CC BY
12
УДК 656.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ГЛУБИНЫ РАЗРЯДА НА РАБОТУ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
А.Н. Чебоксаров1
Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет,
Россия, 644080, г. Омск, пр. Мира, 5.
Исследование посвящено анализу влияния температуры окружающей среды и глубины разряда на характеристики свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Проведен анализ зависимости относительной ёмкости, срока службы и количества циклов разряда от указанных параметров. Предложены методы решения проблем, связанных с понижением характеристик аккумуляторов при неблагоприятных температурных условиях и глубоких разрядах. Использование теплоизоляции и подогрева электролита предложено для оптимизации работы аккумуляторов в различных климатических условиях. Полученные результаты могут быть использованы для повышения эффективности, надежности и срока службы свинцово-кислотных аккумуляторов в различных областях применения.
Ключевые слова: свинцово-кислотные аккумуляторы, температура окружающей среды, глубина разряда, относительная ёмкость, срок службы, количество циклов разряда.
INVESTIGATION OF THE EFFECT OF TEMPERATURE AND DEPTH OF DISCHARGE ON THE
OPERATION OF LEAD-ACID BATTERIES
A.N. Cheboksarov The Siberian State Automobile and Highway University, Russia, 644080, Omsk, Mira Ave 5.
The study is devoted to the analysis of the influence of ambient temperature and discharge depth on the characteristics of lead-acid batteries. The analysis of the dependence of the relative capacity, service life and number of discharge cycles on these parameters is carried out. Methods for solving problems associated with a decrease in the characteristics of batteries under adverse temperature conditions and deep discharges are proposed. The use of thermal insulation and electrolyte heating is proposed to optimize the operation of batteries in various climatic conditions. The results obtained can be used to improve the efficiency, reliability and service life of lead-acid batteries in various applications.
Keywords: lead-acid batteries, ambient temperature, discharge depth, relative capacity, service life, number of discharge cycles.
Введение
Свинцово-кислотные аккумуляторы, впервые предложенные в XIX веке, остаются одними из самых распространённых и широко используемых источников электроэнергии в мире. Свинцово-кислотные аккумуляторы широко используются в различных областях, начиная от автомобильной промышленности и заканчивая системами резервного питания и возобновляемыми источниками энергии. Их популярность объясняется надежностью, доступностью и низкой стоимостью. Однако, несмотря на все преимущества, эксплуатационные характеристики свинцово-кис-лотных аккумуляторов значительно зависят от условий их использования, в частности от температуры окружающей среды и режима разряда [1].
Температурные условия эксплуатации играют ключевую роль в эффективности и долговечности аккумуляторов. При низких температурах уменьшается доступная емкость аккумулятора, что связано с повышенной вязкостью электролита и увеличением внутреннего сопротивления. Высокие температуры, напротив, ускоряют химические реакции, увеличивая емкость, но при этом значительно сокращают срок службы аккумулятора за счет ускорения коррозионных процессов.
Глубина разряда также является важным фактором, влияющим на количество циклов заряда-разряда, которое аккумулятор способен выдержать до наступления отказа. Более глубокие разряды ускоряют процесс деградации активных материалов, что ведет к сокращению жизненного цикла аккумулятора.
EDN OCHAWA
1 Чебоксаров Алексей Николаевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Автомобильный транспорт» тел.: (3812) 65-15-54, e-mail: [email protected], ORCID: 0009-0000-6929-3081.
Исследование влияния температуры и глубины разряда на работу ...
На рисунке 1 представлен график отображающий зависимость относительной ёмкости свинцово-кислотной аккумуляторной батареи автомобиля от температуры электролита.
А
£ I
100 90 80 70 60 50
40 -30 -20 -10 0 10 Температура зттрота, X
20 30
Рисунок 1 - График зависимости относительной ёмкости аккумуляторной батареи от температуры электролита
График демонстрирует четкую связь между этими параметрами. При отрицательных температурах ёмкость аккумулятора значительно снижается: при -30°С она составляет лишь 52% от номинальной, при -20°С увеличивается до 64%, а при -10°С достигает 76%. При дальнейшем повышении температуры до 0°С ёмкость возрастает до
85% [2]. При отрицательных температурах аккумуляторы теряют значительную часть своей ёмкости, что может приводить к проблемам в эксплуатации, особенно в условиях холодного климата.
