Основные причины выхода со строя аккумуляторов и борьба с ними

Автор записи
17 фев 2016
23 мин чтения
0 комментариев
0 / 5

Существующие широко известные и иные, предлагаемые к использованию, а также вновь разрабатываемые различные системы и технологии изготовления химических источников тока (ХИТ), в настоящее время и в близком будущем не могут заменить свинцово-кислотную аккумуляторную батарею (АКБ).

Ввиду использования в качестве сырья для изготовления активной массы материала из утилизированных АКБ, а также из-за широкого распространения герметизированных аккумуляторных блоков (АБл), образовалось множество проблем, вызывающих необходимость применения для их успешного преодоления интеллектуальных автоматических зарядно-разрядных устройств (ИАЗРУ).

Подключение аккумуляторов

При этом, известные на современном уровне техники автоматические средства обслуживания аккумуляторных батарей, например, такие, как УТАБ в комплекте с зарядным устройством, позволяют довольно успешно преодолевать многие проблемы в области эксплуатации АБ. Однако для этого требуется постоянное присутствие и непосредственное участие в процессе обслуживания высококвалифицированного персонала. В последнее время широко известна практика, когда без какого-либо организованного планово-предупредительного обслуживания, как стационарные, так и стартерные и тяговые АКБ на объектах их штатного использования эксплуатируют в течении 3-х лет, после чего эти АКБ просто утилизируют. При этом, нередко имеют место факты, когда безвозвратный выход из строя АКБ (при установленном от завода-изготовителя их амортизационном ресурсе до 12 лет) наступает задолго до истечения первых 3-х лет их штатного использования. Такое положение приводит к масштабным непредвиденным внеплановым затратам. В связи с этим актуальной задачей является установление причинно-следственного характера проблем в области изготовления и эксплуатации АБ и выработка методов их успешного преодоления.

Проблемы, имеющие место при изготовлении АКБ

  1. Использование в качестве сырья для изготовления активной массы продуктов переработки утилизированных свинцово-кислотных аккумуляторов не позволяет контролировать и регулировать содержание различных элементов-примесей.
    Они могут существенно и непредсказуемо изменять динамику процесса накопления и управляемой отдачи накопленной электроэнергии в АКБ. Именно по этой причине, аккумуляторные блоки (АБл) одной партии выпуска, при равных условиях, на практике могут иметь разброс их исходной отдаваемой ёмкости на уровне до 20% и более в долях номинальной ёмкости (Сн). Из практики работы известно, что формовочный и последующие заряды в процессе изготовления проводят при некотором массовом подключении изготавливаемых АБл к одному источнику тока заряда. При этом не обеспечена техническая возможность автоматического отслеживания динамики вольт-амперной зависимости каждого обслуживаемого аккумуляторного блока.
  2. Разный уровень количества и качества выше упомянутых примесей может вызвать всплески интенсивности разогрева при далеко не одинаковых уровнях величин напряжения заряда и сообщённого количества электричества среди аккумуляторных блоков, собранных в одну группу для проведения формовочного заряда.
  3. При таком положении крайне затруднительно соблюдать те температурные ограничения, которые предписаны действующими «Инструкциями по проведению формовочного заряда».
  4. На завершающем этапе изготовления герметизированных АБ, особенно технологии dryfit, допускают значительный недозаряд. Так поступают для того, чтобы предупредить возможность температурного разгона отдельных АБл и аварийное их повреждение на этапе изготовления.
  5. Отсутствие возможности достижения на заводе-изготовителе максимально возможной полноты заряда всех аккумуляторов в составе новой АБ, делает невозможным проведение объективной оценки уровня величин технических характеристик каждого нового АБл.
  6. Ввиду изложенного в п.п. , в составе новой аккумуляторной батареи, поставляемой заводом-изготовителем, весьма вероятным является разброс исходной отдаваемой ёмкости среди аккумуляторов в составе этой батареи на уровне 20% в долях Сн и более.
  7. Кроме вышеуказанного в п.п., в связи с тем, что заводы-изготовители поставляют заведомо недозаряженные АБл, а время их ввода в эксплуатацию на объекте использования абсолютно непрогнозированно, интенсивность саморазряда аккумуляторов может существенно (в разы) отличаться от показателей, приведенных в их технической документации.

