CC BY
27УДК: 621.3.015:621.355.5
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ЗАРЯДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА СОКРАЩЕНИЕ
ЁМКОСТИ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Карлаков Д.С., Стушкина Н.А.
ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет МСХА имени К.А.
Тимирязева»
Аннотация. ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Работа направлена на выявление влияния величины зарядного напряжения на снижение ёмкости свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Влияние оценивалось по величине измеренной ёмкости свинцово-кислотных аккумуляторных батарей до и после проведения испытаний в трёх группах, каждой из которых было присвоено зарядное напряжение 101,5%; 105,5% и 109,5% от напряжения полностью заряженной герметичной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи согласно ГОСТ Р 53165-2008. При этом, прочие параметры заряда и разряда для каждой группы аккумуляторных батарей оставались неизменными. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В ходе исследования было выявлено, что при зарядном напряжении 101,5% от потенциала разомкнутой цепи наблюдалось наибольшее снижение ёмкости свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, в то время как при напряжении 109,5% от потенциала разомкнутой цепи снижение ёмкости было наименьшим. ВЫВОДЫ. Заряд свинцово-кислотных аккумуляторных батарей напряжением 109,5% от потенциала разомкнутой цепи способствует снижению потери ёмкости аккумуляторных батарей по сравнению со случаями, когда зарядное напряжение установлено ниже данного значения.
Ключевые слова: свинцово-кислотная аккумуляторная батарея, заряд-разряд, ёмкость аккумуляторной батареи, снижение ёмкости, ресурс аккумуляторной батареи.
Введение
Развитие возобновляемых источников энергии является одним из факторов растущего спроса на накопители энергии. Такие альтернативные источники энергии как ветроэлектрогенераторы и солнечные панели являются, как известно, источниками с непостоянным значением выходного напряжения. Это напряжение впоследствии должно быть стабилизировано и изменено в соответствии с требованиями сети при помощи сетевого инвертора (в случае продажи электроэнергии электроснабжающей компании), или посредством контроллера и накопителя энергии (для автономной энергосистемы) [1], [2].
В сочетании с накопителем энергии, например, аккумулятором, контроллер понижает напряжение и сглаживает пульсации вырабатываемой энергии. [3]-[4].
Аккумуляторная батарея - это накопитель энергии, который сохраняет электрическую энергию посредством химической. Свинцово-кислотная батарея, будучи изобретённой ещё в 1859 году, до сих пор остаётся наиболее распространённым типом аккумуляторных батарей. Она хорошо зарекомендовал себя в автомобильной промышленности, широко применяется в источниках бесперебойного питания, в альтернативной электроэнергетике, а также в промышленных установках [5], [6]. Свинцово-кислотные батареи широко используются благодаря их низкой стоимости, простоте изготовления и налаженному методу утилизации
[7].
Режим заряда и разряда частично зависит от области применения. Например, для хранения энергии из возобновляемых источников требуется частичный заряд и разряд батареи. А в автомобильных системах запуска-искрообразования, аккумуляторная батарея в основном работает в режиме плавающего заряда. Хорошо известно, что различные режимы заряда-разряда вызывают различные виды износа, что приводит к снижению срока службы батареи [8]. Множество видов утраты работоспособности свинцово-кислотных батарей можно разделить на три категории: 1) осыпание активной массы положительного электрода; 2) сульфатация активной массы; 3) прочие факторы, такие как замыкания, порча электролита, сепаратора и токовыводов [9].
Несмотря на большое количество исследований различных режимов заряда, влияние напряжения заряда на отказ батареи требует дальнейшего изучения. Данная работа включает в себя анализ влияния зарядного напряжения, немного превышающего потенциал разомкнутой цепи на срок службы и деградацию аккумуляторных батарей.
Цель работы: оценить влияние зарядного напряжения на снижение ёмкости свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.
Материалы и методы исследования.
