Формировка автомобильных стартерных аккумуляторов

Использование устройства эффективной зарядки "СВЭЛ энержи" в процессе начальной формировки стартерных автомобильных АКБ позволяет в три раза снизить энергозатраты и обеспечить очень малый уровень газовыделения, а также существенно улучшает зарядно-разрядные характеристики АКБ.

В течение апреля-июня 2012 г. в лаборатории ООО «СВЭЛ энержи» проводились эксперименты по формировке стартёрных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (АКБ) с помощью устройства эффективной зарядки аккумуляторов «СВЭЛ-УЭЗ». Для экспериментов были выбраны три неотформированных АКБ «Зверь» с намазными пластинами паспортной ёмкостью 77 Ач, производства Свирского аккумуляторного завода.

Заводские ТУ предусматривают следующий режим формировки АКБ «Зверь 77»:

• Заливка (при комнатной температуре 25°С) 5.4 кг электролита плотностью 1,22 г/мл;
• Пауза 40-60 минут (в течение которых происходит экзотермичная реакция сульфатации активной массы АКБ, сопровождающаяся нагревом АКБ до 70°С и выше);
• Гальваностатическая зарядка АКБ (ступенчатым током 17/14/10А в течение 30 часов); суммарная ёмкость, отданная в АКБ в ходе формировки, составляет 430 Ач;
• Плотность электролита по окончании формировки составляет 1.27-1.28 г/мл;
• Процесс формировки характеризуется обильным газовыделением и высокой температурой АКБ, что требует наличия мощной вытяжной вентиляции и системы водяного охлаждения АКБ;
• Полная ёмкость (её максимальное значение достигается на 2-3 зарядно-разрядном цикле) сформированных типовым способом АКБ составляет 77–80 Ач.

Эксперименты по формировке АКБ «Зверь 77» с применением устройства «СВЭЛ-УЭЗ» проводились следующим образом:

• Формировка АКБ №1 производилась комплексным методом. Сначала, после заливки электролита, осуществлялась зарядка АКБ через УЭЗ падающим током 0.1С (7.7А); затем (после того, как плотность электролита достигла величины 1,22 г/мл и перестала повышаться), была произведена дозарядка АКБ постоянным током 14А (без использования УЭЗ), чтобы путём барботажа повысить плотность электролита и приблизить ее к паспортным значениям.
• Начальная плотность заливаемого электролита составляла 1.22 г/см3 (в соответствии с заводскими ТУ), В связи с тем, что заливка электролита в АКБ и последующая формировка производились при низких температурах АКБ, электролита и водяной «бани» (<10ºC), плотность электролита по окончании формировки оказалась ниже паспортной. Это указывает на то, что в данных условиях химическая реакция сульфатации активной массы н начальном этапе формировки прошла не до конца.
• После разрядки сформированной АКБ №1 были проведены еще 4 зарядно-разрядных цикла. Несмотря на то, что зарядка осуществлялась без использования устройства СВЭЛ-УЭЗ (постоянным током 0.1С, что соответствует штатным условиям зарядки АКБ «Зверь 77»), газовыделение, особенно в первые 8-9 часов зарядки, оказалось чрезвычайно низким; емкость, отданная в АКБ при зарядке, не превышала 100 Ач. Полная емкость АКБ (при разрядке постоянным током 0.05С) уже на 3-м цикле была доведена до паспортной. В следующем цикле был проведен эксперимент по ускоренной зарядке АКБ постоянным током 20А (0.3С). Зафиксировано заметное снижение полной разрядной емкости АКБ, (предположительно, вследствие деградации положительного электрода АКБ данного типа, не рассчитанного на столь большие токи). После этого, эксперименты с АКБ №1 были прекращены.
• Формировка АКБ №2 осуществлялась с учетом опыта, полученного при формировке АКБ №1, при соответствующей заводским ТУ температуре АКБ и электролита и повышенной (1,24 г/мл) начальной плотности электролита. Емкость, отданная в процессе формировки с использованием устройства СВЭЛ-УЭЗ, не превышала 150 Ач, что в 2.8 раза ниже, чем при заводском способе формировки. Газовыделение в процессе формировки практически отсутствовало.
• Емкость, снятая при разрядке АКБ непосредственно после формировки, оказалась существенно ниже паспортной. Это обусловлено низкой плотностью электролита по окончании формировки (1,24 г/мл); при этом мы намеренно отказались от ее искусственного повышения (что было сделано в случае с АКБ №1). В ходе каждого из последующих зарядно-разрядных циклов с использованием устройства СВЭЛ-УЭЗ снимаемая емкость существенно увеличивалась, и уже к 4-му циклу достигла паспортной. Несмотря на то, что, начиная с 8-го цикла, устройство СВЭЛ-УЭЗ более не применялось (зарядка осуществлялась постоянным током 0.1С), а емкость, отдаваемая при зарядке, в среднем составляла 130 Ач, полная разрядная емкость к 8-10-му зарядно-разрядным циклам достигла 87 Ач, что на 13% выше, чем паспортная емкость АКБ «Зверь 77»;
• При работе с АКБ №3, в отличие от двух предыдущих АКБ, устройство СВЭЛ-УЭЗ применялось только при формировке; во всех последующих зарядно-разрядных циклах зарядка производилась током 0.1С (соответствует заводскому режиму зарядки) от обычного источника стабилизированного постоянного тока (Mastech HY 3030E). Несмотря на это, уже после 3 циклов снимаемая с АКБ емкость достигла 83 Ач, а в 12-м цикле превысила 85 Ач (что на 11% больше паспортной емкости).
• В процессе испытаний АКБ №№1-3 производились опыты по оптимизации начальной плотности электролита. Было установлено, что процесс формировки АКБ при использовании устройства «СВЭЛ-УЭЗ» протекает совершенно иначе по сравнению со штатным методом формировки. Так, в соответствии с заводскими ТУ, недопустимо заливать в АКБ электролит с плотностью более 1.22 г/мл (поскольку это приводит к очень быстрому повышению зарядного напряжения, следствием чего является повышенное газообразование и чрезмерный разогрев АКБ). Использование устройства «СВЭЛ-УЭЗ» позволяет эффективно и почти без газообразования заряжать АКБ даже при начальной плотности электролита 1.28 г/мл и более. Благодаря этому, не требуется давать большой перезаряд для выравнивания конечной плотности электролита и ее повышения до паспортного значения 1.28 г/мл.