аккумуляторная батарея
Перечисленные основные проблемы, заложенные при изготовлении АКБ, создают большие трудности уже на самых начальных этапах эксплуатации. На предприятиях массового использования АКБ, как правило, отсутствует возможность высококачественного входного контроля и проведения заряда каждого нового АБл при обеспечении достижения стартовой максимально возможной полноты заряда каждого аккумулятора. При этом завод-изготовитель, практически, не несёт ответственности за соблюдение гарантийных обязательств, так как при вводе в эксплуатацию, как правило, отсутствует техническая возможность полного соблюдения порядка действий, указанного в заводской Инструкции по эксплуатации данного типономинала АКБ.

Проблемы, существующие в области эксплуатации АКБ

Отсутствие технической возможности достижения высокого уровня надёжности работы АКБ, поставляемых от завода-изготовителя в сухозаряженном состоянии и Согласно положениям Действующих нормативно-технических документов общий запас ресурса службы наливных АКБ распределён на:

  • ресурс хранения в сухозаряженном состоянии;
  • ресурс времени работы согласно штатному назначению.

По данным исследований предел ресурса времени хранения в сухозаряженном состоянии (по истечении которого, при прочих равных условиях, данная АКБ ещё может быть приведена в рабочее состояние и надёжно штатно использоваться) зависит от ряда факторов.

Определяющим фактором при этом является старение активной массы при деструктивных изменениях в её составе, например, возникновение агломеративных образований сульфата свинца в глубинном слое активной массы. Из опыта работы, а также по данным исследований, проведенных в лабораториях химических источников тока (ЛХИТ) Днепропетровского и Курского аккумуляторных заводов установлено, что одним из определяющих факторов, вызывающих интенсивное накопление вышеупомянутых деструктивных изменений, может быть повышенное содержание некоторых примесей в составе материала сырья, использованного для изготовления активной массы. Вместе с тем, в последние 10-15 лет наблюдается тенденция к увеличению ресурса службы свинцово-кислотных АБ, согласно положений нормативно-технических документов. На практике, часто имеют место случаи безвозвратных отказов на первом году эксплуатации АКБ, срок хранения которых в сухозаряженном состоянии не превышал допустимого соответствующими инструкциями по эксплуатации. Для предотвращения таких отказов необходимо иметь возможность выявлять наличие упомянутых выше деструктивных изменений активной массы АКБ, вводимых в эксплуатацию.

Коррозия АКБ
Коррозия АКБ

Большую опасность представляют случаи взрывов новых АКБ, вводимых в эксплуатацию после длительного хранения в сухозаряженном состоянии. Известны также случаи взрывов стационарных, стартерных и тяговых наливных АКБ, которые имели место при попытках заряда АБл, содержащих в их составе засульфатированные аккумуляторы. Из опыта работы известно, что при заряде засульфатированной АКБ (что на начальном этапе заряда, как правило, проходит под воздействием силы тока заряда (Iз) на уровне от 10% в долях номинальной ёмкости (Сн) и более), отмечают высоко интенсивное газовыделение и вспенивание электролита. А также известно, что, если такой заряд проводят после разряда АКБ при воздействии высокой плотности разрядного тока, то на начальном этапе заряда высока вероятность «бурного» взаимодействия пластин электродов с электролитом, что может сопровождаться подкорачиванием разноименных пластин электродов.

Выделяющийся при этом водород может вызвать взрыв аккумулятора. Косвенным свидетельством протекания описанных выше деструктивных процессов в активной массе АКБ является значительное снижение величины плотности электролита, фиксируемое через 2 часа после его заливки в аккумуляторы. Строгое и точное соблюдение рекомендаций Действующих Инструкций по эксплуатации и положений иных нормативно-технических документов по поводу действий при работе c засульфатированными либо глубоко разряженными АКБ, даже при особо больших затратах времени, не гарантирует получение положительного результата. Таким образом, для обеспечения возможности высококачественного и безаварийного приведения в рабочее состояние сухозаряженных АКБ также необходимо использовать ИАЗРУ.

Отсутствие технической возможности обеспечения высокой надежности работы и предупреждения труднопредсказуемого досрочного безвозвратного выхода из строя АКБ из-за обильного образования труднорастворимых продуктов разряда, потерь влаги из состава электролита и оплывания активной массы.

