Тестируем аккумуляторы для грузовых автомобилей: Banner Buffalo Bull SHD 725 03
Привет, Хабр! Не легковушкой единой жив человек. Иногда даже IT-самураю, придерживающемуся в быту предельной минималистичности, чтобы ничего не отвлекало от интеллектуальных свершений, приходится заказывать что-нибудь крупногабаритное.
Это может быть радость приобретения огромного OLED-телевизора или уютного предмета мебели. Ещё радостнее, когда приобретение обусловлено добрым событием в семье. Например, получением наследства рождением нового Человека.
А уж общество и бизнес не могут жить без грузового транспорта вообще. Потому сегодня испытаем пару аккумуляторов для грузовых автомобилей, ёмкостью целых 225 А*ч. Почему именно пару, узнаем далее.
Маркировка SHD означает устойчивость АКБ к вибрации, которая на грузовых автомобилях бывает очень сильной. Также официальный сайт австрийской компании-производителя утверждает, что АКБ серии SHD прекрасно переносят глубокое циклирование, то есть разряд и последующий заряд.
▍ Особенности современных аккумуляторов
Классические SLI, — starter, light, ignition, — стартер, освещение, зажигание, — автомобильные аккумуляторы, в отличие от тяговых, для циклирования не предназначались. Их многочисленные тонкие пластины обладали развитой рабочей площадью активных масс, что обеспечивало высокий пусковой ток, необходимый для старых, труднозапускаемых двигателей со старыми, подверженными загустеванию при низкой температуре, смазочными материалами.
При циклировании эти тонкие пластины быстро корродировали и коробились. Активные массы оплывали и осыпались, что приводило к коротким замыканиям. Потому в нижней части банок (ячеек) аккумуляторов предусматривались ниши-отстойники для шлама. Наклонять и сильно трясти аккумуляторную батарею было нельзя, потому что шлам мог замкнуть пластины.
Современные АКБ имеют более толстые пластины, улучшенный состав решёток (с добавлением в свинцовый сплав кальция, серебра и других легирующих агентов), и активных масс, (куда добавляют волокнистые материалы, имеющие связующее действие и капиллярный эффект, улучшающий доступ активных веществ в зону реакции и отвод продуктов реакции в электролит). В число возможных волокнистых добавок входят шерсть животных, целлюлоза, асбест, кремнезём, графен.
Другая отличительная особенность современного автомобильного аккумулятора — плотные сепараторы, то есть пористые перегородки из кислотостойкого диэлектрического материала между пластинами. Положительные пластины, наиболее подверженные оплыванию активных масс, помещают в конверты.
Технология EFB, — enhanced flooded battery, — улучшенная наливная батарея, — предусматривает, кроме конвертов, сепараторы из стекловолокна, которые ранее использовались только в AGM, — absorbent glass mat, — аккумуляторах со впитывающими стекломатами в качестве сепаратора.
Все эти инновации повышают вибростойкость, долговечность, надёжность аккумулятора и его способность к циклированию, но и создают склонность к устойчивому расслоению электролита, вследствие чего прогрессирует сульфатация.
Сульфатация — это процесс образования труднорастворимых кристаллов сульфата кальция вследствие длительного пребывания участка активной массы в разряженном состоянии.
Основная токообразующая реакция свинцового аккумулятора, благодаря которой запасается в химической форме и затем используется электрическая энергия, описывается уравнением Гладстона-Трайба, суть которого следующая.
При разряде губчатый свинец отрицательных активных масс и оксид свинца положительных АМ превращаются в сульфат свинца. Из электролита расходуется кислота, в электролит выделяется вода. Серная кислота тяжелее воды, потому под действием гравитации стремится вниз и вытесняет воду вверх. При заряде с химической точки зрения всё происходит наоборот, но с физической ничего не меняется. Кислота тонет, вода всплывает.
Вода является не только растворителем серной кислоты, но и необходимым реагентом, затрачиваемым в ходе заряда. Если в каком-либо участке активных масс недостаточно воды, реакция заряда не осуществится, а протекающие через электрохимическую ячейку кулоны пойдут на нагрев аккумулятора и разложение воды на кислород и водород там, где АМ уже заряжены.
Кислород в присутствии серной кислоты будет окислять свинец до оксида. Попадая на ОАМ, это вызовет превращение участка ОАМ в ПАМ, что образует короткозамкнутую ячейку, которая моментально разрядится до сульфата с выделением тепла. При попадании на положительные решётки и тоководы, кислород превращает свинец в оксид, то есть вызывает коррозию, нарушающую механическую прочность и электрическую проводимость.
А экологически чистый, но пожаровзрывоопасный водород просто улетучится из аккумулятора, вследствие чего произойдёт необратимая (если нет возможности долить), потеря воды.
