Кислотні акумулятори, що застосовуються в сучасній апаратурі, передчасно виходять з ладу в основному через неправильну експлуатацію. Ця стаття дає рекомендації щодо технології оптимальної експлуатації кислотних акумуляторів, які дозволять розробникам створювати електронні пристрої, які ефективно працюють із цим типом джерел енергії.

У сучасній електронній апаратурі широке використання знаходять кислотні акумулятори. Особливо це проявляється у тих випадках, коли від акумулятора вимагається великий розрядний струм. Крім того, кислотні акумулятори мають меншу вартість і менший струм саморозряду в порівнянні з лужними нікель-кадмієвими акумуляторами, які також широко використовуються в електронній апаратурі.

Однак кислотні акумулятори виявляються більш «примхливими» в експлуатації та вимагають до себе більш пильної уваги. Практика показує, що більшість кислотних акумуляторів передчасно виходять з ладу саме від неправильної експлуатації. Тут особливо важливою є правильна технологія заряду кислотних акумуляторів. Відомості, що наводяться в різних джерелах, носять часто уривчастий характер і не дають правильного уявлення про процес заряду. Ті рекомендації, які зазвичай наводяться виробниками в інструкціях з експлуатації, розраховані на використання найпростіших зарядних пристроїв та невисоку акуратність користувачів. Такі найпростіші технології не враховують усіх особливостей фізико-хімічних процесів в акумуляторі і тому не є оптимальними. Оптимальні технології заряду досить трудомісткі і без автоматизації важко здійснити, оскільки у рядового користувача часто немає часу та бажання, щоб методично стежити за багатогодинним процесом заряду та виконувати всі необхідні процедури.

У цій статті автором зроблено спробу, узагальнюючи свій особистий досвід та відомості з різних джерел, виробити рекомендації щодо технології оптимальної експлуатації кислотних акумуляторів.

Існує два основних способи заряду акумуляторів: при постійній напрузі та при постійному струмі. Перший спосіб вважається більш простим та широко використовується для заряду акумуляторів у бортових мережах автотранспорту. Однак при цьому способі заряду напруга вважатимуться постійною лише умовно. Акумулятор за своєю природою є джерелом напруги, тобто в ідеалі має нескінченно мінімальний внутрішній опір і може віддавати нескінченно великий струм, підтримуючи постійну напругу на клемах при будь-якому навантаженні. Тому з'єднувати його паралельно з іншим джерелом напруги, не обмежуючи струм, не можна. Це призведе до неприпустимого зростання струму. На практиці пристрою заряду при постійній напрузі часто використовують для обмеження струму внутрішній опір акумулятора. Тому їхня вихідна напруга обмежена допустимою величиною струму заряду: де — Iз(доп) — допустимий зарядний струм, U — зарядна напруга, Е — е.р.с. акумулятора, R. - внутрішній опір акумулятора.

Це призводить до того, що при постійній напрузі на виході джерела зарядної напруги акумулятор не може бути повністю заряджений. Як правило, його заряд становить близько 70% номінальної ємності. Постійні недозаряди призводять до сульфатації електродів, наслідком якої є підвищення внутрішнього опору та втрата ємності, що зрештою веде до передчасного виходу акумулятора з ладу. При такому способі заряду про ступінь заряду акумулятора можна судити тільки по зміні щільності електроліту, тому що напруга і струм заряду виявляються взаємозалежними, змінюються від багатьох факторів в процесі заряду, і їх вимір не дає однозначних даних про ступінь заряду. А в акумуляторах герметичної конструкції виміряти густину електроліту взагалі неможливо.

Примітка. Місткість акумулятора прийнято позначати буквою С, як будь-яку електричну ємність. Проте вимірюють її не в фарадах, а ампер-часах, що характеризує час розряду при нормованому значенні струму (зазвичай 0,1…0,2С). Час заряду зазвичай більше через втрати. Відношення часу розряду до часу заряду при однаковому струмі характеризує своєрідний ККД акумулятора, що зазвичай становить 0,65-0,80.