В данном исследовании использовались аккумуляторные батареи, изготовленные по технологии AGM, с номинальным напряжением 6 вольт, ёмкостью 5 А/ч. Шесть аккумуляторных батарей было разделено на 3 группы по 2 батареи в группе. Каждой группе присваивалось определённое напряжение заряда аккумуляторных батарей, при этом параметры разряда и начальный ток заряда были одинаковы для каждой аккумуляторной батареи. Для проведения зарядки аккумуляторных батарей использовался прибор «Кулон -715ё». Начальный зарядный ток, равный 0,5 ампера, был выбран исходя из рекомендации производителя. Зарядка аккумуляторных батарей прекращалась через 10 минут после снижения зарядного тока до нуля, согласно электронному табло зарядного устройства. Согласно ГОСТ Р 53165-2008, напряжение полностью заряженных батарей с номинальным напряжением 12 вольт после не более 24 ч выдержки при температуре 25 °С при разомкнутой цепи для герметичных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей должно быть не ниже 12,8 вольт. Таким образом, приняв напряжение полностью заряженных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением равным 6 вольт как половину напряжения полностью заряженных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением равным 12 вольт, а именно 6,4 вольт, было выбрано напряжение заряда аккумуляторных батарей, превышающее потенциал разомкнутой цепи, а именно: 6,5 вольт (101,5%); 6,75 вольт (105,5%); 7 вольт (109,5%). Для проведения разряда аккумуляторных батарей применялся электронный модуль нагрузи <^ЕЬ3005». Разряд аккумуляторных батарей производился током 0,25 ампера до падения напряжения под нагрузкой до значения 6 вольт. Для определения снижения ёмкости аккумуляторных батарей в результате проведённых испытаний, перед их началом все аккумуляторные батареи были полностью заряжены, а затем разряжены током 0,25 ампер до напряжения 5,25 вольт для выявления их действительной ёмкости, согласно ГОСТ 53165-2008. Повторная проверка ёмкости выполнялась после прохождения аккумуляторными 10 циклов «заряд-разряд» согласно описанной выше методике.
Результаты и обсуждение
Процент снижения ёмкости свинцово-кислотных аккумуляторных батарей рассчитывался исходя из разницы ёмкости в первом и последнем циклах. Деградация емкости в 9,933%, 8,158% и 5,143% наблюдается у образцов, заряжавшихся при напряжении
101,5%, 105,5% и 109,5% от напряжения разомкнутой цепи соответственно. Результаты проведённых испытаний приведены в таблицах №1,2,3. Таблица №1
№ Измеренная ёмкость Измеренная ёмкость (А- ч) Измеренная ёмкость
цикла (А- ч) аккумуляторных аккумуляторных батарей (А- ч ) аккумуляторных
батарей при заряде напряжением 6,5 v при заряде напряжением 6,75v (105,5% от батарей при заряде напряжением 7v (109,5%
(101,5% от напряжения напряжения разомкнутой от напряжения
разомкнутой цепи) цепи) разомкнутой цепи)
АКБ №1 АКБ №2 АКБ №3 АКБ №4 АКБ №5 АКБ №6
1 5, 93 5,95 5,93 5,96 5,92 5,94
10 5,33 5,37 5,44 5,48 5,61 5,64
Таблица №2
№ цикла Средняя измеренная ёмкость (А- ч) при заряде напряжением 6^ (101,5% от напряжения разомкнутой цепи) Средняя измеренная ёмкость (А- ч) при заряде напряжением 6,75v (105,5% от напряжения разомкнутой цепи) Средняя измеренная ёмкость (А- ч) при заряде напряжением 7v (109,5% от напряжения разомкнутой цепи)
1 5,94 5,945 5,93
10 5,35 5,46 5,625
Таблица №3
Среднее снижение ёмкости при заряде напряжением 6,5 V (101,5% от напряжения разомкнутой цепи) Среднее снижение ёмкости при заряде напряжением 6^ (105,5% от напряжения разомкнутой цепи) Среднее снижение ёмкости при заряде напряжением 7v (109,5% от напряжения разомкнутой цепи)
9,933% 8,158% 5,143%
Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о том, что при низком зарядном напряжении ёмкость аккумуляторных батарей сравнительно быстро снижается. При повышении зарядного напряжения данная тенденция, напротив, уменьшается. Можно предположить, что снижение ёмкости аккумуляторных батарей при заряде малым напряжением происходит из-за сульфатации пластин. В то же время, можно предположить, что при повышении зарядного напряжения электролиз происходит более активно, что способствует перемешиванию электролита, а образующиеся в результате электролиза пузырьки газа разрушают частички сульфата и отделяют их от пластин аккумуляторной батареи, что снижает интенсивность утраты батареей первоначальной ёмкости.
