Особенности эксплуатации свинцово-кислотных тяговых аккумуляторных батарей для напольного электротранспорта

Несмотря на широкое внедрение литий-ионных аккумуляторов на электротранспорт, свинцово-кислотные аккумуляторы ещё долго будут востребованы как надежный, неприхотливый источник питания обеспечивающий долгий срок службы и возможности вторичной переработки.

В этой статье описаны основные понятия и процедуры, которые нужны обслуживающему персоналу для успешной эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов независимо от места их производства.

1. Условия хранения во время простоя

Аккумуляторные батареи должны храниться в сухом и проветриваемом помещении. Во время хранения не допускается резкое колебание температуры окружающей среды.

Батареи рекомендуется хранить при температуре не ниже 0ºС и не выше плюс 20 °С.

Это связано с тем, что под влиянием саморазряда плотность электролита снижается и температура его замерзания повышается. Так, например. Электролит плотностью 1,25 кг/л замерзает при температуре ниже минус 50 °С, электролит плотностью 1,2 кг/л при температуре минус 30 °С, а электролит плотностью 1,15 кг/л уже при минус 15 °С.

При хранении в отапливаемых помещениях батареи должны находиться на расстоянии не менее 1,0 м от отопительных приборов.

Также при хранении батареи необходимо защищать от прямых солнечных лучей.

Если приведенную в действие аккумуляторную батарею не планируется использовать в течение длительного периода времени, то при принятии решения о длительном периоде хранения следует учитывать влияние длительности хранения на срок службы батареи, так как время хранения входит в суммарный календарный срок службы батареи.

Для поддержания батареи в состоянии эксплуатационной готовности при длительном периоде хранения необходимо ежемесячно :

• проверять напряжение и плотность электролита всех элементов аккумуляторной батареи.
• выполнять выравнивающий (уравнительный) заряд (см. п. 4.1) либо поддерживающий заряд (см. п. 4.2).

2. Хранение вне помещения

В случае необходимости хранения батареи с электролитом вне помещения необходимо соблюдать следующие обязательные условия.

2.1 Батареи должны быть заряжены перед постановкой на хранение. Плотность электролита во всех аккумуляторах батареи должна быть не менее 1,26 кг/л потому, что электролит при такой плотности не замерзает при температуре минус 53 °С.

Электролит полностью заряженной аккумуляторной батареи должен иметь при температуре плюс (30±1) ºС плотность, равную (1,29±0,01) кг/л. Такой электролит замерзает только при температуре ниже минус 69 ºС.

2.2 При хранении вне помещения быть защищенными от возможности попадания прямых солнечных лучей. Воздействие прямого солнечного излучения может повысить температуры аккумуляторов, что приведет к снижению срока их службы. Кроме того, прямые солнечные лучи производят деструктивное воздействие на полимерные материалы корпусов и крышек аккумуляторов и вспомогательных сервисных систем батареи.

3. Типы

Батареи для напольного транспорта относятся к типу классических тяговых аккумуляторных батарей с жидким электролитом и предназначены для работы на различных видах подъемно-транспортного оборудования и техники на электротяге. Батареи данного класса отличает проверенная временем конструкция, высокая производительность, а также возможность использования в тяжелых условиях эксплуатации при высоких разрядных токах и многосменном режиме работы.

Аккумуляторы PzS (европейский стандарт), PzB (британский стандарт) * - свинцово-кислотные, вентилируемого типа, с трубчатыми (панцирными) положительными электродами и пастированными (решетчатыми) отрицательными электродами.

Электролитом служит разбавленная дистиллированной или деминерализованной водой серная кислота.

Также широко используются аккумуляторы закрытого типа PzV с регулирующим клапаном и электролитом, загущенным в виде геля. Такие аккумуляторы не имеют доступа к загущенному электролиту и не требуют контроля его уровня и плотности в течение всего срока службы.

На рисунке 1 показано в разрезе схематическое устройство тягового аккумулятора.

Разноименные электроды разделены микропористыми сепараторами из синтетического материала – высокопористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена с высокой пористостью, который имеет высокие ребра на стороне, обращенной к положительному электроду и значительно более низкие на стороне, обращенной к отрицательному электроду.

Одноименные электроды при помощи газовой сварки соединены в параллельные группы посредством полюсных мостов, к которым приварены выводные борны с латунными втулками, имеющими внутреннюю резьбу для крепления изолированных перемычек, которыми аккумуляторы последовательно соединяют в батарею.

Болтовое соединение перемычек позволяет достаточно легко, и в тоже время очень надежно, осуществлять монтаж, демонтаж и замену отдельных аккумуляторов в батарее.