Хоча повністю розряджений акумулятор може витримувати струм, що в півтора рази перевищує його власну ємність, не варто вдаватися до цього для зменшення часу заряду. При великих струмах погіршується заряджання суттєво зменшується ємність акумулятора. Це з особливостями перебігу хімічних процесів, у яких виробляється чи накопичується енергія. При заряді великим струмом температура акумулятора досягає гранично допустимого значення раніше, ніж він встигне повністю зарядитись. Практично при струмі 0,7С тривалість заряду має бути більше 30 хв, при струмі 0,5С — 45 хв, при струмі 0,3С — 90 хв. І виходити за ці межі не рекомендується. При таких струмах необхідно контролювати температуру електроліту та не допускати, щоб вона перевищувала 45 °С. Систематичне використання великих струмів для прискорення заряду помітно скорочує термін служби акумулятора.

Деякі фірмові вироби, наприклад, портативні свердлильні машини, мають у своєму комплекті зарядні пристрої, які діють подібним чином, тобто виробляють форсований заряд. Це зрештою призводить до прискореного зносу акумуляторів і змушує користувачів частіше купувати нові, приносячи виробникам додатковий прибуток.

Заряд акумулятора постійним струмом знімає ряд проблем, властивих заряду постійною напругою. Зазвичай рекомендований струм заряду у разі становить 0,1С. При такому струмі акумулятор не перегрівається, а напруга на його клемах набагато менше схильна до впливу сторонніх факторів. Тому по зміні цієї напруги можна судити про рівень зарядженості акумулятора. А це набагато зручніше, ніж вимірювання густини електроліту. Заряд постійним струмом дозволяє заряджати акумулятор до 100%, так як напруга на ньому обмежується тільки за рахунок фізико-хімічних процесів, що відбуваються в акумуляторі. При цьому на заключній стадії заряду відбувається десульфатація електродів за рахунок електрохімічного розкладання сульфату свинцю. Тому за інших рівних умов заряд акумуляторів при постійному струмі дозволяє помітно продовжувати термін їхньої служби та може бути рекомендований як профілактичний у тих випадках, коли в штатних режимах експлуатації відбувається заряд при постійній напрузі (наприклад, на транспортних засобах).

Розглянемо процеси, які відбуваються у акумуляторі під час заряду.

Акумулятор може бути представлений еквівалентною схемою електричної заміщення, показаної на мал. 1. На цьому ж малюнку показано зовнішнє джерело струму, що використовується для заряду. Тому вважатимемо, що протягом усього часу заряду струм не змінюється.

На мал. 2 графічно показаний процес заряду. Червоний колір показує зміну напруги на акумуляторі в процесі заряду. Синім кольором показано зміну власної е.р.с. у процесі заряду, процес заряду можна розділити на чотири основні стадії.

У вільному стані напруга на клемах акумулятора дорівнює його власної е.р.с. Після включення зарядного струму відбувається стрибок цієї напруги на величину омічних втрат (точки 1-2) і починається перша стадія заряду, де відбувається заряд еквівалентної ємності поляризації і стабілізація розподілу концентрації електроліту поблизу електродів (точки 2-3).

На другій стадії (точки 3-4) відбувається відновлення активної маси від поверхні вглиб електродів, збільшується щільність електроліту та напруга на акумуляторі. Коли майже вся активна маса електродів виявиться відновленою, напруга на акумуляторі досягає 2,3 Ст.

Примітка. Тут і далі вказується напруга одного акумулятора (однієї «банки»). Якщо говорити про батареї, то зазначені напруги потрібно множити на кількість акумуляторів у батареї.

Після цього (третя стадія, точки 4-5) зарядний струм починає частково, а потім повністю витрачатися на розкладання води на водень та кисень. Момент початку газовиділення відзначений на рис. 2 точкою 4. При цьому напруга на акумуляторі починає різко підвищуватися і може досягти 2,7 В, так як для розкладання води потрібна вища напруга.