Заключение
Информация, полученная в результате проведённого исследования может способствовать продлению срока службы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, определению оптимальной величины зарядного напряжения и, как следствие, снижению затрат на приобретение новых аккумуляторных батарей.
Список использованных источников:
[1] M. Q. Taha, "Advantages and recent advances of smart energy grid,"Bulletin of Electrical Engineering and Informatics, vol. 9, no. 5, pp. 1739-1746, 2020,
D01:10.11591/eei.v9i5.2358.
[2]M. H. Amrollahi and S. M. T. Bathaee, "Techno-economic optimization of hybrid photovoltaic/wind generation together with energy storage system in a stand-alone micro-grid subjected to demand response,"Applied Energy, vol. 202, pp. 66-77, 2017, D0I:10.1016/j.apenergy.2017.05.116.
[3]A. Khamis, M. R. Ab Ghani, G. C. Kim, M. S. M. Aras, M. A. B. Zabide, and T. Sutikno, "Control strategy for distributed integration of photovoltaic and battery energy storage system in micro-grids,"Telecommunication, Computing, Electronics and Control(Telkomnika), vol. 16, no. 5, pp. 2415-2427, 2018, D0I:10.12928/telkomnika.v16i5.10249.
[4]I. Alhamrouni, F. Ramli, M. Salem, B. Ismail, A. Jusoh, and T. Sutikno, "Optimal power scheduling of renewable energy sources in micro-grid via distributed energy storage system,"Telecommunication, Computing, Electronics and Control(Telkomnika), vol. 18, no. 4, pp. 2158-2168, 2020, D0I:10.12928/telkomnika.v18i4.15159.
[5]P. P. Lopes and V. R. Stamenkovic, "Past, present, and future of lead-acid batteries,"Science, vol. 369, no. 6506, pp. 923-924, 2020, D0I:10.1126/science.abd3352.
[6]G. J. May, A. Davidson, and B. Monahov, "Lead batteries for utility energy storage: A review,"Journal of Energy Storage, vol. 15, pp. 145-157, 2018/02/01/ 2018, D0I:10.1016/j.est.2017.11.008.
[7]Zhi Sun, Hongbin Cao, Xihua Zhang, Xiao Lin, Wenwen Zheng, Guoqing Cao, et al., "Spent lead-acid battery recycling in China -A review and sustainable analyses on mass flow of lead,"Waste Management, vol. 64, pp. 190-201, 017, D0I:10.1016/j.wasman.2017.03.007.
[8]K. Brik and F. ben Ammar, "Causal tree analysis of depth degradation of the lead acid battery,"Journal of Power Sources, vol. 228, pp. 39-46,2013, D0I:10.1016/j.jpowsour.2012.10.088.
[9]P. Ruetschi, "Aging mechanisms and service life of lead-acid batteries,"Journal of Power Sources, vol. 127, no. 1, pp. 33-44, 2004/03/10/ 2004, D0I:10.1016/j.jpowsour.2003.09.052.
Bibliography:
[1]M. Q. Taha, "Advantages and recent advances of smart energy grid,"Bulletin of Electrical Engineering and Informatics, vol. 9, no. 5, pp. 1739-1746, 2020, D01:10.11591/eei.v9i5.2358.
[2]M. H. Amrollahi and S. M. T. Bathaee, "Techno-economic optimization of hybrid photovoltaic/wind generation together with energy storage system in a stand-alone micro-grid subjected to demand response,"Applied Energy, vol. 202, pp. 66-77, 2017, D0I:10.1016/j.apenergy.2017.05.116.