• Измерение полной ёмкости АКБ производилось методом разрядки на постоянное сопротивление при среднем разрядном токе 0.05С (3.85А). Поскольку типовые разрядные характеристики АКБ, как правило, получены при разрядке постоянным током, были проведены калибровочные испытания. АКБ №3 была дважды заряжена в одинаковых условиях (постоянным током 0.1С в течение 16.3ч), и разряжена сначала на постоянное сопротивление, а затем постоянным током (с использованием электронной нагрузки). В обоих случаях была снята практически одна и та же (разница в измерениях составила 0.5 Ач) полная ёмкость (см. рис. 1). Таким образом, методика разрядки на постоянное сопротивление обеспечивает требуемую точность измерений полной ёмкости.

По результатам экспериментов могут быть сделаны следующие выводы:

1. При использовании устройства СВЭЛ-УЭЗ для формировки АКБ «Зверь» паспортной емкостью 77 Ач процесс формировки характеризуется:

• пренебрежимо малым газовыделением;
• пониженной, по сравнению со штатным режимом, температурой формировки, что позволяет обойтись без внешнего охлаждения АКБ;
• в 3 раза меньшей, по сравнению со штатным режимом формировки, затратой электроэнергии (не более 150 Ач, что соответствует 2 кВтч);

2. В результате формировки достигается существенное улучшение структуры активной массы АКБ и увеличивается эффективная площадь ее поверхности. Следствием этого являются:

• снижение внутреннего сопротивления АКБ как при зарядке, так и при разрядке;
• снижение, по сравнению с типовым режимом, зарядного напряжения при зарядке постоянным током (см. рис. 2);
• резкое уменьшение газообразования при зарядке (так, в первые 9–10 часов зарядки постоянным током 0.1С, то есть, при отдаче до 90% паспортной ёмкости, газообразование полностью отсутствует);
• выход по току (при отдаче до 90% от паспортной емкости АКБ) оказывается близок к 100%. Это значит, что при отдаче во время зарядки АКБ ёмкости 70 Ач снимаемая разрядная емкость составляет также почти 70 Ач;
• повышение напряжения разомкнутой цепи АКБ;
• повышение разрядного напряжения при номинальном токе (см. рис. 3);
• все эти улучшения имеют долговременный характер, полученные характеристики АКБ сохраняются в течение нескольких десятков зарядно-разрядных циклов. Необходимо отметить, что это происходит и в тех случаях, когда устройство СВЭЛ-УЭЗ используется только для формировки АКБ а в последующих циклах зарядка осуществляется в обычном режиме (от источника постоянного тока);

