Нотатки про проблеми складання батарей акумуляторних елементів, Сайт про електромобілі

На написання цієї статті мене спонукала доля багатьох акумуляторів, які померли через неправильний вибір компаньйонів в акумуляторній батареї. Кончина одного акумулятора (що не так вже й дорого) може призвести до більш швидкої деградації властивостей усієї батареї (що вже вилетить у гарну копійку). Тому далі я опишу можливе підводне каміння підбору акумуляторів в батарею і намічу шляхи їхнього обходу. Відразу зазначу, що у статті можуть бути неточності, оскільки сам збиранням батарей не займався. Однак теоретичні питання довго копав, тому можу з великою впевненістю давати поради (тим більше, що сам я виріс у країні порад). Далі буде сказано про проблеми складання батареї герметичних акумуляторів. Це не означає, що тези статті несправедливі для вентильованих батарей, просто для них є ще багато додаткових питань щодо системи обслуговування елементів в батареї.

Навіщо збирається батарея акумуляторів? – Для того, щоб отримати необхідну напругу для споживача, набрати необхідну ємність та забезпечити достатні потужні характеристики вторинного хімічного джерела струму. Для підйому напруги акумулятори з'єднуються в батареї послідовно, утворюючи "стрінг" (з англійської string – нитка). Для забезпечення підвищеної ємності та потужності стрінги акумуляторів з'єднуються паралельно. Якщо при паралельному з'єднанні акумуляторів навантаження на них балансується залежно від внутрішнього опору та напруги на елементі, то при послідовному з'єднанні все набагато гірше.

Представимо типову картину, яка призводить до деградації стрінга: у середині свинцево-кислотної батареї з'явився акумулятор із слабкішими характеристиками(відстаючий елемент) - через процес старіння в ньому зріс внутрішній опір і знизилася ємність, що віддається. У процесі розряду відстаючий елемент розряджається набагато швидше і висока ймовірність, що він розрядиться до нуля тоді, коли сусіди мають досить великий заряд. При подальшому розряді батареї розрядний струм сусідів діятиме на відстаючий акумулятор як зарядний струм, через що на негативних пластинах відстаючого акумулятора утворюється двоокис свинцю (замість свинцю), а на позитивних пластинах – свинець (замість діоксиду свинцю). Описане явище називається переполюсуванням (зміною полярності) акумулятора. Небезпека переполюсування відстаючого акумулятора не тільки в тому, що він вмирає, але і в тому, що акумулятор, що помер, різко знижує характеристики всього стрінга (на нього витрачається велика кількість енергії). Паралельне з'єднання акумуляторів менш небезпечне, проте акумулятори, що відстають, і тут знижують розрядні характеристики батареї.

Для паралельного з'єднання акумуляторних елементів слід пам'ятати про кілька підводних каменів. Перший це те, що для з'єднання слід використовувати акумулятори не тільки однакової ємності, але й однакового внутрішнього опору. Друге – те, що опір сполучної перемички від клем акумулятора до загального виходу батареї відноситься до внутрішнього опору джерела ЕРС, через що обов'язково слід ставити всі перемички однакового опору. Оскільки основне навантаження при паралельному підключенні йде на "здорові" акумулятори, підвищується ймовірність їх переходу в відстаючі розряди, що, зрештою, веде до деградації всієї батареї.

Своєчасне виявлення акумуляторів, що відстають, та виправлення ситуації – запорука тривалого життябатареї. Особливо важливо, щоб основні параметри акумуляторів батареї не відрізнялися більш, ніж на 5%. Необхідний щотижневий контроль напруги і температури після заряду на кожному акумуляторі (у акумуляторів, що відстають, високий внутрішній опір і знижена ємність, при заряді такий акумулятор гріється сильніше, а також швидше відбувається стан перезаряду, що веде до "википання" електроліту). Для вентильованих батарей важливий параметр, який можна перевірити – щільність та рівень електроліту. Для прогнозування стану батареї в майбутньому корисно вести щоденник вимірювання стану акумуляторів. При розкиданні параметрів акумуляторів, близьких до граничних 5%, необхідно провести еквалізацію батареї, що вирівнює заряд. Виявлені акумулятори, що відстають, необхідно видаляти з батареї. Для уникнення переполюсування необхідно контролювати напругу на найслабшому акумуляторі і вчасно, досягши нижньої межі напруги, перервати розряд батареї.