Чтобы минимизировать потерю воды на электролиз, свинцовый сплав решёток легируют кальцием, который повышает потенциал, необходимый для выделения водорода. Однако снижение газовыделения при эксплуатации устраняет и перемешивание электролита пузырьками газов, усугубляя его расслоение.
Когда значительная часть серной кислоты сконцентрирована в нижней части банок и химически связана в застарелых сульфатах, содержание кислоты сверху банок падает, и, соответственно, растёт температура замерзания. В случае которого, электролит не только перестаёт выполнять свою функцию, из-за чего двигатель не заведётся, но и расширяется, вызывая механическое разрушение аккумуляторной батареи.
Потому необходим полный заряд АКБ при вводе в эксплуатацию и периодический полный стационарный заряд с десульфатацией, перемешиванием электролита и контролем эксплуатационных параметров.
▍ Знакомимся с подопытными
Буквенный код даты производства у обоих аккумуляторов одинаковый. EICB P означает 29 ноября 2021 года. Испытания производились в марте 2022 года.
Ток холодной прокрутки (ТХП) в стандарте EN заявлен для этих АКБ с их ёмкостью 10-часового разряда 225 ампер*часов совсем небольшой, 1150 ампер. Это потому, что пластин в его банках мало, и они толстые. Зато это создаёт такой запас прочности, что производитель разрешает использовать аккумулятор в качестве тягового.
Чтобы проверить плотность электролита, которая является показателем концентрации в нём серной кислоты, пришлось аккуратно отклеить верхнюю этикетку, под которой находятся пробки. В отличие от легковых аккумуляторов, здесь банки расположены в два ряда.
Пробки имеют уплотнительные кольца красного цвета из кислотостойкой резины. Это фирменная особенность аккумуляторов марки Banner.
Плотность электролита в АКБ номер 1 составила, от минусовой до плюсовой банки, 1.26, 1.26, 1.255, 1.25, 1.26, 1.26 граммов на кубический сантиметр. В АКБ номер 2 соответственно 1.26, 1.26, 1.26, 1.255, 1.26, 1.26. Это говорит о том, что оба аккумулятора хорошо сбалансированы и имеют одинаковую степень заряженности.
Закручиваем пробки и производим измерения тестером Konnwei KW710.
АКБ1: внутреннее сопротивление 2.39 мОм, пусковой ток 1221 А, напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) 12.71 В. АКБ2: 2.31 мОм, 1260 А, 12.71 В.
На сайте Banner сказано, что плотность электролита в полностью заряженном аккумуляторе должна составлять 1.28 килограмма на кубический дециметр. То есть, новые АКБ не являются полностью заряженными. И в любом случае, перед проверкой ёмкости аккумуляторы следует зарядить.
Температура в помещении составляет 27.9 градуса Цельсия. Для быстрого и эффективного заряда свинцово-кислотного аккумулятора нужно, чтобы она была не ниже 25 градусов, для наилучшей диссоциации сульфата свинца. Заряжать будем адаптивными ЗУ Бережок-V1 в автоматическом режиме.
С момента окончания заряда прошло 12 часов. Аккумуляторы отстоялись. Плотность аккумулятора во всех банках обоих аккумуляторов одинакова и равна 1.28, как и предписывает инструкция производителя.
▍ Когда следует доливать электролит?
Разумеется, эта инструкция не означает, что в случае низкой плотности электролита следует доливать в аккумулятор концентрированный электролит. Его доливают исключительно в случаях, когда имела место потеря электролита, (а не воды из него).
Во всех остальных случаях возвращать серную кислоту в электролит следует не путём долива извне, а путём десульфатации, то есть, полного заряда всех активных масс, сохранивших электрический контакт с полублоками.
Следует отметить, что некоторые стационарные АКБ, произведённые по AGM или GEL технологии, комплектуются ёмкостями-дозаторами с электролитом, который предписывается долить после определённого срока службы или падения параметров до указанного уровня.
Но во-первых, этот электролит разбавленный, плотностью не выше 1.20. (Тогда как концентрированный 1.40, рабочая плотность в полностью заряженных «мокрых» АКБ варьируется от 1.27 до 1.31, а в AGM и GEL может быть выше).
Во-вторых, производители таких АКБ не предполагают, что аккумуляторщик будет производить длительную десульфатацию. Предполагается, что после доливки разбавленного электролита аккумулятор возвратится в источник бесперебойного питания или солнечную (ветряную) систему.
Добавочная кислота скомпенсирует ту, что связана в сульфатах. Сульфатированные активные массы не вернутся к полезной работе, то есть ёмкость и токоотдача аккумулятора останутся сниженными. Зато его ЭДС, — электродвижущая сила, — за счёт восстановления концентрации кислоты придёт в норму. И контроллер ИБП или энергосистемы будет снова считать аккумулятор исправным, а не аварийным.
