Аккумулятор – это химический источник тока многократного действия. Он способен накапливать, длительно сохранять и отдавать по мере надобности электрическую энергию, полученную от внешнего источника постоянного тока.

Во время заряда, когда внешний источник постоянного тока подключен к аккумулятору, электрическая энергия этого источника превращается в химическую энергию активных веществ, входящих в состав аккумулятора. При разряде, когда внешний источник отключен, а аккумулятор замкнут на сопротивление нагрузки, химическая энергия, накопленная в аккумуляторе, вновь преобразуется в электрическую энергию, которая расходуется нагрузкой. Аккумулятор состоит из положительной и отрицательной пластин, активная часть которых погружена в раствор электролита (водного растовора серной кислоты). Первоначальным материалом положительных и отрицательных электродов аккумулятора является свинец. После заряда аккумулятора на положительном электроде образуется активная масса – двуокись свинца (PbO₂), а на отрицательном – губчатый свинец (Pb). Когда аккумулятор заряжен, концентрация серной кислоты в растворе высокая, т.е. электролит имеет повышенную плотность. Разряд аккумулятора представляет собой электрохимический процесс, при котором двуокись свинца и губчатый свинец превращаются в сульфат свинца (PbSO₄).

Химическая реакция, происходящая в акумуляторе, описывается уравнением:

В процессе заряда сульфат свинца на отрицательных пластинах восстанавливается до губчатого свинца, а на положительных пластинах превращается в двуоксиь свинца. При этом образуется серная кислота и расходуется вода. Концентрация кислоты, т.е. плотность электролита, повышается. Если заряд продолжать дальше, то весь зарядный ток будет расходоваться на разложение воды с бурным выделением образующихся газов - водорода и кислорода.

Электрические харктеристики аккумуляторов

1. Емкость аккумулятора – это количество электричества, которое можно получить от аккумулятора в определенных условиях разряда.

Номинальная емкость аккумуляторов приведенная к условному 10-часовому режиму разряда и температуре среды 20^оС зависит от ряда факторов: тока разряда I_р, времени разряда t_р и соответствующего ему коэффициента отдачи по емкости h_Q, температуры окружающей среды t_ср:

Значения коэффициента отдачи по емкости h _Q приведены в таблице. В таблице указаны также коэффициенты кратности тока h_i, определяющие превышение разрядного тока приведенной величины в 10-часовом режиме разряда (h_i=I_р/ I_р10).

2. Номинальное напряжение аккумулятора – это напряжения на выводах полность заряженнного исправного аккумулятора в течение первого часа разряда током 10 – часового режима разряда при температуре электролита 20°С (U_ЭЛ.НОМ =2 В).

Количество элементов в батарее определяется отношением:

В процессе заряда и разряда аккумуляторов напряжение элемента изменяется на ±0,2…0,22 В.

3. Напряжение в конце разряда равно U_ЭЛ.КЗ=(1,75…1,8)В. При разряде аккумулятора токами, превышающими ток 10 – часового режима разряда, напряжение в процессе разряда будет понижаться быстрее, чем в 10 - часовом режиме и дойдет до уровня 1,8В, когда с аккумулятора еще не снята номинальная емкость. В таких случаях показателем окончания разряда является величина напряжения элемента.

4. Величина напряжения при заряде должна быть больше ЭДС, так как зарядному току приходится преодолевать внутреннее сопротивление аккумулятора: U_ЗАР=E+I_З×R_ВН =(2,3…2,35)В.

5. Внутреннее сопротивление аккумулятора R_ВН складывается из сопротивления аккмуляторных пластин, сепараторов и электролита. Внутреннее сопротивление увеличивается по мере разряда в силу уменьшения плотности элетролита, а также в связи с образованием сульфата свинца. Омическое сопротивление полностью заряженного аккумулятора составляет примерно 0,0036 Ом, а в состоянии полного разряда – 0,007 Ом.

6. Плотность электролита заряженного аккумулятора составляет (1,25…1,3) г/ см³ , в состоянии разряда – 1,05 г/ см³.

Современные типы аккумуляторов

Закрытые негерметичные аккумуляторы (ЗНА) выпускают в настоящее время ряд зарубежных фирм. Основными представителями рынка негерметичных аккумуляторов для электросвязи являются CHLORIDE inc., VARTA GmbH, HAGEN GmbH, YUASA Corp., OLDHAM France.

Конструкция (ЗНА) предполагает технологию изготовления, сходную с открытыми аккумуляторами, но обеспечивающую пониженное испарение воды. Газы, выделяющиеся при заряде-разряде собираются в резервуаре над слоем электролита.