Аккумуляторные батареи Hawker
Hawker

Эти проблемы предлагаются к рассмотрению как единое целое. В отличие от положений Инструкций по эксплуатации АКБ, которые существовали в 70-80е годы ХХ века, когда использование в составе сырья для изготовления активной массы материала переработки утилизированных свинцово-кислотных аккумуляторов допускалось в очень ограниченном количестве, в настоящее время, не менее, чем в 2 раза увеличен ресурс службы АБ без проведения их планово-предупредительного обслуживания. Одновременно с этим, отмечается системное увеличение функциональных нагрузок, что наиболее характерно для стационарных АКБ. Различные варианты проектов задействования АКБ допускают возможность длительного воздействия особо низких плотностей тока разряда, что может приводить к обильному накоплению труднорастворимого сульфата свинца на самой нижней части пластин отрицательных электродов. В ряде работ акцентировано внимание на то, что, если АКБ содержится длительное время под воздействием особо малой силы тока заряда, то высока вероятность разъедания материала нижней части несущих решёток пластин положительных электродов. При циклировании АКБ допускают глубокие разряды, на начальном этапе которых могут иметь место особо высокие плотности разрядного тока. Из опыта работы и по данным исследователями установлено, что при этом, в составе поверхностного слоя активной массы положительных электродов могут образовываться дендриты-продукты разряда, имеющие продолговатую форму (так называемые иголки сульфата свинца), обладающие очень слабой механической связью с основным составом материала активной массы. Будучи труднорастворимыми, такие продукты разряда не могут быть преобразованными в заряженную активную массу при воздействии традиционных способов заряда. При этом, при воздействии на глубоко разряженную АКБ в самом начале заряда высоких плотностей тока заряда (что общепринято, согласно существующим правилам функционирования средств обслуживания АКБ) под воздействием электромагнитного потока, создаваемого большой силой тока заряда, вышеупомянутые частицы сульфата свинца могут выкрашиваться из поверхности активной массы и оплывать в осадок, образуя шлам.

 АКБ Hawker
Hawker

Установлено, что при воздействии высоких плотностей тока разряда/заряда в полости корпуса жидкостного аккумулятора может происходить интенсивное перемешивание электролита, в чём также могут участвовать частицы вышеупомянутого шлама. Такое труднопредсказуемое перемещение продуктов износа в электролите может вызвать значительное дополнительное нарастание сопротивления течению тока заряда/разряда. При прочих равных условиях, это может привести к высокоинтенсивному изменению величины напряжения заряда/разряда. Из опыта работы установлено, что выход из строя АБ по причине накопления продуктов износа наступает тем раньше, чем больше время содержания аккумуляторов при низком уровне напряжения разряда и чем выше интенсивность снижения величины разрядного напряжения. Так как в состав аккумуляторной батареи с самого начала наработки её ресурса службы весьма вероятно могут входить аккумуляторы с далеко не одинаковыми показателями величин их характеристик, то при выше изложенных условиях может иметь место дополнительное труднопредсказуемое интенсивное нарастание разбежности величин зарядного/разрядного напряжения среди аккумуляторов в составе АКБ. Согласно положениям Действующих правил технической эксплуатации (ПТЭ) и иных нормативно-технических документов для обеспечения поддержания высокого уровня заряженности необходимо проводить ДОЗАРЯД. Известно, что проведение дозаряда в строгом соответствии с предписаниями заводской Инструкции по эксплуатации нередко приводит к дополнительному нарастанию разбежности величины зарядного напряжения среди аккумуляторов в составе АКБ. При этом, длительное содержание свинцово-кислотного аккумулятора при зарядном напряжении, величина которого превышает уровень электродвижущей силы более, чем на 0,15 В, из расчёта на каждый 2-х вольтовый элемент, приводит к созданию условий, вызывающих протекание 2-го этапа электролиза воды из состава электролита. Это может приводить к быстрому накоплению газообразного водорода и стехиометрического кислорода. При наличии таких условий процесса заряда отмечают значительные безвозвратные потери влаги из состава электролита герметизированных аккумуляторов, а также высокоинтенсивный электрокоррозионный износ несущих решеток пластин положительных электродов.

Отсутствие технической возможности устранения образовавшегося высокого уровня разбежности величин характеристик среди аккумуляторов в составе АКБ.

В условиях любого из известных производителей не представляется возможным обеспечить поставку для укомплектования новой АКБ аккумуляторных блоков с исходно одинаковыми величинами их технических характеристик. По опыту работы и данным исследований принято полагать, что разбежность величин характеристик аккумуляторов в составе АКБ необратимо нарастает с наработкой ресурса службы, что наиболее высокоинтенсивно происходит после наработки 60% от нормативно установленного амортизационного ресурса их работы согласно штатному назначению. На практике нередко, отмечают случаи, когда из-за образовавшегося высокого уровня разбежности величин характеристик аккумуляторов в составе АКБ, при наработке не более 25% нормативно-планового времени работы согласно штатному назначению, отдельные аккумуляторы заменяют на однотипные новые, неся при этом значительные внеплановые затраты.