3. При оптимальном выборе режима формировки и работы УЭЗ, полная емкость АКБ, снимаемая в первом разрядном цикле (непосредственно после формировки), оказывается близка к паспортной емкости АКБ;

4. Полная емкость, снимаемая с АКБ в последующих зарядно-разрядных циклах (в типовом режиме, без использования устройства СВЭЛ-УЭЗ), в среднем, превышает его паспортную емкость на 5–10%;

5. Полная разрядная емкость, снятая с АКБ №1, составила >75 Ач сразу после формировки и 77-78 Ач в 3-4 зарядно-разрядных циклах;

6. Полная разрядная емкость, снятая с АКБ №2, составила >62 Ач сразу после формировки, >80 Ач в 4-6 зарядно-разрядных циклах, до 88 Ач в 10-12 циклах и >82 Ач в 20-м цикле;

7. Полная разрядная емкость, снятая с АКБ №3, составила >72 Ач сразу после формировки, 82-84 Ач в 3-6 зарядно-разрядных циклах и до 85 Ач в 13-м цикле;

8. Полная разрядная емкость АКБ может быть повышена на 15–20% по сравнению с паспортной. Необходимым условием этого является оптимизация режима формировки и характеристик электролита (объемной плотности и массы);

9. Использование устройства СВЭЛ-УЭЗ в процессе формировки АКБ с уменьшенным на 15% количеством активной массы (меньшее количество пластин в наборе с соответствующем увеличении объема электролита) может обеспечить значительную экономию свинца при сохранении паспортных зарядно-разрядных характеристик АКБ.

В связи с необходимостью проведения большого числа разноплановых экспериментов по отработке технологии формировки АКБ, при ограниченном количестве имевшихся в наличии неотформированных АКБ, мы отказались от стандартных (в соответствии с ГОСТ Р53165-2008) ресурсных испытаний. Рабочий ресурс сформированных АКБ может быть оценен по изменению их зарядно-разрядных характеристик. Всего было выполнено 25 циклов зарядки/разрядки АКБ №2 и 15 циклов зарядки/разрядки АКБ №3. По их результатам не зафиксировано признаков деградации АКБ. Полная снимаемая емкость, достигнув своего максимума примерно к 8-10 циклу, далее снижалась незначительно и на 5-10% превышала паспортную. При этом, следует учесть, что АКБ находились в гораздо более «жестких» условиях работы (очень глубокая, почти 100% разрядка в каждом цикле), чем те, в которых проводятся заводские ресурсные испытания АКБ данного типа. Кроме того, рабочий ресурс негерметизированных АКБ «Зверь» составляет не более 50 циклов. Следовательно, использование технологии «СВЭЛ энержи», как минимум, не ухудшает ресурс свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Подводя итог вышеизложенному, можно констатировать, что применение устройства СВЭЛ-УЭЗ в процессе формировки аккумуляторных батарей обеспечивает следующие преимущества:

• Увеличение поверхности и улучшение структуры рабочей массы АКБ, гарантирующие малое внутреннее сопротивление при зарядке и разрядке;
• Достижение разрядной емкости, близкой к паспортной, в первом цикле (формировки), и емкости, превышающей паспортную на 5-10%, в последующих циклах;
• Сохранение (а возможно, и увеличение) ресурса работы АКБ;
• Экологическую безопасность процесса формировки – газовыделение резко снижается;
• Высокую эффективность формировки и последующей зарядки АКБ; затраты электроэнергии в процессе формировки снижаются в 3 раза;
• Возможность существенной экономии свинца при сохранении основных электрических характеристик АКБ.

Рис.1. Сравнение разрядных характеристик АКБ №3 при разрядке постоянным током или на постоянное сопротивление.

Рис.2. Зарядные характеристики АКБ "Зверь", сформированной с использованием устройства "СВЭЛ-УЭЗ".

Рис.3. Разрядные характеристики типовой АКБ "Зверь 77" и АКБ №3, сформированной с использованием устройства "СВЭЛ-УЭЗ".

Табл.1. Зарядно-разрядные характеристики трех АКБ "Зверь 77", сформированных с использованием устройства "СВЭЛ-УЭЗ".