонов в аккумуляторной батарее. Кончина одного аккумулятора (что не так уж и дорого) может привести к более быстрой деградации свойств всей батареи (что уже вылетит в хорошую копейку). Поэтому далее я опишу возможные подводные камни подбора аккумуляторов в батарею и намечу пути их обхода. Сразу оговорюсь, что в статье могут быть неточности, так как сам сборкой батарей не занимался. Однако теоретические вопросы долго копал, потому могу с большой долей уверенности давать советы (тем более, что сам я вырос в стране советов). Далее будет сказано о проблемах сборки в батарею герметичных аккумуляторов. Это не значит, что тезисы статьи несправедливы для вентилируемых батарей, просто для них есть еще много дополнительных вопросов, касающихся системы обслуживания элементов в батарее.
Для чего собирается батарея аккумуляторов? – Для того, чтобы получить требуемое напряжение для потребителя, набрать необходимую емкость и обеспечить достаточные мощностные характеристики вторичного химического источника тока. Для подъема напряжения аккумуляторы соединяются в батарее последовательно, образуя "стринг" (с английского string – нить). Для обеспечения повышенной емкости и мощности стринги аккумуляторов соединяются параллельно. Если при параллельном соединении аккумуляторов нагрузка на них балансируется в зависимости от внутреннего сопротивления и напряжения на элементе, то при последовательном соединении все намного хуже.
Представим типичную картину, которая приводит к деградации стринга: в середине свинцово-кислотной батареи появился аккумулятор с более слабыми характеристиками (отстающий элемент) – из-за процесса старения в нем возрасло внутреннее сопротивление и снизилась отдаваемая емкость. В процессе разряда отстающий элемент разряжается намного быстрее и высока вероятность, что он разрядится до нуля тогда, когда соседи еще имеют достаточно большой заряд. При дальнейшем разряде батареи разрядный ток соседей будет действовать на отстающий аккумулятор как зарядный ток из-за чего на отрицательных пластинах отстающего аккумулятора образуется двуокись свинца (вместо положенного свинца), а на положительных пластинах – свинец (вместо диоксида свинца). Описанное явление называется переполюсовкой (сменой полярности) аккумулятора. Опасность переполюсовки отстающего аккумулятора не только в том, что он умирает, но и в том, что умерший аккумулятор резко снижает характеристики всего стринга (на него тратится большое количество энергии). Параллельное соединение аккумуляторов менее опасно, однако отстающие аккумуляторы и здесь снижают разрядные характеристики батареи.
Для параллельного соединения аккумуляторных элементов следует помнить о нескольких подводных камнях. Первый – это то, что для соединения следует использовать аккумуляторы не только одинаковой емкости, но и одинакового внутреннего сопротивления. Второе – то, что сопротивление соединительной перемычки от клемы аккумулятора до общего выхода батареи относится к внутреннему сопротивлению источника ЭДС, из-за чего обязательно следует ставить все перемычки одинакового сопротивления. Поскольку основная нагрузка при параллельном подключении идет на "здоровые" аккумуляторы, повышается вероятность их перехода в разряд отстающих, что, в конечном итоге, ведет к деградации всей батареи.
Своевременное выявление отстающих аккумуляторов и исправление ситуации – залог длительной жизни батареи. Особенно важно, чтобы основные параметры аккумуляторов в батарее не различались более, чем на 5%. Необходим еженедельный контроль напряжения и температуры после заряда на каждом аккумуляторе (у отстающих аккумуляторов высокое внутреннее сопротивление и снижена емкость, при заряде такой аккумулятор греется сильнее, а также быстрее происходит состояния перезаряда, что ведет к "выкипанию" электролита). Для вентилируемых батарей важный параметр, который можно проверить – плотность и уровень электролита. Для прогнозирования состояния батареи в будущем полезно вести дневник измерений состояния аккумуляторов. При разбросе параметров аккумуляторов, близких к граничным 5%, необходимо произвести эквализацию (выравнивающий заряд) батареи. Выявленные отстающие аккумуляторы необходимо удалять из батареи. Для избежания переполюсовки необходимо контролировать напряжение на самом слабом аккумуляторе и вовремя, при достижении нижнего предела напряжения, прервать разряд батареи.