Після досягнення зазначеної величини напруга на акумуляторі перестає зростати, і процес перетворюється на четверту стадію. На цій стадії (точки 5-6) напруга залишається постійною. Спостерігається рясне виділення газу, яке зазвичай називають кипінням електроліту. Відбувається остаточне відновлення глибинних шарів активної маси електродів та електричне розкладання сульфату свинцю. При струмі заряду, що дорівнює 1/10 номінальної ємності акумулятора, цей процес триває 2-3 години. Якщо ведеться заряд акумуляторної батареї, то на цій стадії відбувається вирівнювання щільності електроліту в різних акумуляторах, так як в електроліті з меншою щільністю вода розкладається активніше.

Примітка. У герметичних, так званих «необслуговуваних», акумуляторах вжито спеціальних заходів, щоб при рекомендованому струмі заряду точка газовиділення знаходилася за межами зарядної характеристики, тобто взагалі не відбувалося газовиділення.

Після завершення четвертої стадії зарядний струм вимикають. Напруга на акумуляторі стрибком зменшується на величину омічних втрат (точки 6-7), після чого відбувається розряд ємності поляризації на опір поляризації. При цьому напруга на електродах акумулятора поступово зменшується, поки не досягне значення власної рівноважної е.д.с. приблизно дорівнює 2,1 В (точки 7-8). Значення рівноважної е.р.с. визначається різними чинниками, зокрема щільністю електроліту, досягнутої у процесі заряду. Цей період (хоча він і не є зарядом, тому що зарядний струм відключений) можна умовно вважати п'ятою стадією, тому що на цій стадії продовжуються процеси, характерні для заряду - вирівнювання густини електроліту у електродів і між ними.

На практиці перебіг зарядних процесів та їх тривалість можуть виглядати дещо інакше, оскільки вони залежать від струму заряду, температури, ступеня розрядженості акумулятора та його загального стану.

Після розгляду особливостей зарядного процесу видно, що широко відомі так звані автоматичні зарядні пристрої не забезпечують оптимальної зарядки та збереження акумулятора, тому що одні з них просто витримують зарядний струм певний час, а потім відключають або знижують, інші відключають зарядний струм після досягнення певної величини напруги на акумуляторі. У першому випадку не враховується ступінь початкової зарядженості акумулятора, що в більшості випадків призводить до перезаряду, википання електроліту та псування акумулятора. У другому випадку ніколи не досягається четверта стадія (100% заряд), так як поріг відключення встановлюється нижче за точку 5 (рис. 2), а бажання максимально підвищити цей поріг призводить до того, що відключення може взагалі не відбутися, оскільки положення точки 5 залежить від індивідуальних особливостей кожного акумулятора, температури та струму заряду.

Виходячи зі сказаного, можна виробити рекомендації, яким повинен відповідати автоматичний зарядний пристрій, здатний забезпечити оптимальний заряд та збереження акумулятора:

1. Для заряду акумулятора необхідно використовувати джерело струму. Причому його максимально можлива вихідна напруга повинна перевищувати напругу акумуляторної батареї (з розрахунку >2,7В х N, де N — кількість акумуляторів в батареї).
2. Перед початком заряду акумулятор бажано (але не обов'язково) розрядити струмом 0,1С до напруги 1,81-1,83 В.
3. У процесі заряду слід стежити за абсолютним значенням напруги на акумуляторі, а характером його зміни. Після досягнення III стадії воно почне досить швидко зростати, а потім це припиняється. Якщо після проходження III стадії напруга залишатиметься незмінним або знизиться на частки вольта протягом 15-30 хв, це означатиме, що з даного акумулятора досягнуто IV стадія заряду. Залежно від необхідності десульфатації процес заряду цієї стадії можна або відразу припинити, або продовжувати протягом 2-3 годин.
4. Після закінчення заряду зарядний струм може бути повністю вимкнений. Однак, щоб акумулятор завжди був у повній готовності зі 100% зарядом, зарядний струм потрібно не відключати, а зменшити до величини, необхідної для компенсації саморозряду. Для кожного акумулятора ця величина може бути різною. Вона повинна бути такою, щоб при протіканні струму напруга на акумуляторі знаходилася в межах 2,13-2,16 В. У такому режимі «сплячого» акумулятор може знаходитися скільки завгодно без згубних наслідків і завжди бути в стані повної готовності.
5. Для профілактики, усунення сульфатації електродів і відновлення ємності акумулятора необхідно періодично виробляти так звані тренувальні зарядно-розрядні цикли. Для проведення такої процедури акумулятор повинен бути розряджений струмом 0,1С до напруги 1,81-1,83, а потім відразу заряджатися до точки 6 (рис. 2). Потім акумулятор знову повністю розряджається та повністю заряджається. Таких циклів може бути проведено декілька. На кожному циклі розряду вимірюється час розряду та обчислюється ємність акумулятора. Якщо поточна ємність виявилася більшою за попередню, то тренувальні цикли доцільно продовжувати доти, доки не буде досягнуто максимального результату. Тут потрібно зробити важливе зауваження. Справа в тому, що більшість сучасних зарядних пристроїв з вихідним струмом більше 2-3 А будуються поки що на базі тиристорних випрямлячів, що регулюються. Зарядний струм, що отримується від таких випрямлячів, є послідовністю імпульсів, у яких в процесі регулювання змінюються амплітуда, форма і шпаруватість.