Корпус – сополимер полипропилена и полиэтилена, материал ударопрочный, кислотостойкий, с применением антипиренов (специальных добавок, препятствующих горению).

Специальная конструкция полюсных выводов, а также использование контактно-тепловой сварки для герметичного соединения корпуса и крышки батареи исключают вытекание или выплескивание электролита наружу при резких маневрах.

Крышка каждого аккумулятора также имеет специальные отверстия для возможности подключения системы перемешивания электролита. Эти отверстия предназначены также для измерения температуры и плотности электролита с помощью специальных сенсорных устройств.

Пробки с откидывающимися крышками обеспечивают беспрепятственный выход газов через вентиляционные отверстия, как при эксплуатации, так и при заряде батарей, а также надежную защиту от вытекания электролита во время эксплуатации. Нанесенные на пробках деления позволяют легко определить уровень электролита в аккумуляторе.

4. Температура

Температура батареи, равная плюс 30°С является номинальной. Более высокие значения температуры ведут к сокращению срока службы батареи, более низкие значения уменьшают снимаемую с батареи емкость. Плюс 45°С - предельная температура, при которой эксплуатация не разрешается.

Температуры выше номинальной приводят к сокращению срока службы батареи, а более низкие снижают доступную емкость. Верхняя предельная граница температуры, при которой эксплуатация не разрешается составляет плюс 45°С. Температура при хранении 55° C или выше также не является приемлемой температурой.

При этом следует учитывать, что повышение температуры на каждые 10 °С от номинального значения:

• при эксплуатации приводит к снижению срока её эксплуатации примерно в 2 раза и ускорению износа (потери емкости) батареи;
• требует сокращения периода между уравнительными зарядами в 2 раза. Например, при средней температуре в процессе хранения 40 °С уравнительные или поддерживающие заряды требуется проводить каждые 2 недели. При интенсивной многосменной работе рекомендуется проводить уравнительный заряд еженедельно.

5. Режимы заряда при хранении.

Заряжать аккумуляторную батарею допускается только таким устройством, которое предназначено для данного вида АКБ и соответствует типу заряжаемой батареи по мощности и силе зарядного тока. В противном случае не исключены:

• случае недостаточной мощности зарядного устройства - постоянный недозаряд батареи и перегрузка электрических соединений;
• недопустимое газообразование;
• вытекание электролита из элементов;

На стадии газообразования не допускается превышение текущих предельных значений, приведенных в DIN 50272­3.

В процессе заряда аккумуляторной батареи происходит выделение водорода. При достижении 4% концентрации водорода воздушная смесь становится взрывоопасной. Поэтому во время заряда необходимо обеспечить достаточный отвод газов за счет принудительной вентиляции зарядного помещения. Съемные крышки батарейного отсека или контейнера должны быть открыты или сняты перед началом заряда, чтобы взрывоопасная смесь газов потеряла способность воспламенения благодаря ненадлежащей вентиляции. Вентиляционные пробки на аккумуляторах должны находиться в закрытом состоянии.

Параметры воздухообмена в зарядном помещении (объем воздуха, необходимый для обеспечения безопасной концентрации взрывоопасной смеси водорода и кислорода, а также аэрозолей электролита, которые образуются в конце процесса заряда) должны соответствовать действующим нормативам по обеспечению мер противопожарной безопасности и охраны труда работающего персонала.

Подключите выводы батареи к выключенному зарядному устройству, соблюдая полярность клемм батареи и зарядного устройства (положительную к положительному выводу, отрицательную к отрицательному выводу). Затем включите зарядное устройство. При заряде температура электролита поднимается примерно на 10° C, поэтому заряд можно начинать, только если температура электролита ниже 45° C. Вместе с тем, температура электролита батарей перед зарядом должна быть не менее +10° C, иначе достичь полного заряда не удастся. Заряд закончен, когда плотность электролита и напряжение батареи остаются постоянным в течение двух часов.

При измерениях плотности электролита необходимо учитывать влияние температуры на его плотность. При повышении температуры выше номинальной (плюс 30ºС) плотность электролита уменьшается, а при понижении увеличивается. Соответствующий поправочный коэффициент составляет 0,0007 кг/л на каждый градус по Цельсию. На рисунке 2 показано как изменяется плотность электролита в зависимости от его температуры.

Если батареи оборудованы системой перемешивания электролита Airlift, убедитесь, что система Airlift находится в рабочем состоянии, прежде чем начинать процесс заряда. Никогда не заряжайте батарею с поврежденной системой. Чтобы получить больше информации, свяжитесь с поставщиком зарядного устройства. Во время заряда нельзя снимать воздушную трубку.