Широкое распространение на практике получила “прозрачная” конструкция кислотных аккумуляторов. Она практически едина для разных фирм-изготовителей. Корпус аккумулятора изготавливается из прозрачного ударопрочного материала, в верхней части корпуса имеется транспортная (заливная) пробка. В закрытом состоянии эта пробка обеспечивает газообмен внутренней полости аккумуляторного элемента с окружающей средой. После извлечения пробки обеспечивается доступ к поверхностному слою электролита и к верхним частям пластин.

Благодаря описанной конструкции возможно:

• визуально контролировать уровень электролита в каждом элементе батареи и его чистоту;

• определять сульфатацию торцов пластин;

• наблюдать “кипение” электролита при заряде;

• ареометром проверять плотность электролита;

• делать отбор электролита на лабораторный анализ

Тем не менее не представляется возможным наблюдать сульфатацию и коробление внутренних пластин, сравнивать и измерять, делать анализ глубинных слоёв электролита, хотя в технических описаниях указывается, что состав электролита, сульфатация и деформация пластин внутри объёма аккумуляторного элемента различны.

Все ЗНА можно условно разделить на два типа:

А) Конструкция с избыточным объёмом электролита –обеспечивает запас на “выкипание”, так что долив электролита необходим примерно 1 раз в год.

Б) Конструкция с доливом воды –аналогична закрытой конструкции, но предполагает в дополнение наличие резервуара с дистиллированной водой, снабжённого мерным клапаном. При понижении уровня электролита клапан открывается и происходит пополнение аккумуляторного бака. Плотность электролита при этом не регулируется, и, вследствие частичной летучести серной кислоты, происходит разбавление электролита.

Все современные негерметичные конструкции не рассчитаны на разборку и ремонт. Вскрытие возможно лишь путём нарушения целостности корпуса с опасностью последующего протекания электролита.

Герметичные аккумуляторы с рекомбинацией газа

Наличие отмеченных выше недостатков “классических” аккумуляторов привело к созданию герметичных аккумуляторов (ГА) с рекомбинацией газа и регулированием газовыделения. В зарубежной литературе они получили название VRLA (Valve Regulated Lead Acid). В настоящее время, благодаря новым техническим решениям, ГА обладают в 8…9 раз большей энергией на единицу массы по сравнению с открытыми.

Конструкция герметичных аккумуляторов

В отличие от негерметичных ГА изготавливаются из непрозрачной пластмассы. На верхней крышке расположены выходные клеммы и регулирующий клапан (Valve). Часто регулирующий клапан скрыт декоративно-защитной панелью и обнаружить его трудно. Регулирующий клапан имеет принципиальное отличие от пробки негерметичного аккумулятора, хотя в некоторых моделях выглядит как заливная пробка.

Следует отметить, что замена и пополнение электролита в ГА невозможны, равно как и контроль плотности электролита и сульфатации пластин. В этом смысле герметичные аккумуляторы относятся к “безуходным”, неремонтопригодным элементам.

Регулирующий клапан осуществляет одностороннее пропускание газов из бака аккумулятора наружу, но препятствует проникновению газообразных и иных примесей внутрь бака. Избыточное давление, создаваемое внутри бака регулируется клапаном и способствует протеканию процессов рекомбинации газа. Кроме того, клапан выполняет защитную функцию – предохраняет бак от разрушения повышенным внутренним давлением при кипении электролита.

ГА различаются способом абсорбции (связывания) электролита и газов. Из анализа технических описаний герметичных аккумуляторов таких фирм как YUASA, CHLORIDE, VARTA, HAGEN, OLDHAM France, выделено два типа связывания электролита:

А) Пропитка микропористого (стекловолоконного) сепаратора (МС) сернокислотным электролитом. Капиллярная структура сепаратора предотвращает вытекание электролита. По такому принципу строятся аккумуляторы фирм OLDHAM France, YUASA и CHLORIDE.

Б) Электролит с желеобразным силиконом, нетекучей, вязкой консистенции. Сепаратор в этом случае изготавливается аналогично “классическим” аккумуляторам. По такому принципу строятся аккумуляторы VARTA и HAGEN.

Стекловолоконный МС плотно прилегает к пластинам и препятствует их осыпанию, выполняя роль “опалубки” для активной массы.

Желеобразный электролит используется совместно с сепараторами сетчатой или гофрированной конструкции, поэтому процессы осыпания пластин в желейных (гельных) аккумуляторах более интенсивны. Технологически желе-технология более дешева, однако, технические характеристики аккумуляторов уступают элементам с микропористым сепаратором.