Замена отстающих аккумуляторов новыми усугубляет проблемы батареи – параметры новых аккумуляторов лучше уже циклировавшихся, потому опасность переполюсовки может возрасти.
Все выше описанное приводит к нескольким выводам:
- необходимо подбирать аккумуляторы в батарею с наиболее близкими значениями основных параметров (емкость, напряжение, внутреннее сопротивление, уровень саморазряда, циклируемость)
- батарея должна иметь запас емкости для уменьшения вероятности переполюсовки
- необходим постоянный контроль за состоянием аккумуляторов в батарее (возможно, использование системы мониторинга и управления батареей)
- имеет смысл подбирать батарею из альтернативных химических систем, в которых нет опасности переполюсовки и деградация параметров отдельного аккумулятора сильно не влияет на параметры всей батареи
Широкое практическое применение первого метода нашло у моделистов. Для питания моделей в соревнованиях жизненно важно подобрать легкую и надежную батарею, которая может выдержать очень жесткие условия эксплуатации: быстрый и мощный разряд, потом быстрый заряд и так 5-10 раз в сутки. Выигрывают те модели, батареи которых могут выдержать этот режим в течение достаточно длительного времени (2-3 дня) без деградации характеристик. Так как в моделях используются малые по размерам аккумуляторы, имеется возможность закупки большого количества элементов россыпью. После нескольких тренировочных циклов заряда/разряда проверяются параметры напряжения, емкости и внутреннего сопротивления. Составляется католог параметров аккумуляторов. Из очень схожих по характеристикам (разброс параметров менее 1%) элементов собирается батарея. О трудоемкости этого процесса можно судить по тому факту, что на подбор стринга из шести аккумуляторов нужно перебрать более тысячи исходных элементов. Даже использование компьютеризации и автоматизации основного процесса отбора не сильно снижают трудоемкость. Такие стринги стоят в 3-4 раза дороже, однако и работают лучше (при сборке батареи с разбросом параметров аккумуляторов в 5% сильно отстающие появляются после 10 интенсивных циклов заряда/разряда, при использовании отобраных элементов – после 50 циклов).
Для больших аккумуляторов можно ограничиться менее жестким процессом отбора (так как есть возможность создать дополнительный запас емкости), что позволит быстрее подобрать стринг. Также, имея приличный запас емкости, можно удалять сильно отстающие элементы батареи без добавления новых, что снижает вероятность дальнейшего дисбаланса. Также хороший запас емкости увеличивает количество циклов заряда/разряда при частичном использовании батареи, причем рост количества циклов нелинейно возрастает от уменьшения глубины разряда.
Использование системы мониторинга и управления батареей позволяет перенести тяжкую ношу контроля состояния отдельных элементов на крепкие кремниевые мозги контроллера. В зависимости от возможностей (определяют цену системы управления), контроллер может следить за напряжением, силой разрядного тока, количеством циклов, температурой отдельного элемента или группы элементов, продвинутые контроллеры могут шунтировать ток при превышении допустимых величин нагрузок на элемент. Для удешевления системы управления батареей имеет смысл собирать стринг из очень емких элементов, что позволит ограничиться относительно небольшим количеством контроллеров. Ярким примером такого подхода являются широко используемые литий-ионные батареи.
Альтернативные химические системы имеют право на жизнь при сборке большого количества аккумуляторов в одну батарею. Хороший пример такой системы – аккумуляторные батареи ZEBRA для электротранспорта
Вот и закончилась еще одна статья о аккумуляторах... Здесь вы смогли почерпнуть некоторый начальный объем знаний, который позволит ориентироваться в проблеме подбора аккумуляторов в батарею. Знание основных моментов может послужить дальнейшей отправной точкой для поиска дополнительной информации по этому вопросу. Надеюсь, статья была полезной... Заходите еще!