Обзор существующих решений проблем

Инструкции по эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов рекомендуют проводить каждые полгода профилактический цикл разряд-заряд. Разряд-заряд производят током 20-часового полуцикла, т.е. 0,05 С, где С – емкость аккумулятора при 20-часовом разряде. Известны различные способы ступенчатого восстановительного цикла. Сообщается о разработке интеллектуального зарядно-восстановительного устройства, в котором используется ступенчатый разряд и ступенчатый заряд в режиме стабилизированного напряжения по эмпирической программе.

Предлагаемые решения выше изложенных проблем

Преодоление большинства перечисленных проблем, возникающих как при производстве, так и в эксплуатации аккумуляторов различных типов может быть достигнуто в результате регулярного использования интеллектуальных автоматических зарядно-разрядных устройств (ИАЗРУ).

В основу алгоритма работы ИАЗРУ положена специальная Методика, основным отличительным признаком которой является использование импульсного ступенчатого изменения величины силы тока заряда и разряда с алгоритмично заданной скважностью.

 АКБ блок типа ИАЗРУ
АКБ блок типа ИАЗРУ

Основные элементы методики запатентованы на Украине в 1997 году.

Конструктивно каждый блок ИАЗРУ содержит от одного до шести автономных каналов, имеющих общий «минусовый» вывод.

Поэтому одновременно к одному блоку можно подключать 12-ти вольтовые аккумуляторные блоки (АБл) одного типономинала при их номинальной емкости (Сн) от 4 до 250 Ампер-часов.

Уровень верхнего/нижнего предела Сн зависит от данного типа ИАЗРУ.

При использовании ИАЗРУ представляется возможным проведение:

  • Разряда АБл при поддержании величины силы тока разряда, заданной оператором. После завершения такого разряда, согласно алгоритма работы ИАЗРУ автоматически выполняется переход к проведению восстановительного заряда. Для проведения такого разряда оператор запускает выбранный им соответствующий режим.
  • Восстановительного заряда. При этом заряде многоступенчато импульсно изменяется величина напряжения заряда, что происходит с программно заданной скважностью и при заданном токоограничении. После завершения восстановительного заряда происходит автоматическое завершение выполнения данного цикла обслуживания.
  • Двухступенчатого профилактического разряда. При этом разряде на 1й ступени сила тока от 0,02 до 0,025 в долях Сn. На 2й ступени сила тока разряда не превышает уровня 0,5 Сn. Переход с 1й ступени на 2ю происходит автоматически согласно заданной программе. При этом после завершения 2-х ступенчатого разряда автоматически выполняется переход к проведению восстановительного заряда.

Один цикл восстановительного обслуживания (ВО) содержит:

Эксплуатация АКБ
  • двухступенчатый профилактический разряд;
    При подобном порядке проведения разряда создаются условия для зарождения на всю глубину активной массы относительно крупнозернистого рыхлопористого сульфата свинца. Такой продукт разряда при последующем восстановительном заряде преобразуется в активную массу, устойчивую от оплывания.
  • восстановительный заряд.

При подобном порядке проведения заряда (который проходит при предупреждении интенсивного проявления побочных эффектов и при максимально возможно высоком коэффициенте использования тока заряда) создаются условия для:

  • зарождения в составе активной массы большего количества зерен тетрагональной формы (β PbО2). В отличии от зерен ромбической формы (α PbO2), зерна (β PbО2) обладают значительно большей боковой поверхностью. За счет этого намного больше частиц электролита одновременно могут вступать в токообразующую реакцию. При этом также намного меньше нарастает разбежность величины напряжения разряда среди аккумуляторов в составе АБл.
  • достижения максимально возможной полноты заряда всех аккумуляторов (2х вольтовых элементов) в составе обслуживаемого АБл без проявления побочных эффектов, которые, как правило, имеются при перезаряде;
  • достижения высокого уровня равномерности работоспособности аккумуляторов в составе обслуживаемого АБл;
  • достижения максимально возможного (для данного состояния, обслуживаемого АБл) уровня объемной пористости.

В целом, при проведении восстановительного обслуживания по данной методике, в сравнении с лучшими известными способами и методиками обслуживания химических источников тока (ХИТ), при прочих равных условиях, отдаваемая емкость АБл увеличивается не менее, чем на 25% в долях Сном.