5.1 Выравнивающий (уравнительный) заряд.

Перед началом проведения выравнивающего заряда необходимо проверить напряжение (рисунок 3 а) и плотность электролита всех аккумуляторов батареи (рисунок 3 б).

Заряд производится при постоянном токе, величина которого должна быть не более 5 А в расчете на 100 А·ч номинальной емкости.

Например, для батареи, номинальной емкостью 420 А·ч зарядный ток должен быт не более:

5 × 420/100 = (21±0,2) А

Заряд должен продолжаться до тех пор, пока напряжение элементов батареи не прекратит повышаться в течение двух часов. При этом особенно в конце заряда необходимо следить за температурой электролита. В случае повышения температуры электролита до величины более 45 °С заряд рекомендуется приостановить до снижения температуры электролита ниже 40 °С, после чего продолжить заряд тем же током.

5.2 Поддерживающий заряд.

Поддерживающий заряд, то есть заряд для поддержания батареи в эксплуатационной готовности при зарядном напряжении 2,27 × n В,

где n - количество элементов в батарее.

Например, для батареи, напряжением 48 В (24 элемента) напряжение при поддерживающем заряде должно быть равно

2,27 × 24 = (54,48±0,27) В.

Поддерживающий заряд должен продолжаться до тех пор, пока ток заряда не прекратит повышаться в течение двух часов.

6. Достижение номинальной емкости

Емкость — это основная характеристика для тяговой аккумуляторной батареи. Она характеризует способность батареи при заряде накапливать электрическую энергию, измеренную в ампер-часах (А·ч) которую батарея способна отдать при последующем разряде. Согласно требованиям, приведенным в п. 3.1.2 ГОСТ Р 52846-2007 номинальная емкость тяговых батарей Cн — это исходная величина, заявленная производителем, которая определяется при температуре электролита плюс 30 °С и пятичасовом режиме разряда C5 до конечного напряжения Uк = 1,70 В на аккумулятор. Величину тока разряда Iн вычисляют по формуле:

Iн = 4905 = 24,5 А.

При проведении заряда и определении емкости необходимо использовать измерительные приборы или устройства, соответствующие следующим требованиям:

• для измерения напряжения – вольтметры, класса точности 0,5 или выше с сопротивлением не менее 1000 Ом/В;
• для измерения напряжения – амперметры, класса точности 0,5 или выше; при этом класс точности полной сборки (амперметр, шунт и его выводы) должен быть 0,5 или выше;
• для измерения времени точность приборов должна быть равна ± 1 % или выше;
• для измерения плотности электролита цена деления ареометра не должна превышать 5 кг/м3 (0,005 г/см3);
• для измерения температуры жидкого электролита необходимо использовать приборы, погружаемые в электролит над пластинами (температурный датчик или термометр), при этом градуировка шкалы термометра не должна превышать 1 °С (1 К), а точность датчика или термометра также должна быть равна 1 °С (1 К); при недоступном электролите температуру аккумулятора измеряют прибором, с точностью и градуировкой как для жидкого электролита, который располагают в местах, наиболее точно отражающих температуру электролита, например на одном из выводов в середине батарейной сборки.

Перед определением емкости батарея должна быть полностью заряжена. Заряд обычно проводят при постоянном значении тока, величиной 0,1 C5 до напряжения 2,4 × n, В на батарею. Для улучшения качества заряда рекомендуется после этого уменьшить ток заряда до величины 0,05 C5 и продолжить заряд до достижения постоянства зарядного напряжения и плотности электролита в течение 2 часов.

Плотность электролита после окончания заряда, приведенная к температуре плюс 30 °С должна составлять (1,29 ± 0,005) кг/л (г/см3).

После окончания заряда не ранее, чем через 1 час и не позднее, чем через 24 часа батарею включают на разряд при значении тока, равном 0,2 C5, которое должно поддерживаться с постоянной точностью ± 1% в течение всего времени разряда.

Напряжение на выводах батареи в процессе разряда должно либо автоматически регистрироваться зарядным устройством, либо регистрироваться вручную через равные промежутки времена, например:

• каждые 30 минут до достижения напряжения на батарее 1,8 × n, В;
• каждые 5 минут до достижения напряжения на батарее 1,75 × n, В;
• каждую минуту до конца разряда.

Разряд прекращается при достижении напряжения батареи 1,7 × n, В и время разряда регистрируется.