Тим часом вимірювачі зарядного струму, що застосовуються в таких пристроях, як правило, вимірюють середнє значення цього струму, яке в даному випадку може в кілька разів відрізнятися від чинного значення. А саме діюче значення імпульсного зарядного струму характеризує енергію, що передається акумулятору, так як, за визначенням, значення струму будь-якої форми, що діє, дорівнює за величиною постійному струму, який виділяє таку ж потужність на тому ж опорі.

При цьому, крім можливого псування акумулятора, буде складатися неправильне уявлення про його ємність, оскільки він зарядиться набагато швидше, ніж належить. Тому при проектуванні зарядних пристроїв, які використовують імпульсний струм, необхідно звертати на це увагу та вимірювати чинне значення струму заряду.

У багатьох зарядних пристроях, що використовують імпульсні струми, передбачений режим асиметричного струму, коли акумулятору, що паралельно заряджається, підключається навантаження, через яку він розряджається в проміжках між зарядними імпульсами. Те, що такий режим сприяє десульфатації електродів, — сумнівно. Як було розглянуто вище, розкладання сульфату свинцю відбувається на четвертій стадії заряду. При заряді асиметричним струмом акумулятор отримує так звані електричні удари, які сприяють «струсу» частинок сульфатної плівки з поверхні електродів, а не розкладання сульфату. При цьому засмічується електроліт та утворюється осад, який через деякий час (при частому використанні подібного методу) замикає електроди та збільшує струм саморозряду.

Слід пам'ятати, що процес розряду також важливий для збереження акумулятора, як процес заряду. Номінальна ємність акумуляторів, крім особливих випадків, регламентується струму розряду 0,1С за нормальної температурі. При розряді великими струмами ємність акумулятора зменшується. Так, при розряді струмом, близьким до, ємність може зменшуватися до 50% від номінальної. У разі зниження температури ємність акумулятора також зменшується. Це зменшення становить приблизно 1%/°С. У обох випадках зменшення ємності пов'язані з обмеженістю швидкості протікання хімічних процесів, у яких виробляється енергія. Цю властивість необхідно враховувати при проектуванні пристроїв, у яких акумулятор передбачається використовувати при підвищених струмах розряду, наприклад, у пристроях безперебійного живлення.

У ході розряду знижується щільність електроліту через пасивацію кислоти сульфатом свинцю. Починаючи з певного моменту ці хімічні перетворення стають незворотними і призводять до псування електродів. Тому не можна допускати розряд акумулятора нижче 1,8 В, а також залишати його в розрядженому стані на тривалий час.

Досвід показав, що дотримання наведених рекомендацій дозволяє збільшити термін служби акумулятора приблизно в півтора рази при експлуатації на великих розрядних струмах. При струмах розряду, що не перевищують 0,2С, термін служби може бути збільшений у кілька разів. Тут, звичайно, не йдеться про ті акумулятори, у яких активна маса обсипається сама собою через неякісне виготовлення.