Слишком часто можно услышать критику в адрес аккумуляторов типоразмера 15х165х94 для ИБП, 7 Ач самой низкой ценовой категории. В основном производителей ругают за то, что заявленная ёмкость не соответствует реальной. Но, на самом деле всё неоднозначно, ведь во-первых, каждый конкретный аккумулятор предназначен для конкретных целей, а во-вторых, многое зависит от условий эксплуатации, зарядного и разрядного токов, а также качества сборки, содержания свинца (число положительных и отрицательных пластин). Т.е., по сути, главный показатель у всех один, чем больше вес – тем дороже цена экземпляра.
Это начало публикации накопившихся за пять лет материалов, которые появились в результате экспериментальных исследований, целью которых было изучение возможности восстановить ёмкость свинцово-кислотной аккумуляторной батареи методом переполюсовки.
Экспериментальные исследования – это сказано слишком громко, ибо это скорее всего что-то типа хобби. Что касается истинной цели этого хобби, то это разговор очень долгий. Но, если коротко, судя по публикационной активности на тему восстановления ёмкости аккумулятивных батарей, то тема эта в Сети достаточно актуальна. Причём, качество информации, связанной с восстановлением ёмкости аккумуляторных батарей – очень низкое. Анализ серьёзных научных публикаций в РИНЦ (НЭБ eLIBRARY.RU) и журналах индексируемых в Scopus и Web of Science, также не даёт однозначного ответа на вопрос: возможно ли восстановить ёмкость свинцово-кислотного аккумулятора? Если возможно, то на сколько процентов?
На рисунке 1 представлен аккумулятор «Optimus», с заявленной ёмкостью 7 Ач. Судя по его весу (1,7 кг) и ценовой категории в которой он находится, реальная его ёмкость составляет около 4-5 Ач. При этом, внутреннее сопротивление для такой ёмкости колеблется в пределах 40-50 мОм, тогда как при ёмкости 7 Ач сопротивление должно быть не более 30 мОм [1].
Тестер аккумуляторных батарей AE300 не претендует на высокую точность и адекватность показаний, тем не менее, для оперативной оценки состояния аккумулятора он вполне пригоден. Так как CCA (Cold Cranking Amps) ток холодного пуска (холодной прокрутки) по понятным причинам на таких аккумуляторах не указывается, то его можно рассчитать по формуле, разделив ёмкость на 0,0725.
При ёмкости в 7 Ач значение тока ССА будет равно 96 А, в данном случае (например, 4,5 Ач) ССА составит около 62 А. Но, так как у AE300 самый младший разряд это цифры «0» или «5», то устанавливается значение ССА для данного экземпляра в 60 А.
В итоге (рисунок 1), можно констатировать тот факт, что ёмкость восстановлена почти на 100% от реальной, ССА – 56 А, внутреннее сопротивление – 49,2 мОм.
Собственно, с целью проверки возможности восстановления ёмкости свинцово-кислотных аккумуляторов и возник этот проект. Опять же, хотелось бы особо подчеркнуть, что никакой коммерческой выгоды в ходе проведённых исследований не преследовалось, а некоторые результаты данной многолетней работы были использованы, используются и будут использоваться далее в других, более серьёзных НИР и НИОКР.
Когда было доказано экспериментально, что ёмкость аккумулятора технологии AGM (Absorbent Glass Mat) при определённых условиях всё же не только возможно восстановить на 100% (хотя, достаточно было бы и на 50-80%), но, можно даже увеличить его срок службы теоретически до бесконечности, а фактически до 10-15 лет как минимум. Но, это уже совсем другая тема.
И так, начнём с сегодняшнего дня. А далее если будут вопросы, то пойдём не по хронологии назад, а по тем конкретным вопросам, которые были изучены по данной теме за последние годы.
Вообще, было исследовано более полусотни аккумуляторов AGM заявленной ёмкостью от 4,5 Ач до 18 Ач и напряжением от 6 В до 12 В. В основном, это аккумуляторы предназначенные для работы в ИБП ёмкостью 7 Ач таких производителей как «Delta», «Yuasa», «Leoch», «CSB», «Optimus», «Security Force», «Alarm Force» и др.
