СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ: НАЗНАЧЕНИЕ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи применяются в системах бесперебойного питания (ИБП), телекоммуникации, приемно-передающем оборудовании связи, системах аварийной подачи электроэнергии, аварийного освещения и сигнализации, охранных и противопожарных системах, электронных кассовых аппаратах, автономном оборудовании и т.п. в качестве резервного источника электропитания.
Казалось бы, всё предельно ясно, ведь существует огромное количество брендов, производящих аккумуляторные батареи, и лучше всего довериться известному (раскрученному) бренду, т. к. их аккумуляторы лучше, но, оказывается, всё не так просто.
Аккумулятором называется химический источник тока, действие которого основано на использовании обратимых электрохимических процессов.

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея RL 12-50

Аккумулятор способен накапливать (аккумулировать) в себе электрическую энергию и по мере необходимости отдавать ее во внешнюю цепь.
Принцип действия: Накапливание в аккумуляторе электрической энергии происходит при прохождении по нему тока от постороннего источника. Этот процесс, называемый зарядом аккумулятора, сопровождается превращением электрической энергии в химическую. При разряде аккумулятора происходит обратное превращение химической энергии в электрическую.

УСТРОЙСТВО, ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Устройство. Простейший свинцовый аккумулятор состоит из положительного электрода, активным веществом которого является двуокись свинца (темно-коричневого цвета), и отрицательного электрода, активным веществом которого является губчатый свинец (серого цвета). Если оба электрода поместить в сосуд с электролитом (раствор серной кислоты в дистиллированной воде), то между электродами возникнет разность потенциалов. Электроды в современных аккумуляторах представляют собой свинцовые решетки с нанесенной на них активной массой (пластины). Изначально активная масса решетки представляет собой порошок из мелкоразмолотого свинца с добавлением легирующих материалов, придающих пластинам необходимые технологичные свойства.
Если к аккумулятору подключить нагрузку, то свинцовые пластины с активной массой вместе с электролитом и нагрузкой образуют замкнутую цепь. Внутри аккумулятора начнется химическая реакция, в результате которой активная масса обоих электродов будет менять первоначальный состав, а плотность электролита начнет падать. В итоге, в цепи потечет электрический ток. Такой процесс представляет собой разряд аккумулятора. При подключении к аккумулятору внешнего источника тока начнется обратный процесс – зарядка. При зарядке активная масса пластин восстанавливает свой первоначальный состав, плотность электролита растет.
Одной из основных характеристик свинцово-кислотного аккумулятора является его емкость.
Емкостью аккумулятора называется количество электричества, отдаваемое полностью заряженным аккумулятором при его разряде до допустимого конечного разрядного напряжения. Емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах и определяется как произведение величины разрядного тока (в амперах) на продолжительность разряда (в часах).
Поскольку ток, отдаваемый аккумулятором, вырабатывается в результате химической реакции, емкость батареи не будет величиной постоянной.
Разрядная емкость аккумулятора зависит от целого ряда конструктивных и технологических параметров, а также от условий эксплуатации аккумулятора. Наиболее значимыми конструктивными параметрами являются количество активной массы и электролита, толщина и геометрические размеры аккумуляторных электродов. Главными технологическими параметрами, влияющими на емкость аккумулятора, являются рецептура активных материалов и их пористость. Эксплуатационные параметры — температура электролита и сила разрядного тока — также оказывают существенное влияние на разрядную емкость.
Химическая реакция между активной массой и электролитом происходит на поверхности частиц активной массы, поэтому ее делают пористой, чтобы материал хорошо пропитывался электролитом, и в реакции участвовал его максимальный объем.
С ростом величины разрядного тока разряд поверхностных слоев активной массы ускоряется в большей степени, чем глубинных. В итоге увеличение сернокислого свинца в устьях пор проистекает скорее, чем в глубине, и пора закупоривается сульфатом быстрее, чем успевает отреагировать ее внутренний слой (удельный объем сульфата свинца больше удельных объемов свинца и двуокиси свинца). По причине остановки диффузии электролита вовнутрь поры реакция в ней приостанавливается. Следовательно, чем выше разрядный ток, тем ниже емкость аккумулятора. В качестве примера можно привести разрядные характеристики аккумулятора SV12500 (С – 50 А • ч, емкость батареи).

увеличить (jpg, 225 КБ)

Из приведенного графика видно, что при токе разряда 0,05С (0,05 × 50 = 2,5 А для этой батареи), аккумулятор будет разряжаться 20 часов и отдаст в нагрузку 2,5 × 20 = 50 А • ч (50 А • ч – номинальная емкость аккумулятора). Разрядная емкость, на которую рассчитан аккумулятор и которая указывается изготовителем, называется номинальной емкостью.
Номинальной емкостью свинцово-кислотного аккумулятора принято считать емкость, полученную при разряде в течение 20 часов, т. е. током 0,05С (С – емкость аккумулятора А • ч).
В случае увеличения разрядного тока до 50 А (1С), аккумулятор проработает 30 минут (0,5 часа) и отдаст в нагрузку 50 × 0,5 = 25 А • ч. Емкость аккумулятора при таком разрядном токе в два раза меньше.