[3]A. Khamis, M. R. Ab Ghani, G. C. Kim, M. S. M. Aras, M. A. B. Zabide, and T. Sutikno, "Control strategy for distributed integration of photovoltaic and battery energy storage system in micro-grids,"Telecommunication, Computing, Electronics and Control(Telkomnika), vol. 16, no. 5, pp. 2415-2427, 2018, D0I:10.12928/telkomnika.v16i5.10249.
[4]I. Alhamrouni, F. Ramli, M. Salem, B. Ismail, A. Jusoh, and T. Sutikno, "Optimal power scheduling of renewable energy sources in micro-grid via distributed energy storage system,"Telecommunication, Computing, Electronics and Control(Telkomnika), vol. 18, no. 4, pp. 2158-2168, 2020, D0I:10.12928/telkomnika.v18i4.15159.
[5]P. P. Lopes and V. R. Stamenkovic, "Past, present, and future of lead-acid batteries,"Science, vol. 369, no. 6506, pp. 923-924, 2020, D0I:10.1126/science.abd3352.
[6]G. J. May, A. Davidson, and B. Monahov, "Lead batteries for utility energy storage: A review,"Journal of Energy Storage, vol. 15, pp. 145-157, 2018/02/01/ 2018, D0I:10.1016/j.est.2017.11.008.
[7]Zhi Sun, Hongbin Cao, Xihua Zhang, Xiao Lin, Wenwen Zheng, Guoqing Cao, et al., "Spent lead-acid battery recycling in China -A review and sustainable analyses on mass flow of lead,"Waste Management, vol. 64, pp. 190-201, 017, D01:10.1016/j.wasman.2017.03.007.
[8]K. Brik and F. ben Ammar, "Causal tree analysis of depth degradation of the lead acid battery,"Journal of Power Sources, vol. 228, pp. 39-46,2013, D0I:10.1016/j.jpowsour.2012.10.088.
[9]P. Ruetschi, "Aging mechanisms and service life of lead-acid batteries,"Journal of Power Sources, vol. 127, no. 1, pp. 33-44, 2004/03/10/ 2004, D0I:10.1016/j.jpowsour.2003.09.052.
Карлаков Д.С. магистрант ФГБОУВО «Российский государственный аграрный университет МСХА имени К.А. Тимирязева»
Стушкина Н.А., кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой «Электроснабжение и электротехника имени академика И.А. Будзко» ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет МСХА имени К.А. Тимирязева»
REASONS OF REDUCING THE LIFE OF LEAD-ACID BATTERIES CHARGED WITH
CONSTANT VOLTAGE Karlakov D.S., Stushkina N.A.
Federal State Educational Institution of Higher Education «Russian State Agrarian University named after K.A. Timiryazev»
Abstract. PURPOSE OF THE STUDY. The work is aimed at identifying the effect of the value of the charging voltage on reducing the capacity of lead-acid batteries. RESEARCH METHODS. The impact has been estimated by the measured capacity of lead-acid batteries before and after testing in three groups, each of which has been assigned a charging voltage of 101.5%; 105.5% and 109.5% of the voltage of a fully charged sealed lead-acid storage battery according to GOST R 53165-2008. At the same time, other parameters of charge and discharge for each group of batteries has been remained unchanged. RESULTS OF THE STUDY. During the study, it has been found that at a charging voltage of 101.5% of the open circuit potential, the largest decrease in the capacity of lead-acid batteries has been observed, while at a voltage of 109.5% of the open circuit potential, the decrease in capacity has been the smallest. CONCLUSIONS. Charging lead-acid batteries with a voltage of 109.5% of the open circuit potential helps to reduce the loss of battery capacity compared to cases when the charging voltage is set below this value.
Keywords: lead-acid accumulator battery, charge-discharge, accumulator battery capacity, capacity reduction, battery life.
Karlakov D.S., Stushkina N.A.
Federal State Educational Institution of Higher Education «Russian State Agrarian University named after K.A. Timiryazev»
