Перемешивается ли электролит в аккумуляторе при движении автомобиля?
Привет, Хабр! Серная кислота почти вдвое тяжелее воды, и её водные растворы, в том числе аккумуляторный электролит, склонны к расслоению: тяжёлая кислота вытесняет лёгкую воду вверх и опускается вниз. Как это влияет на работу аккумуляторной батареи, и насколько эффективно перемешивает электролит тряска при движении транспортного средства? Проведём эксперимент с видео и показаниями приборов.
▍Перед началом опыта, вспомним известные факты о расслоении электролита:
❒ Основная токообразующая реакция в свинцовом аккумуляторе, — двойная сульфатация по Гладстону-Трайбу, — требует для заряда воды, которая расходуется из электролита с выделением кислоты, а при разряде наоборот, расходуется кислота и выделяется вода.
❒ Обязательными условиями заряда участка активной массы являются наличие в этом участке воды, а также электрический потенциал не ниже необходимого для преодоления термодинамической электродвижущей силы — ЭДС — на этом участке. ЭДС тем выше, чем выше концентрация кислоты.
❒ Следовательно, повышенная концентрация электролита в нижней части банок и глубине намазок пластин АКБ — аккумуляторной батареи — ведёт к тому, что для преодоления термодинамической ЭДС требуется более высокое напряжение на клеммах. При недостаточном напряжении заряд участка активной массы (АМ) с повышенной концентрацией кислоты не произойдёт никогда. Также препятствует заряду и недостаток воды в данном участке АМ.
❒ И заряд, и разряд активных масс ведут к расслоению электролита, так как выделяющаяся при заряде кислота стремится вниз, а образующаяся при разряде вода — вверх. Таким образом, если не предпринять специальных мер, при любой глубине циклирования или просто саморазряде АКБ расслоение электролита прогрессирует.
❒ Современные типы АКБ характеризуются плотными сепараторами, препятствующими оплыванию активных масс и короткому замыканию. Они повышают надёжность, виброустойчивость и срок службы АКБ, но и препятствуют перемешиванию электролита, усугубляя тенденцию к расслоению.
❒ Чем более прогрессирует расслоение электролита, тем большая доля активных масс при штатном зарядном напряжении не заряжается, то есть, остаётся в виде сульфата свинца, склонного переходить в труднорастворимую форму. Это явление называется сульфатацией. Не следует путать с двойной сульфатацией п. 1 — нормальной токообразующей реакцией. Сульфаты имеют меньшую плотность, чем заряженные АМ — губчатый свинец отрицательных пластин и оксид свинца положительных, потому сульфатированные намазки увеличиваются в объеме, что ведёт к разрушению конструкции аккумулятора и коротким замыканиям. П. 5 этому препятствует, но при отсутствии периодического выравнивающего заряда АКБ с расслоением и сульфатацией теряет ёмкость, токоотдачу и концентрацию кислоты в верхних слоях электролита.
❒ Электролит с низкой концентрацией кислоты замерзает при более высокой («менее минусовой») температуре, потому расслоение электролита ведёт к выходу аккумулятора из строя в зимнее время.
По просторам Всемирной Паутины с давних времён гуляет множество мифов о губительности «кипячения», — заряда с перенапряжением и выделением водорода и кислорода, пузырьки которых перемешивают электролит, для автомобильных АКБ. Многие руководствуются этими мифами при заряде АКБ и выборе для этого зарядных устройств — ЗУ.
Отчасти поэтому, во многих моделях ЗУ производители ограничивают напряжение на уровне, не допускающем «кипения» электролита, в других моделях предоставляют пользователю выбор максимальных напряжений заряда путём ступенчатого переключения или плавной регулировки, даже если ЗУ представляет собой не просто источник питания со стабилизацией тока и напряжения (СС/CV), а имеет алгоритмы автоматического управления напряжением и током согласно табличным значениям профиля или на основании измерения характеристик АКБ.
Водород, аэрозоль серной кислоты и сероводород, могущие выделяться при заряде аккумулятора, действительно опасны, потому заряжать следует в проветриваемом помещении, адекватно управлять током, напряжением и временем заряда, изучить и соблюдать технику безопасности.
В сегодняшнем эксперименте посмотрим, насколько перемешают электролит пара современных отечественных ЗУ, и насколько это требуется от ЗУ вообще, применительно к стартерной аккумуляторной батарее. Ведь она монтируется на автомобиле (мотоцикле, снегоходе, катере…), а тот испытывает ускорения и вибрации при движении. Некоторые авторы считают, что поездки перемешают электролит, потому в функции зарядного устройства это не входит. Давайте попробуем, и узнаем.