Заміна акумуляторів, що відстають, новими погіршує проблеми батареї – параметри нових акумуляторів, що краще вже циклювалися, тому небезпека переполюсування може зрости.

Все вищезгадане призводить до кількох висновків:

необхідно підбирати акумулятори в батарею з найближчими значеннями основних параметрів (ємність, напруга, внутрішній опір, рівень саморозряду, циклованість)
батарея повинна мати запас ємності для зменшення ймовірності переполюсування
необхідний постійний контроль за станом акумуляторів у батареї (можливе використання системи моніторингу та управління батареєю)
має сенс підбирати батарею з альтернативних хімічних систем, в яких немає небезпеки переполюсування та деградація параметрів окремого акумулятора.сильно не впливає на параметри всієї батареї

Широке практичне застосування першого методу знайшло у моделістів. Для живлення моделей у змаганнях життєво важливо підібрати легку та надійну батарею, яка може витримати дуже жорсткі умови експлуатації: швидкий та потужний розряд, потім швидкий заряд і так 5-10 разів на добу. Виграють ті моделі, батареї яких можуть витримати цей режим протягом тривалого часу (2-3 дні) без деградації характеристик. Так як в моделях використовуються малі за розмірами акумулятори, можна закупити велику кількість елементів розсипом. Після кількох тренувальних циклів заряду/розряду перевіряються параметри напруги, ємності та внутрішнього опору. Складається каталог параметрів акумуляторів. З дуже схожих за параметрами (розкид параметрів не більше 1%) елементів збирається батарея. Про трудомісткість цього процесу можна судити за тим фактом, що на підбір стрінга із шести акумуляторів потрібно перебрати понад тисячу вихідних елементів. Навіть використання комп'ютеризації та автоматизації основного процесу відбору не сильно знижують трудомісткість. Такі стрінги коштують у 3-4 рази дорожче, проте й працюють краще (при складанні батареї з розкидом параметрів акумуляторів у 5% сильно відстаючі з'являються після 10 інтенсивних циклів заряду/розряду, при використанні відібраних елементів – після 50 циклів).

Для великих акумуляторів можна обмежитися менш жорстким процесом відбору (оскільки є можливість створити додатковий запас ємності), що дозволить швидше підібрати стрінг. Також, маючи пристойний запас ємності, можна видаляти елементи батареї, що сильно відстають, без додавання нових, що знижує ймовірність подальшого дисбалансу. Також гарний запас ємності збільшує кількістьциклів заряду/розряду при частковому використанні батареї, причому зростання кількості циклів нелінійно збільшується від зменшення глибини розряду.

Використання системи моніторингу та управління батареєю дозволяє перенести важку ношу контролю стану окремих елементів на міцні кремнієві мізки контролера. Залежно від можливостей (визначають ціну системи управління), контролер може стежити за напругою, силою розрядного струму, кількістю циклів, температурою окремого елемента або групи елементів, контролери можуть шунтувати струм при перевищенні допустимих величин навантажень на елемент. Для здешевлення системи керування батареєю є сенс збирати стринг з дуже ємних елементів, що дозволить обмежитися відносно невеликою кількістю контролерів. Яскравим прикладом такого підходу є літій-іонні батареї, що широко використовуються.

Альтернативні хімічні системи мають право на життя при збиранні великої кількості акумуляторів в одну батарею. Хороший приклад такої системи – акумуляторні батареї ZEBRA для електротранспорту