Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи способны надежно работать в пределах заявленных заводом-изготовителем сроков службы при соблюдении правил эксплуатации, обслуживания и хранения, изложенных в соответствующих Руководствах. Существенное влияние на работоспособность и срок службы оказывают температурные условия, а также режимы заряда и разряда в процессе эксплуатации.
Оценивая условия эксплуатации резервных источников электропитания, применяемых в системах автоматики и телемеханики на видах транспорта, телекоммуникационного оборудования и оборудования связи, охранных и пожарных систем безопасности основное внимание следует обращать на место их установки. Если свинцово-кислотные аккумуляторные батареи расположены в капитальном помещении, то условия их работы, как правило, мало чем отличаются от тех, которые предписывает производитель. Условия эксплуатации батарей в наружных шкафах, где практически нет разницы с температурой внешней среды, заслуживают отдельного внимания. В этом случае не всегда выполняются требования к режиму заряда аккумуляторов, они часто подвергаются экстремальным тепловым нагрузкам, особенно в летний период и в регионах с жарким климатом. Все это сокращает прогнозируемый срок службы батарей.
Что происходит с аккумуляторными батареями во время работы при повышенной температуре
При высоких температурах из-за повышенного испарения воды быстро понижается уровень электролита в аккумуляторах, происходит повышенная коррозия токоотводов положительных электродов и увеличивается саморазряд батарей при их длительном хранении. Так, при нормальных условиях, а это в пределах 20ºС - 25ºС, саморазряд составляет в среднем в пределах 3% в месяц от заявленной производителем номинальной емкости.
Кроме того, при высоких температурах при заряде также может происходить неконтролируемый перезаряд батарей, при котором прослеживаются так называемые невосстанавливаемые деградационные процессы внутри батарей.
Важно учитывать тот факт, что если снижение температуры приводит к потере емкости, то при повышении температуры емкость увеличивается, что требует при заряде использовать понижающий температурный коэффициент, который в среднем составляет 0,003 В/°С. В противном случае идет перезаряд батарей, сопровождающийся обильным газовыделением и нагревом за счет ускорения реакций внутри батарей, а как следствие, терморазгоном с выходом батарей из строя, а в худшем случае деформацией корпуса, разгерметизацией или даже разрывом батарей.
Известно, что скорость протекания любой химической реакции возрастает в 2 раза при повышении температуры на каждые 10°С. Это положение полностью справедливо и для реакций, происходящих внутри свинцово-кислотных аккумуляторных батарей: при повышении температуры электрохимическая активность аккумуляторов возрастает, что и ведет к увеличению емкости (см. Рис. 1).
Рис. 1
Для заряда аккумуляторных батарей в наружных шкафах зачастую применяют преобразователи с недостаточно стабильными выходными характеристиками выпрямителя при отсутствии интеллектуального управления режимом заряда. В частности, у них низкая точность стабилизации выходного напряжения (более 2%), высокий уровень остаточных пульсаций и, как следствие, большая амплитуда наложенных переменных токов, протекающих через батарею. Также отсутствуют функции термокомпенсации напряжения заряда, о которых говорилось выше.
Не всегда в полной мере удается оценить влияние этих факторов на процесс старения батареи. Каждый отдельно и в сочетании они могут приводить к перезаряду или недозаряду аккумуляторов, и, как следствие, к ускоренной деградации и выходу их из строя. Поскольку предотвратить негативные воздействия невозможно, следует внимательнее следить за состоянием батареи в этих условиях, чтобы своевременно принять необходимые меры для обеспечения максимально возможных условий эксплуатации, рекомендованных производителем.
Все технические характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов, включая проектируемый срок эксплуатации, определены для эталонной температуры 20°С или 25°С в зависимости от серии батарей и производителей. Поддерживать эту температуру в течение всего срока службы невозможно, поэтому рекомендуемая температура эксплуатации, как правило, находится в пределах 10°С - 30°С без применения температурного коэффициента при заряде. Для многих типов аккумуляторов в этом диапазоне не требуется регулирование напряжения подзаряда (использование температурного коэффициента компенсации).
Однако условия работы батареи в наружных шкафах существенно отличаются от рекомендованных производителем. В летний период температура в них может подниматься и выше +60°С. При эксплуатации в условиях повышенных температур фактический срок службы батареи по сравнению с расчетным сокращается. Превышение эталонной температуры на каждые 10°С уменьшает этот период вдвое. Эта зависимость, подтвержденная практикой, лежит в основе методики испытаний батарей на долговечность в режиме ускоренного старения.
Так, в соответствии со стандартом ГОСТ Р МЭК 60896-21-2013: «Батареи свинцово-кислотные стационарные. Часть 21. Типы с регулирующим клапаном. Методы испытаний» предусмотрены испытания для определения влияния температурного воздействия 55°С или 60°С на срок службы. При этом аккумуляторные батареи, помещенные в тепловую камеру, заряжают при 55°С или 60°С напряжением «флотирующего» режима заряда, рекомендованного изготовителем для температуры 25°С, после чего через каждые 42 дня (для 55°С) или 30 дней (для 60°С) охлаждают и замеряют фактическую емкость при 3-часовом режиме разряда. Затем испытуемые образцы аккумуляторных батарей снова заряжают во «флотирующем» режиме заряда при 55°С или 60°С соответственно 42 или 30 дней. Такие испытания проводятся до тех пор, пока фактическая емкость не достигнет 80% от номинально заявленной емкости 3-часового разряда (0,8С3) производителем. На основе значений фактической емкости составляется график зависимости этих значений от дней проведения испытаний при температуре 55°С или 60°С и определяется точка пересечения линии регрессии, соединяющей индивидуальные точки фактической емкости с горизонтальной линией, соответствующей уровню емкости 0,8С3. Это дает информацию о поведении аккумуляторных батарей при эксплуатации в условиях чрезмерно повышенной температуры. Для дальнейших расчетов, чтобы привести сроки испытаний к срокам эксплуатации при 25°С, используют коэффициент энергии активации из уравнения Аррениуса, который отражает зависимость скорости протекания химической реакции от степени увеличения температуры и позволяет рассчитывать константы скорости при различных температурах.
Производители свинцово-кислотных аккумуляторов не предусматривают их эксплуатацию при температурах выше 60°С, так как уже при температуре выше 45°С срок их службы многократно сокращается. Например, если батарею, рассчитанную на 5 лет работы при 25°С, непрерывно эксплуатировать при 50°С, то учитывая прочие негативно воздействующие факторы, она будет работоспособной менее года (см. Рис.2).
Рис.2
В шкафах, где размещаются свинцово-кислотные аккумуляторы, должна быть предусмотрена вентиляция, поскольку при заряде выделяется взрывоопасный газ - водород. В зависимости от типа аккумуляторов - с жидким электролитом или герметизированных батарей - вентиляция может быть принудительной или естественной. Недопустимо устанавливать аккумуляторы в герметичных невентилируемых отсеках, в непосредственной близости от отопительных приборов, использовать вблизи них оборудование, которое может быть источником электрических искр или пламени, а также приборов накаливания с температурой поверхности выше 300°С.
Нельзя также забывать и о том, что аккумуляторные батареи необходимо защищать от попадания прямых солнечных лучей, особенно в летний период, так как у большинства производителей корпуса батарей окрашены в черный цвет, которые за счет солнечной радиации нагреваются быстрее.