Диагностика

а)Диагностика выполняется по ходу проведения восстановительного заряда. В алгоритмично заданном порядке выполняется проверка на предмет наличия:

  • повреждения пластин сепарации;
  • пластин электродов, как причины подкорачивания аккумуляторов.

В случае определения наличия хотя бы одной из выше названных неисправностей, автоматически (без какого-либо участия оператора) происходит аварийная остановка выполняемого этапа восстановительного обслуживания. При этом данный АБл отбраковывается и подлежит замене на однотипный исправный.

б) Диагностика выполняется путем проведения контрольного разряда по режиму, выбранному оператором. Данные вольтамперной и ампер-часовой характеристики каждого выполняемого этапа процесса обслуживания в текущем порядке отображаются на дисплее ЖКИ, а также заносятся в энергонезависимую память процессора ИАЗРУ. На основании этих данных обеспечивается возможность высокообъективного определения уровня величины отдаваемой емкости. По этим данным также может быть проведена высоко точная сравнительная оценка уровня качества однотипных АБл. Данные диагностики через USB порт могут быть перенесены в электронную память компьютера. При этом возможно получение информации, позволяющей прогнозировать и проводить плановое своевременное обслуживание АБл. При этом обеспечивается возможность проведения удалённого мониторинга за ходом процесса обслуживания каждого АБл в составе парка аккумуляторного хозяйства данного предприятия. Такая функциональная возможность достигается за счет применения (дополнительной установки) системы GSM-modem. Этот удаленный мониторинг может быть осуществлен на любом расстоянии, обеспеченном устойчивым функционированием средств связи данного региона. Кроме того при использовании ИАЗРУ возможно проводить:

  • Быстрый заряд. 
    Время проведения – до 3 часов. Такой заряд наиболее эффективен при разряде АБ не более чем на 30% в долях Сн.
  • Повседневный заряд.
    Время проведения – до 12 часов. Такой заряд наиболее эффективен при разряде АБ не более, чем на 50% в долях Сн. При этом, в зависимости от достигнутого уровня напряжения заряда соблюдается програмно заданное токоограничение. По показателям вольт-амперной характеристики этого заряда определяют наличие потребности в проведении восстановительного обслуживания данного АБл.
Интеллектуальное автоматическое зарядно-разрядное устройство Vector KD

В отличие от всех известных способов обслуживания АКБ, при этом достигается возможность поддержания высокого уровня полноты заряда всех АБл в составе АКБ при предупреждении перезаряда какого-либо аккумулятора. Созданные на основе этой методики АЗРУ типа "БЗВМ-2/3-12" (далее БЗВМ) успешно прошли эксплуатационные испытания и эффективно используются на ряде предприятий связи и энергетики. В основе конструктива АЗРУ БЗВМ использован широкодиапазонно регулируемый стабилизатор величины напряжения заряда. Фотография внешнего вида приведена ниже.

В 2015 г. завершена разработка и проведены успешные испытания ИАЗРУ типа «Vector-KD-1/12-2...140» и «Vector- KD-2/12-2...180» с использованием широкодиапазонного регулируемого стабилизатора зарядного тока.

Типовой график процесса заряда представлен на фото ниже (Рис. 1. Процес заряда аккумуляторной батареи)

График зарядного участка ИАЗРУ: I-восстановительная часть цикла II-выравнивающая часть цикла

Выводы

Восстановлению подлежат аккумуляторы, которые хранились заряженными независимо от их состояния работоспособности. Критерием необходимости проведения восстановительного цикла является не временной интервал (раз в полгода или раз в три месяца), а увеличение внутреннего сопротивления аккумулятора выше допустимого (смотри формулу выше). Контроль внутреннего сопротивления производить не реже, чем раз в три месяца или при проявлении ухудшения пусковых характеристик (напряжение на стартере в момент пуска меньше 7,5 В) и при уменьшении величины пробега электротранспорта. Для восстановления сильно «сульфатированных» батарей предпочтительно использовать ступенчатый метод. Выполнение изложенных выше пунктов позволит продлить срок эксплуатации аккумуляторных батарей в 1,5 ÷ 2 раза, ведь выход из строя одной ячейки, негативный процесс в которой вначале незаметен, приводит к неработоспособности всей батареи.

Хотите стать нашим партнером?

Оставьте свои контакты и наш сотрудник свяжется с Вами в ближайшее время


Отзывы и вопросы
Отзывы отсутствуют