Подопытным будет аккумулятор АКОМ +EFB 6СТ-60VL. Со времени предыдущего стационарного обслуживания он использовался на автомобиле 4 месяца. График работы владельца автомобиля — сутки через трое, каждая поездка занимала 20 минут. Стартер и сигнализация за трое суток простоя в каждом таком цикле расходовали примерно 3 ампер*часа.
Начнём с измерения параметров текущего состояния. И как всегда, в первую очередь вымоем корпус и зачистим клеммы.
Напряжение разомкнутой цепи — НРЦ, оно же ЭДС без нагрузки, по показаниям трёх приборов 12.48, 12.50, 12.52 В.
Плотность электролита по банкам колеблется от 1.22 до 1.23. В крайних банках плотность ниже, в средних выше. Это тенденция, обычная для свинцовых батарей.
Итак, наблюдаем расхождение: НРЦ соответствует уровню заряженности выше 80%, плотность электролита при котором должна быть 1.24, а по плотности уровень заряженности получается 75%, НРЦ должно быть 12.4 В. Причиной такого несоответствия как раз является расслоение электролита за 4 месяца эксплуатации под капотом. Повышенная концентрация кислоты в нижней части банок создаёт завышенное НРЦ. АКБ в таком состоянии необходим стационарный заряд.
Напряжение под нагрузочной вилкой не падает ниже 10 вольт, аккумулятор способен крутить стартер. Но если почитать инструкцию от производителя, то там чётко и ясно написано: если плотность ниже 1.25, аккумулятор требуется зарядить до плотности 1.28. Также в инструкции сказано, что можно оценить степень заряда по напряжению, и рекомендуется производить стационарный заряд при НРЦ ниже 12.5, но если имеется доступ к электролиту, то лучше проверить его плотность.
Приступаем к заряду зарядным устройством BL1204 на программе 2.
Заряд длился 9 часов. Плотность по банкам составила от 1.23 до 1.24.
По графику напряжения на клеммах, видно, что ЗУ производит основной заряд с подачами и паузами разной продолжительности, а затем три этапа непрерывного дозаряда, после чего последовали тест АКБ и буферный режим 13.65 В. Однако для кальциевой АКБ до 14.8 вольт происходит лишь основной заряд, потому продолжим заряд на программе 4.
Время заряда составило 1 час 16 минут плюс 20 часов в режиме буферного хранения. Плотность поднялась ещё на одну сотую и составила от 1.24 до 1.25. Сделаем ещё один проход на 4-й программе.
Время заряда снова 1 час 16 минут. Плотность поднялась всего на 0.005. Перезапустим программу 4 в третий раз.
Третий проход длился те же 1 час 16 минут. Плотность снова поднялась на 0.005. Отключаем ЗУ от АКБ. После отстоя продолжительностью 18 часов 20 минут НРЦ 13.20 В. При плотности 1.25 это говорит об очень сильном расслоении электролита. Запустим программу 4 ещё раз.
Заряд длился на этот раз около 50 минут. Плотность электролита не поднялась. Попробуем воспользоваться другим ЗУ.
Возьмём Бережок-V, установим 15.9 В — то же максимальное напряжение, что у BL1204.
Ток изменяется от -0.2 до 4.5 ампер. Отрицательное значение тока — не ошибка токовых клещей, а разрядные импульсы в асимметричном (реверсивном) заряде.
Заряд длился 4 часа, за которые ЗУ сделало две длительные паузы, и затем перешло в режим хранения — не поддержание буферного напряжения, как BL1204, а периодический подзаряд.
В пиках напряжение достигает тех же 15.9.
Плотность в 5 банках составила 1.26 или чуть выше, и в одной 1.255. Оставим АКБ на ночь дозаряжаться в режиме хранения.
По прошествии 15 часов, импульсы тока доходят до 5 А, снижаясь менее чем за секунду до 1 А.
Для отбора проб электролита из глубины банок воспользуемся удлинённой пипеткой, гибкий наконечник которой может пройти сбоку от пластин. Короткой пипеткой произведём отбор, как обычно, из верхнего слоя.
Плотность верхнего слоя составила 1.26, нижнего почти 1.31. Это весьма значительное расслоение, обуславливающее высокое напряжение разомкнутой цепи при недозаряженных и сульфатирующихся нижних частях пластин. Ни одно из применённых ЗУ при заряде нашего аккумулятора до 15.9В с расслоением не справилось.