По окончании разряда, если температура электролита отличалась от стандартной температуры плюс 30 °С, необходимо привести полученное при разряде значение емкости Ср к стандартной температуре. Для этого необходимо произвести корректировку до величины фактической емкости Са с учетом температурного коэффициента при помощи уравнения:

Ca= C1+ 1(t0-tr) ,

Где t0 – начальная температура;
tr – стандартная температура (плюс 30 °С);
λ1 = 0,006 1/°С – температурный коэффициент приведения емкости для пятичасового разряд.

Новая батарея при разряде на первом цикле после первого заряда должна иметь емкость не менее 0,85 Cн, а достигнуть величины 1,00 Cн не позднее 10-го цикла заряд-разряд.

7. Сколько циклов

Свинцово-кислотные аккумуляторы с трубчатой положительной пластиной, имеют срок службы до 1500 циклов заряд-разряд в при испытания лабораторных условиях по методике испытаний, предусмотренной DIN 43539 часть 3. Один цикл — это разряд батареи на 80% номинальной емкости и последующий полный заряд до 100%. (При глубине разряда аккумулятора менее 80%, количество жизненных циклов увеличивается, при глубине разряда аккумулятора более 80% – уменьшается).

После проведения 1500 циклов заряд-разряд остаточная емкость аккумуляторов должна составлять не менее 80% от номинальной.

В реальных условиях количество реально циклов, которые способна обеспечить батарея, как правило, бывает меньше чем в лабораторных условиях т.к. многочисленные факторы воздействия при эксплуатации, ведут к нагрузкам отличным от лабораторных, поэтому в инструкции по эксплуатации обычно указывают 1200 циклов

Основные факторы, имеющие место при эксплуатации, которые приводят к сокращению срока службы:

• частые глубокие (более 80%) разряды;
• повышенные рабочие температуры (более 40 °С);
• заряд недопустимо высоким током после достижения напряжения газообразования (2,4 В/элемент);
• нахождение батареи в разряженном состоянии в течение длительного времени (более одних суток);
• несвоевременный долив дистиллированной воды и снижение уровня электролита ниже верхней кромки сепараторов;
• наличие примесей, попавших в электролит (дистиллированная вода не соответствует требованиям);
• перегрузка батареи или короткое замыкание.

В процессе эксплуатации в связи с естественным износом батареи вследствие процессов коррозии положительных стержневых решеток и постепенной деструкции положительной активной массы происходит постепенное снижение емкости, которую батарея может отдать при разряде.

Определить пригодность батареи для дальнейшей эксплуатации позволяет проведение контрольного разряда батареи для определения её фактической емкости при 5 – часовом разряде.

Разряд проводят как сказано в п. 5 с последующим приведением полученной емкости к температуре + 30 °С. Эксплуатацию батареи можно продолжать до снижения величины емкости Са ниже величины 0,80 Сн.

Судить о степени изношенности аккумуляторов и возможности их дальнейшей эксплуатации также можно по величине напряжения на батарее после 5 часов разряда током пятичасового режима разряда Iн = Cн5. В этом случае эксплуатацию батареи можно продолжать, если в конце разряда в течение 5 часов напряжение на батарее будет больше (1,7 × n), В.

8. Оценка параметров

В процессе эксплуатации необходимо периодически производить контроль основных параметров, характеризующих текущее состояние батареи.

К ним относятся следующие показатели, которые можно контролировать ежедневно перед началом эксплуатации.

8.1 Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) батареи и каждого аккумулятора.

НРЦ – это напряжение на выводах батареи (или аккумулятора) при отсутствии тока в цепи (заряда или разряда).

Наиболее корректно измерение НРЦ через 4 – 6 часов после окончания заряда, когда в электролите завершаются переходные процессы после отключения тока заряда.

У полностью заряженной батареи НРЦ должно составлять не менее (2,12 × n), причем различие между величиной НРЦ каждого из аккумуляторов должно быть в интервале (± 0,01) В.

Если различие величин напряжения аккумуляторов превышает установленный допуск, необходимо произвести уравнительный заряд батареи. Когда это не приводит к выравниванию величины НРЦ требуется проверить величину плотности электролита в отстающих аккумуляторах и при необходимости откорректировать плотность электролита.

8.2 Плотность электролита.

Плотность электролита в каждом из аккумуляторов приведенная, к температуре плюс 30 °С, должна быть равна (1,29 ± 0,01) кг/л (г/см3).