То есть, бутылочки с электролитом позволяют продлить срок службы АКБ в автоматизированной системе без восстановления ёмкости и токоотдачи. А за счёт воды, содержащейся в долитом электролите, аккумуляторы перестают перегреваться при заряде или буферном подзаряде.
Имея зарядное устройство и знания о десульфатации, можно и нужно восстановить аккумулятор без долива электролита, доливая при необходимости только дистиллированную воду.
Показания тестера после заряда составили: для АКБ1 — 2.28 мОм, 1278 А, 12.92 В; для АКБ2 — 2.28 мОм, 1280 А, 12.93 В. И снова видим, что АКБ почти идентичны. Это означает, что они будут хорошо работать в паре, будучи последовательно соединёнными в 24-вольтовой бортовой сети.
Если между банками и батареями в последовательной сборке имеется разбаланс, то в процессе эксплуатации он будет прогрессировать. То есть, в отстающих банках будут развиваться недозаряд, сульфатация и расслоение электролита, а опережающие будут терять воду и испытывать коррозию.
На заряд АКБ1, имевшей при первичном контроле более высокое внутреннее сопротивление, ушло 33.8 ампер*часа, тогда как на заряд АКБ2 — 24 А*ч, то есть на целых 40% меньше. То есть, АКБ1 потребовалась значительная доформовка пластин.
Почему трёхпроцентная разница внутренних сопротивлений привела к 40% разнице в количествах электричества, что потребовались для выравнивающего заряда?
Дело в том, что электрическая проводимость пропорциональна рабочей площади активных масс, то есть квадратичной функции от линейного размера. А ёмкость — количеству вещества, то есть массе, то есть объёму, а он является функцией кубической. И КПД заряда ниже ста процентов.
Кроме собственно преобразования сульфата свинца в губчатый свинец и его оксид, необходимо ещё подвергнуть диссоциации труднорастворимые кристаллы сульфатированных или недоформованных АМ, перемешать электролит. И преодолеть поляризацию, для чего надо зарядить паразитные ёмкости.
Как видим, очень важно контролировать параметры АКБ и полностью заряжать их при вводе в эксплуатацию. Чем больше свинцово-кислотных ячеек в последовательной цепи, тем это условие критичнее для долговечности, надёжности и эффективности химического источника тока.
Именно это и является главной особенностью обслуживания свинцовых аккумуляторов на грузовых автомобилях, электроскутерах, железнодорожных вагонах, в системах бесперебойного питания и возобновляемой энергетики.
Возникновение и развитие разбаланса в «длинной», «высоковольтной» сборке свинцовых аккумуляторов усугубляется тем, что поляризация двойного электрического слоя, а также возникающая в результате пространственного расположения носителей заряда в банке, вызывает эффект паразитного ионистора с довольно значительной ёмкостью.
Каждое изменение силы зарядного или разрядного тока, а тем более смена его направления, приводит к перезарядке этих паразитных ёмкостей, в результате чего заряд и разряд банок с краёв и в середине сборки происходит неравномерно.
Это заметно уже в 12-вольтовом аккумуляторе, где проблемы чаще всего возникают в крайних банках. А электроскутеристы давно заметили, что крайние батареи в сборке изнашиваются первыми, и рекомендуют периодически переставлять АКБ местами.
В случае грузовых аккумуляторов это несколько затруднительно, потому что масса каждого из подопытных одинакова и равна 57.7 кг.
Примерно столько весил мой самодельный электромопед с четырьмя АКБ 12В 12А*ч на борту. Напишите в комментариях, сколько ампер*часов в такой 48-вольтовой батарее. 48, 12, а может быть, 3, ведь при последовательном соединении 4 одинаковых конденсаторов их ёмкость не умножается, а делится на 4?
▍ Резервная ёмкость
Разряжать АКБ будем при помощи модульной программируемой электронной нагрузки Atorch DL24M. Это солидное устройство с 4-проводным кельвиновским подключением, цветным экраном и возможностью соединения со смартфоном или ПК через Bluetooth. Сегодня доступна его обновлённая версия DL24MP в 4 вариантах комплектации от одного до четырёх 150-ваттных силовых модулей.
Разрядный ток можно настроить от 3 мА до 40 А с шагом 1 мА. Диапазон напряжений испытываемого источника питания от 2 до 200 вольт. Можно испытывать не только огромные свинцовые аккумуляторы, но и литиевые элементы и батареи всех типоразмеров, а также карманные павербанки с USB и цилиндрическими разъёмами.
Сегодня настроим прибор на разряд стабилизированным током 25 ампер с отключением при достижении напряжения на клеммах 10.5 вольт под нагрузкой. То есть, проверим резервную ёмкость.