ТЕХНОЛОГИИ
С точки зрения химии все процессы во всех свинцово кислотных аккумуляторах идентичны. Различия в эксплуатационных характеристиках аккумуляторов обусловлены конструкцией и применяемой технологией. Автомобильные аккумуляторы обычно дешевле остальных.
Следует отметить, что автомобильные аккумуляторы малопригодны для использования в качестве резервного источника электропитания.
Конструкция автомобильного аккумулятора предусматривает относительно большое количество свободного электролита (из-за особенностей эксплуатации: мощные стартерные разрядные токи, работа в зимний период). При такой конструкции сложно обеспечить какую-либо фиксацию пакета пластин.
При глубоком разряде аккумулятора происходит разрыхление активных масс положительного электрода, которое в стартерном автомобильном аккумуляторе приведет к сползанию активной массы и потери емкости. Разряд автомобильных батарей ниже уровня остаточного напряжения 11,2 В – нежелателен. Большинство бытовых приборов с питанием от аккумуляторных батарей отключают батарею при уровне остаточного напряжения 9,5 – 10,5 В.
Для таких приборов в качестве резервного источника электропитания значительно лучше подходят герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы (VRLA), которые изготавливаются по двум технологиям.
Первая, наиболее распространенная технология – Absorptive Glass Mat (AGM) подвид свинцово-кислотных необслуживаемых герметичных аккумуляторов, в которых применен пористый заполнитель-сепаратор из стекловолокна, пропитанный жидким электролитом. Такая конструкция позволяет удерживать электролит внутри пор сепаратора подобно губке.
Вторая, Gelled Electrolite (GEL), или гелевые аккумуляторы (электролит в которых имеет гелеобразное состояние) – подвид свинцово-кислотных необслуживаемых герметичных аккумуляторов, в которых иммобилизация (неподвижность) электролита достигается путем добавления к серной кислоте соединений кремния.
Пластины у обоих подклассов одинаковые, но физическая природа рекомбинации (благодаря чему достигается герметичность) разная. Аккумуляторы AGM дешевле гелевых, они позволяют развивать большие токи разряда и заряда, менее критичны к условиям заряда, не боятся кратковременного короткого замыкания. Это и обусловило более широкое применение AGM-аккумуляторов. Гелевые аккумуляторы целесообразно применять там, где их достоинство – больший ресурс в циклическом режиме (гель эффективнее фиксирует материал пластин, снижая их износ в режимах глубоких разрядов, поэтому циклический ресурс гелевых аккумуляторов в выше, чем у АGM) – востребовано (например, в системах автономного питания на солнечных батареях). В большинстве других устройств, где применяется режим буферной подзарядки с редкими разрядами, гелевые аккумуляторы применяются достаточно редко.

ВЫБОР
Следует отметить, что реальный срок службы аккумуляторных батарей определяется максимальным числом циклов заряда/разряда и в условиях реальной работы редко доходит до номинального срока эксплуатации в 5-10 лет (срок службы в годах – условная величина).
Необходимо также понимать, что напряжение 12 В на клеммах никак не гарантирует наличия номинальной емкости у батареи, а значит по напряжению нельзя определить здоровье самой батареи.
При покупке аккумуляторной батареи следует руководствоваться рекомендациями изготовителя того прибора, для которого она предназначена.
Для источников бесперебойного питания, имеющих относительно большую выходную мощность и небольшой период автономной работы (до 30 минут), производить замену батарей следует только на однотипные модели (одинакового типа, емкости и напряжения).
При выборе аккумуляторов для источников бесперебойного питания длительного действия (например, для обеспечения питания газовых котлов) также следует руководствоваться рекомендациями изготовителя прибора. Очевидно, что чем больше емкость аккумулятора, тем дольше время автономной работы ИБП.
Величина тока, необходимого для заряда аккумулятора пропорциональна его емкости. Приблизительное соотношение – 1 к 10. То есть для заряда аккумулятора емкостью 100 А • ч потребуется ток заряда примерно 10 А.
Большинство ИБП имеют встроенные зарядные устройства, рассчитанные на работу с аккумуляторами определенной емкости. Использование аккумуляторов большей или меньшей емкости нежелательно.
Все производители указывают емкость аккумулятора, который подходит к конкретной модели ИБП. Если к ИБП подходят различные по емкости аккумуляторы, в составе прибора должен быть блок управления током заряда. Разумеется, подобные ИБП стоят существенно дороже. Но в любом случае, даже у таких ИБП есть свой диапазон по емкости заряжаемых аккумуляторов.
Следует также помнить, что аккумуляторы имеют ограниченный срок хранения, поэтому необходимо также обращать внимание на дату изготовления.