Если различие величин плотности электролита превышает установленный допуск, необходимо:

• в случае повышенной плотности электролита произвести отбор некоторого количества электролита и взамен долить в аккумулятор дистиллированную или деминерализованную воду, после чего включить аккумулятор на заряд при постоянном значении тока из расчета 5 А на 100 А·ч на 30 минут для перемешивания электролита; операцию повторять до тех пор, пока плотность электролита после перемешивания не достигнет заданного значения.
• в случае пониженной плотности электролита произвести дополнительный заряд аккумулятора при постоянном значении тока из расчета 5 А на 100 А·ч для сообщения аккумулятору не менее 10 % его номинальной емкости, после чего повторно измерить плотность электролита; если плотность электролита не повысилась, то вероятно наличие необратимой сульфатации электродов аккумулятора.

9. Правильный долив батареи

Современные тяговые аккумуляторы производятся с пробками, имеющими конструкцию, которая обеспечивает возможность централизованной ручной или автоматической доливки дистиллированной воды в процессе эксплуатации.

В горловинах каждого аккумулятора батареи установлена вентиляционная пробка, которая обеспечивает возможность автоматической доливки воды. В конструкции пробки имеется поплавок с клапаном, который управляет процессом доливки для поддержания оптимального уровня электролита.

При понижении уровня электролита клапан открывается и это обеспечивает возможность для попадания потока воды в каждый аккумулятор. При достижении нужного уровня электролита поплавок всплывает и закрывает клапан. Когда поплавок всплывает и закрывает клапан, на заливочной пробке видна белая точка.

Для того, чтобы измерить плотность электролита необходимо открыть крышку пробки и вставить носик ареометра в предназначенное для этого отверстие в пробке, после чего при помощи груши ареометра произвести набор электролита в колбу. Объем электролита, поступившего в колбу ареометра должен быть достаточным для того, чтобы поплавок ареометра всплыл внутри колбы, как показано на приведенном рисунке 4.

Измеренную плотность электролита приводят к температуре + 30°С. Для этого к показаниям денсиметра должна быть сделана поправка, которая учитывает, что повышение температуры на 1°С приводит к снижению плотности электролита на 0,0007 г/см3, а понижение температуры электролита на 1°С, наоборот, - к увеличению плотности электролита на 0,0007 г/см3 (исходной считается стандартная температура электролита, равная 25°С).

Это позволяет достаточно точно учитывать изменение плотности электролита в зависимости от изменения температуры.

9.1 Использование акваматика.

Использование автоматической системы доливки обеспечивает поддержание номинального уровня электролита батареи.

Доливка воды должна производиться за 1—2 часа до окончания полного заряда. Это необходимо для того, чтобы обеспечить хорошее смешивание долитой воды с электролитом в объеме аккумулятора при заданном уровне электролита. Доливка происходит, после того, как быстроразъемное соединение водяного бака соединяется с быстроразъемным соединением батареи.

Для правильной работы автоматической системы заправки давление воды в системе водопровода перед краном 1 должно быть от 0,2 до 0,6 бар. Если используется сила тяжести, расстояние между верх­ ним краем батареи и нижним краем бака 4 должно быть не менее 2 м.

Вода для доливки должна быть очищена с помощью деминералтизатора согласно DIN 43530­4. (ГОСТ Р МЭК 62877-2) Вода, используемая для доливки в батареи, должна иметь проводимость не более 30 мкСм/см. Бак и все соединительные трубы должны быть очищены перед началом использования системы.

Система подвода трубок, соединяющих пробки отдельных аккумуляторов батареи должна соответствовать электрической схеме соединения аккумуляторов в батарею. Систему нельзя модифицировать никаким образом, иначе могут возникнуть серьезные проблемы с безопасностью или эксплуатацией.

Эксплуатация автоматической системы доливки воды запрещается в условиях, при которых температура окружающего воздуха вовремя эксплуатации постоянно держится ниже 0° С.

При доливке вручную батарея должна соединяться с системой доливки воды, как правило, не чаще 1 раза в неделю. Продолжительность доливки зависит от интенсивности предшествовавшего использования батареи и температуры при ее эксплуатации. В среднем она занимает несколько минут, а ее результат можно проверить по белым индикаторам уровня в каждой пробке.

При автоматической доливке специальный переключатель зарядного устройства выбирает оптимальный момент для начала доливки воды. И в этом случае необходимо соединять батарею с системой доливки воды примерно один раз в неделю. При эксплуатации в несколько смен в течение суток, а также при высоких температурах, интервалы между доливками при ручной, так и при автоматической доливке воды сокращаются.

Соблюдение вышеприведенных рекомендаций по особенностям хранения и эксплуатации свинцово-кислотных тяговых аккумуляторных батарей позволит обеспечить оптимальные условия для надежной работы и максимально возможной долговечности эксплуатации аккумуляторных батарей на средствах напольного транспорта.