Проблему снижения ёмкости свинцово-кислотных аккумуляторных батарей в условиях низких отрицательных температур можно решить использованием теплоизоляции, систем подогрева, а также их комбинацией. Теплоизоляция позволит снизить теплопотери в окружающую среду и обеспечит сохранение внутреннего тепла аккумулятора. Для теплоизоляции можно использовать различные теплоизоляционные материалы, такие как пенополиуретан, стекловолокно и другие. Установка подогревательных элементов также позволит поддерживать оптимальную температуру электролита. Подогрев может осуществляться с помощью встроенных нагревателей, работающих от электрической сети или от самой аккумуляторной батареи. Применение этих решений в конструкции аккумуляторной батареи или транспортного средства позволит значительно повысить эффективность, надёжность и срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов в условиях холодного климата.
На рисунке 2 представлен график зависимости срока службы аккумуляторной батареи от температуры.
Рисунок 2 - График зависимости срока службы аккумуляторной батареи от температуры
График зависимости срока службы свин-цово-кислотной аккумуляторной батареи от температуры представляет собой кривую с выраженным максимумом в области умеренных температур и резкими спадами на обоих концах температурного диапазона. В диапазоне от -30°С до 0°С наблюдается значительное увеличение срока
службы, который резко возрастает с увеличением температуры. В интервале от 0°С до +30°С срок службы батареи достигает своего максимума и остается практически стабильным. При дальнейшем увеличении температуры, начиная с +40°С, срок службы начинает уменьшаться [3].
ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №3(69) 2024
9
А.Н. Чебоксаров
Снижение срока службы при низких отрицательных температурах связано с несколькими факторами. При низких температурах химические процессы внутри батареи замедляются, что уменьшает эффективность процесса заряда, а также приводит к снижению емкости аккумуляторной батареи. Низкие температуры увеличивают вязкость электролита в следствии чего возрастает внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи, что снижает её способность отдавать энергию. Увеличение температуры аккумуляторной батареи выше +40°С вызывает ускоренное испарение воды из электролита, что приводит к быстрому снижению его уровня. Этот процесс сопровождается усиленной коррозией токопроводя-щих положительных электродов и увеличением саморазряда аккумуляторной батареи.
На рисунке 3 представлен график зависимости количества циклов разряда аккумуляторной батареи от глубины разряда.
т-
1
1 5Г
1 I
ш-
2500-
500
1
у
-
1 1 1 1 1
20
10
60
Глубина разряда,
Рисунок 3 - График зависимости количества циклов разряда аккумуляторной батареи от глубины разряда
График представляет собой убывающую кривую, что означает, что с увеличением глубины разряда количество циклов разряда аккумуляторной батареи уменьшается. Из представленных данных видно, что при незначительных значениях глубины разряда (10%) количество циклов разряда составляет около 5000. При глубине разряда до 80% от емкости, типичное время жизни аккумулятора составляет несколько сотен циклов [4].
Увеличение глубины разряда, особенно при переходе к очень глубоким разрядам, значительно сокращает срок службы батареи. Это объясняется тем, что более глубокие разряды приводят к более интенсивному износу аккумулятора, что в конечном итоге сокращает его срок службы.
Заключение
Исследование показало, что температура окружающей среды и глубина разряда играют решающую роль в работе свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. При низких температурах производительность аккумуляторов снижается из-за замедления химических реакций, что приводит к уменьшению их ёмкости и срока службы. Высокие температуры также оказывают негативное воздействие, вызывая ускоренное испарение воды из электролита и увеличение саморазряда, что сокращает срок службы батарей. Оптимальные условия для долговечной эксплуатации аккумуляторов находятся в диапазоне умеренных температур. Также установлено, что глубина разряда оказывает значительное влияние на срок службы аккумуляторов: более глубокие разряды способствуют ускоренному износу активных материалов, что приводит к сокращению жизненного цикла батареи. Полученные результаты могут быть полезны для разработки оптимальных стратегий эксплуатации и повышения эффективности свинцово-кислотных аккумуляторов в различных сферах их применения.
Литература
1. Хрусталев Д. А. Аккумуляторы / Д.А. Хрусталев. -М.: Изумруд, 2003. - 224 с.
2. Семенов Н.В. Эксплуатация автомобилей в условиях низких температур / Н.В. Семенов. - М.: Транспорт, 1993. - 190 с.
3. Крамаренко Г.В. Безгаражное хранение автомобилей при низких температурах / Г.В. Крамаренко, В.Д. Николаев, А.И. Шаталов. - М.: Транспорт, 1984. - 136 с.
4. Оспанбеков Б.К. Оптимизация ресурсоопределяю-щих эксплуатационных режимов тяговых аккумуляторных батарей электромобилей: дис... канд. техн. наук: 05.09.03 / Б.К. Оспанбеков. - Москва, 2017. -170 с.