Испытываем АКБ1 при температуре 26.5 градусов Цельсия.
Разряд завершён. Резервная ёмкость составила 536,5 минут, то есть почти 9 часов.
Эта величина измеряется именно в минутах, потому что означает время, в течение которого АКБ сможет питать электрооборудование автомобиля, включая зажигание, топливные насосы, световые приборы, антиблокировочную систему тормозов, усилитель руля, то есть всё то, что позволит безопасно доехать до места стоянки или ремонта в случае отказа генератора.
Ведь в современном автомобиле даже системы с механическим, пневматическим и гидравлическим приводом имеют электронное управление. Даже педаль акселератора, и та электронная.
За эти 9 часов АКБ отдала 223.52 А*ч, то есть почти паспортное значение ёмкости 20-часового разряда. Что подтверждает тезис производителя о том, что аккумулятор можно использовать в качестве тягового.
Согласно закону Пейкерта, чем большим током мы разряжаем химический источник тока, тем меньшую полезную ёмкость до касания определённого напряжения под нагрузкой он отдаст.
Это обусловливается и падением напряжения на внутреннем сопротивлении, и поляризацией под действием разрядного тока, и тем фактом, что под действием большего разрядного тока на рабочей поверхности активных масс растут более крупные кристаллы сульфата свинца, которые забивают поры АМ и препятствуют доступу до более глубоких заряженных слоёв.
Как и серная кислота при сульфатации и расслоении, так и разница в ёмкости при разряде большим током никуда не теряется и не улетучивается, но запечатывается до тех пор, пока аккумулятор не будет заряжен.
▍ Ёмкость по ГОСТ
Температура аккумулятора 26.4 градуса Цельсия. Настал черёд проверить ёмкость 20-часового разряда, потому перенастроим электронную нагрузку на 11.25 А.
Параметры двух аккумуляторов различаются совсем незначительно, потому для экономии времени будем разряжать АКБ2, не дожидаясь, пока зарядится АКБ1.
Ёмкость разряда 5-процентным током составила 242.45 А*ч, что превышает паспортную почти на 8%. Прекрасный результат!
Теперь по традиции измерим параметры аккумуляторов в разряженном состоянии. АКБ1: 4.37 мОм, 668 А, 11.91 В, SoH — state of health — состояние здоровья 58%. АКБ2: 5.81 мОм, 502 А, 11.75 В, 43%.
Вторая АКБ разряжена глубже, так как отдала больше ёмкости, потому имеет более высокое внутреннее сопротивление. Тем не менее, тестер показывает прекрасное состояние здоровья, что говорит о способности АКБ быстро и эффективно восполнить основной заряд.
Тогда как полный дозаряд современного кальциевого аккумулятора — это всегда долго и нудно. Быстро и легко заряжались старые сурьмянистые АКБ, но и срок службы, и надёжность, и токоотдача, и ёмкость у них были ниже. И воду приходилось доливать часто, и наклонять было нельзя.
Потому не стоит считать, будто раньше, когда мы были моложе, обладали более крепкими и чувственными организмами, а бабушка с дедушкой были живы, всё в мире было настоящим и лучшим. Всё в мире развивается, мы продолжаем дела наших предков и предшественников, и жизнь, и развитие должны продолжиться после нас.
А что касается технологий, то нужно уметь осваивать новое, понимая его преимущества, недостатки и особенности.
Оба аккумулятора зарядились и отстоялись. Температура остаётся прежней, 26.4 градуса. Протестируем заряженные батареи.
АКБ1 — 2.24 мОм, 1300 А, 12.91 В; АКБ2 — 2.24 мОм, 1300 А, 12.92 В. Видим, что благодаря произведённому контрольно-тренировочному циклу характеристики обоих аккумуляторов не только улучшились, но и ещё больше сравнялись.
Прекрасная динамика, прекрасные показатели. Австрийские аккумуляторы Banner Buffalo Bull SHD 725 03 однозначно можно рекомендовать для использования на грузовых автомобилях, а также в качестве тяговых или стационарных.
К сожалению, они дорогие и труднодоступные, но ценность сегодняшнего опыта состоит в том, что он задаёт отправную точку, на которую можно ориентироваться при оценке других аккумуляторов.
Опытные данные предоставлены автором экспериментов и видео — Аккумуляторщиком Виктором Vector.
На очереди испытание грузовых аккумуляторов, произведённых на территории Евразийского экономического союза, результаты которых мы сможем сравнить с австрийскими Banner.
А ещё у нас есть баннер RUVDS, по которому можно получить скидку на услуги хостинга. Ведь кроме тяжёлых аккумуляторов и огромных грузовиков, есть ещё и информационные технологии.