Собственно, все вышеперечисленные брэнды отличаются качеством изготовления, и, соответственно, весом (кг) и ценой. Поэтому, говорить о том, какой из них лучше, а какой хуже, нет смысла, так как у каждого потребителя свои предпочтения. Кто-то хочет подороже, кто-то подешевле, другое дело, что, например, «Yuasa», «Leoch» или «Delta» даже вскрывать приятно, а порой и даже жалко (если не удаётся устранить замыкание пластин без вскрытия), потому как они наиболее подходящие для восстановления. Именно по этой причине, в последние 2-3 года, все эксперименты по восстановлению методом переполюсовки производятся в основном на дешевых аккумуляторах «Security Force» и «Alarm Force».
Что такое метод восстановления ёмкости методом переполюсовки?
Выражаясь точнее, речь идёт об изменении полярности аккумулятора, т.е., когда «+» (катод) превращается в «-» (анод), и наоборот.
Известно, что электрохимическая реакция в аккумуляторе идёт слева направо при разряде, и справа налево - при заряде:
Грубо говоря, не углубляясь в теорию электрохимии, для пластин свинцово-кислотного аккумулятора нет никакой разницы, какие пластины будут положительные, а какие отрицательные. Изначально (до формовки), и те и другие абсолютно одинаковые. Просто, когда мы покупаем в магазине новый аккумулятор, у него отрицательные пластины имеют светло-серый цвет - чистый губчатый свинец Pb, а положительные темно-коричневый – диоксид (перекись) свинца PbO2.
Экспериментально было доказано, что если аккумулятор разрядить до нуля, и после этого начать его заряд (малыми токами 0,01С) в обратной полярности, то, в результате и произойдёт то, что называется переполюсовка. Т.е., аккумулятор восстановит изначальную ёмкость (всё зависит от изначального состояния), темно-коричневые пластины (PbO2) превратятся в светло-серые (Pb), и наоборот.
Также известно, что деградации и разрушению подвержены как раз положительные пластины. Окисляясь, под воздействием повышенных температур при заряде, PbO2 вызывает деформацию плюсовой пластины, что как правило приводит к следующему:
- короткие замыкания в области перемычек отрицательных пластин;
- разрушение свинцовой основы (сетки) пластины;
- разрушение контактов соединения пластин с общей перемычкой.
Таким образом, если никаких видимых разрушений еще нет, то положительные пластины можно восстановить фактически на 100% произведя их переполюсовку. Т.е., превратив начинающие разрушаться положительные пластины в нормальные отрицательные.
Здесь есть еще один важный момент. Всё дело в том, что перед тем как приступать к восстановлению аккумуляторной батареи методом переполюсовки, необходимо произвести его диагностику. Как минимум, проверяется наличие отколовшихся частей перемычек в каждой банке, коротких замыканий (КЗ), возможной сульфатации и т.д.
Кстати, КЗ между пластинами можно устранить двумя способами, без вскрытия аккумулятора или вскрыв соответствующую банку. Когда закорочены несколько банок, то проще всего полностью вскрыть экземпляр. Практика показывает, что если в процессе переполюсовки начинает коротить вторая, а потом и третья банка, то высока вероятность, что этим дело не кончится.
С сульфатацией всё проще. Если аккумулятор удалось переполюсовать, то при высокой сульфатации он просто не будет брать даже и 10-20% своей ёмкости. В таком случае, нужно производить десульфатацию или снижать её путём циклирования (заряд-разряд). Но, это также уже совсем другая и длинная тема.
Еще один важный момент.
Основная проблема выхода из строя любой свинцово-кислотной батареи – это разбалансировка элементов (банок) по напряжению. Грубо говоря, работает у вас аккумулятор долго и исправно, но, так как все банки находятся в разных условиях, и не могут быть абсолютно одинаковыми по параметрам изначально, то, как говорится, одна из банок начинает «проседать». Далее этот процесс может идти лавинообразно. В результате, мы вынуждены сдавать на металлолом весь аккумулятор, хотя 5 из 6 его частей находятся в хорошем состоянии. Поэтому, заряжать свинцово-кислотный аккумулятор необходимо с использованием балансира (BMS battery management system – система управления батареей), каждую банку отдельно. