Типы и устройство аккумуляторов

Одним из источников электрической энергии постоянного тока на большинстве предприятии связи являются элементы, батареи и аккумуляторы. Элементы бывают марганцево-цинковые, ртутно-цинковые и литиевые. Батареи: литиевые, никель-кадмиевые негерметичные, никель-кадмиевые герметичные и серебряно-цинковые, никель-лантановые и никель-кадмиевые. Аккумуляторы: серебряно-цинковые, никель-кадмиевые негерметичные, никель-кадмиевые герметичные.

Наиболее часто в мобильных устройствах (ноутбуки, мобильные телефоны, ПК и другие) применяют литий - ионные (Li-ion) аккумуляторы. Это связано с их преимуществами по сравнению с широко использовавшимися ранее никель- металлгидридными (Ni-MH) и никель-кадмиевыми (Ni-Cd) аккумуляторами.

У Li-ion аккумуляторов значительно лучшие параметры. Однако следует учитывать, что Ni-Cd аккумуляторы имеют одно важное достоинство: способность обеспечивать большие токи разряда. Это свойство не является критически важным при питании ноутбуков или сотовых телефонов (где доля Li-ion доходит до 80% и их доля становится все больше и больше), но существует достаточно много устройств, потребляющих большие токи, например всевозможные электроинструменты, электробритвы и т.п. До сих пор эти устройства являлись вотчиной почти исключительно Ni-Cd аккумуляторов.

Никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы по своей конструкции являются аналогами никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов, а по электрохимическим процессам - никель-водородных аккумуляторов. Удельная энергия Ni-MH аккумулятора существенно выше удельной энергии Ni-Cd и водородных аккумуляторов.

Таблица – 5.1

Сравнительные характеристики аккумуляторов

Параметры	Ni-Cd Никель-кадмиевые	Ni-H2 Никель-водородные	Ni-MH Никель-металло гидридные
Номинальное напряжение, В	1,2	1,2	1,2
Ток разряда максимальный, в А	10С	-	4С
Ток заряда максимальный, в А	20С	-	6С
Емкость Аh, в Ампер*час
Удельная энергия: Втч/кг Втч/л	20-40	40-55	50-80
60-120	60-80	100-270
Срок службы: Годы циклы	1-5	2-7	1-5
200-1000	2000-3000	500-2000
Саморазряд, %	20-30 (за 28 сут)		20-30 (за 28 сут)
Рабочая температура, 0С	-50-+60	-20-+30	-40-+60

Большой разброс некоторых параметров в таблице вызван различным назначением (конструкциями) аккумуляторов.

Основные процессы Ni-MH аккумуляторов. В Ni-MH аккумуляторах в качестве положительного электрода используется электрод, как и в никель – кадмиевом аккумуляторе, а электрод из сплава никеля с редкоземельными металлами, поглощающий водород, используется вместе отрицательного кадмиевого электрода.

На положительном оксидно – никелевый электроде Ni-MH аккумулятора протекает реакция:

Ni(OH)₂ +OH→NiOOH +H₂O+e^-(заряд)

NiOOH + H₂O +e → Ni(OH)₂ + OH^-(разряд)

На отрицательном электроде металл с абсорбированным водородом превращается в металлгидрид:

M +H₂O+e^-→MH +OH^{- -}(заряд)

MH +OH ^-→M+ H₂O+e^-(разряд)

Общая реакция в Ni-MH аккумуляторе записывается в следующим виде:

Ni(OH)₂ +M→NiOOH +MH^-(заряд)

NiOOH + MH → Ni(OH)₂ + M^-(разряд)

Кислотным свинцовым аккумулятором называется гальванический элемент, в котором активным веществом по­ложительного электрода служит двуокись свинца, а отрицательного – губчатый свинец.

Выпускаются не менее 45 разновидностей аккумуляторов с емкостью от 36 до 5328 А*ч. В условном обозначении аккумуляторов типов С и СК буква С обозначает «стационарный», буква К – пригодность аккуму­лятора для коротких режимов разряда большими токами. Аккумуляторы, имеющие в условном обозначении бу­кву К, отличаются тем, что у них соединительные шины между выводами имеют большое сечение. Аккумуля­торы от С – 1до С – 4 выполняются с соединительными шинами, допускающие короткие режимы разряда. Буква «з» указывает, что аккумулятор собран в эбонитовом баке. Число, стоящие вслед за буквами, указывает номер аккумулятора, умножение которого на число 36 дает значение номинальной емкости при 10-часовом режиме разряда.

Условное обозначение аккумулятора типа СН, которые выпускаются емкостью от 40 до 800 А*ч, расшифровы­вается следующим образом: С – стационарный, Н – платины пастированной конструкции. После­дующее в наименовании число указывает номер аккумулятора, получающий как частное деление номинальной емкости на число 40. Каждый свинцовый аккумулятор собирается в баке, изготовленный из кислотоупорного материала.

Аккумуляторы заливают электролитом, который состоит из водного раствора и серной кислоты. Для первоначальной заливки в новые аккумуляторы типов С, СК и СН применяется электролит с удельным весом (плотностью) 1180 кг/см³ при температуре +25⁰С. Полностью заряженные аккумуляторы типов С и СК имеют электролит плотно­стью 1210 кг/м³, а типа СН – 1220 кг/м³. одинаковый в проценте соотношении электролита при различной темпе­ратуре обладает разной плотностью, поэтому для его характеристики необходимо указывать температуру. Плот­ность воды при температуре +15⁰С принято равной единицы.

Дистиллированная вода должна отвечать требование ГОСТ 6709-72. требование к ней по допустимости вредных примесей гораздо выше, чем к аналогичным требованием, предъявляемым к серной кислоте, поскольку в про­цессе эксплуатации расход воды в 10-15 раз превышает объем расходуемой кислоты. Дистиллированную воду следует хранить в закрытых стеклянных, полиэтиленовых или фторопластовых сосудах.

Электрические характеристики кислотных (свинцовых) аккумуляторов рассмотрим химические реакции при разряде и заряде кислотных (свинцовых) аккумуляторов. В растворе элек­тролита происходит распад некоторой части молекул на положительные ионы водорода и отрицательные ки­слотного остатка. При разряде аккумулятора губчатый свинец отрицательного электрода вступает в реакцию с ионами кислотного остатка серной кислоты, в результате чего отрицательном электроде освобождается сульфат свинца и воды. При разряде под действием электрического тока внешнего источника на отрицательном элек­троде восстанавливаются губчатый свиней, в результате чего в растворе повышается содержание серной ки­слоты. Таким образом, суммарный процесс в свинцовом аккумуляторе при его разряде и заряде можно выразить уравнением

Электродвижущую силу Е свинцового аккумулятора с достаточной для практики точностью можно подсчитать по формуле Е=0,85+d₂₅*10^-3, где d₂₅ - плотность электролита при +25⁰С. Установившиеся значение ЭДС полно­стью заряженного аккумулятора составляет 2,06 В и разряженного 2,02…2,03 В. Однако значение ЭДС не может служить достоверным показателем разряженного аккумулятора. Наиболее достоверным показателями состояние аккумулятора являются значения отдаваемой емкости и плотности электролита.

Номинальным режимом разряда, при котором аккумуляторы отдают номинальную емкость, считается 10- часо­вой режим. Номинальное напряжение аккумуляторов типов С, СК и СН принимается равным 2 В. Это наимень­шее напряжение полностью заряженного аккумулятора в течение первого часа разряда током 10-часового ре­жима разряда при температуре раствора электролита +25⁰С. В таблице 5.7 приведены данные о значениях емко­сти аккумуляторов типов С и СК, которая может быть снята при различных разрядных токах. В таблице 5.8 при­ведены данные аккумуляторов типов СН.

Эксплуатация кислотных (свинцовых) аккумуляторов, собранных в батареи на различные номинальные напряжения, является режимом постоянного подзаряди. При наличии источника питания электроэнергией, например, сети переменного тока, питание аппаратуры связи и подзарядки батареи осуществля­ются от выпрямителя. При отключении сети переменного тока начинается разряд батареи, который продолжается до восстановления напряжения переменного тока или отдачи емкости аккумуляторов. После вос­становления напряжения переменного тока буферный выпрямитель одновременно питает аппаратуру связи и заряжает аккумуляторную батарею.

Типы и устройство щелочных аккумуляторов по сравнению с кислотными имеют ряд особенностей, из-за которых эти аккумуляторы не нашли широкого применения в системе связи. К указанным особенностям в первую очередь относят широ­кие пределы изменения напряжения, которые наблюдаются в процессе их эксплуатации, значительная величина внутреннего сопротивления аккумуляторов и меньший срок службы.

Электрические характеристики щелочных аккумуляторов. Одним из основных показателей состояния щелочных аккумуляторов является значение Э.Д.С., у заряженных ак­кумуляторов она равна 1,5 В. Электродвижущая сила разряженных аккумуляторов составляет 1,3 В и резко сни­жается при температурах, близких к нулю по шкале Цельсия, оставаясь в диапазоне положительных температур практически постоянной. Напряжение постоянного подразряда, которое требуется поддерживать на полностью заряженных щелочных аккумуляторах в эксплуатационных условиях, должно составлять 1,58…1,60 В. Номинальное разрядное напря­жение щелочных аккумуляторов принимается равным 1,25 В.Напряжение во время разряда в определенной степени зависит от разрядного тока и снижается при больших раз­рядных токах. Однако длительная эксплуатация щелочных аккумуляторов при предельной температуре приводит к поврежде­нию положительных электродных пластин. Также вредны режимы разряда аккумуляторов малыми токами.

На предприятиях связи щелочные аккумуляторы применяются в основном для электропитания аппаратуры в сельских областях. Режим эксплуатации предусматривает содержание батареи на отдельных шинах в отключен­ном от нагрузки состоянии. Напряжение выпрямителя содержания выбирается из расчета, что на одном акку­муляторе должно быть 1,58…1,60 В. При отключении основного выпрямителя, питающего аппаратуру связи, батарея подключается к нагрузке. Время перерыва в подаче питания определяется скоростью срабатывания ком­мутирующего устройства и на малых АТС не превышает 0,2 с.