Устранят ли поездки такое расслоение? Для непосредственной проверки установим АКБ под капот, для чего пришлось удлинить провод массы.
Для лучшего перемешивания прибавим напряжение бортовой сети с 14.3 до 14.8 В, так как это позволяет сделать трёхуровневый регулятор напряжения.
Приборная панель Gamma GF-618 позволяет регистрировать данные поездок, что тоже очень пригодится в нашем эксперименте.
Пробег за трое суток в городском режиме составил 143.7 километра. Большое количество разгонов и торможений должно способствовать перемешиванию электролита.
Израсходовано 12.8 литров бензина.
После таких поездок плотность на глубине составила 1.29.
Плотность сверху 1.27. Предписываемого инструкцией значения 1.28 так и не достигли. Расслоение до сих пор присутствует. Покатаемся ещё трое суток, на этот раз, не только по городу, но и по трассе.
Итого за 6 суток автомобиль двигался восемь с половиной часов.
Общий пробег за это время 377.8 км.
Бензина затрачено 28.8 литра.
Плотность электролита наверху и внизу, наконец, уравнялась, и составила чуть ниже 1.27.
Итак, чтобы устранить расслоение в Ca/Ca EFB аккумуляторе после нескольких перезапусков стационарного заряда до 15.9 вольт, понадобилось почти 378 километров пробега и 29 литров бензина при напряжении бортсети 14.8 В. Сделаем выводы:
Q: Перемешивается ли электролит в современном кальциевом аккумуляторе с высокой плотностью сепараторов и упаковки пластин при движении транспортного средства?— Да, действительно перемешивается.
Q: Насколько такое перемешивание эффективно?— Мягко говоря, не очень.При более низком напряжении бортовой сети и более коротких поездках расслоение электролита продолжило бы прогрессировать
Q: Остались ли после всех стараний в испытуемом аккумуляторе недозаряд и сульфатация?— Да, остались. Чтобы считать данную АКБ заряженной, мы должны получить плотность верхних слоёв не менее 1.28.
Q: Проявляют ли EFB аккумуляторы, вместе со склонностью к расслоению электролита, заявленную стойкость к длительному недозаряду (PSoC, partial state of charge, состояние частичной заряженности) и циклированию с глубокими разрядами?— Да, как показывают другие наши исследования, которые продлжаются, уже выложено несколько видео, и готовятся следующие видео и статьи.
Q: Тем не менее, будут ли ёмкость, токоотдача и устойчивость к замерзанию электролита деградировать если не предпринимать периодических регламентных процедур по полному стационарному заряду?— Будут, у любого свинцово-кислотного аккумулятора, потому что препятствует замерзанию концентрация кислоты в растворе, полезная ёмкость обеспечивается количеством заряженных (десульфатированных) активных масс, а способность отдавать ток полезной нагрузке и оперативно восполнять затраченную энергию от генератора автомобиля или иного зарядного устройства — действующей площадью активных масс. На ёмкость и токоотдачу влияет доступность воды для заряда и кислоты для разряда, т.е. расслоение электролита напрямую вредит этим ключевым для химического источника тока параметрам.
Теперь давайте всё-таки продолжим заряд данной аккумуляторной батареи. На этот раз начнёт Бережок-V, при том же напряжении окончания заряда 15.9 В.
Заряд продолжался около 4 часов, плюс 4 часа в хранении.
Плотность поднялась с чуть ниже 1.27 до 1.275. Передаём эстафетную палочку BL1204.
Заряд длился около часа, и далее 14 часов в режиме хранения.
Плотность осталась 1.275.
Установим на Бережке-V ограничение напряжения 16.7 вольт и запустим заряд.
По прошествии 4 часов ЗУ автоматически перешло в режим хранения. Плотность и над пластинами, и на глубине чуть выше 1.28. Электролит перемешан, расслоение устранено.
Адекватный стационарный заряд не только перемешивает электролит эффективнее, чем ускорения и вибрации при движении транспортного средства, но и позволяет более полно зарядить аккумуляторную батарею, устранить сульфатацию, поднять эксплуатационные характеристики.
Спустя сутки, имеем следующие показания тестера:
Здоровье 100%, внутреннее сопротивление 4.81 мОм, ток холодной прокрутки 574 из 560 А по стандарту EN. НРЦ 12.80 В соответствует плотности 1.28. Расслоения нет, АКБ в полном порядке, можно ставить под капот.
Статья составлена в сотрудничестве с аккумуляторщиком Виктором VECTOR, осуществившим описанные опыты.
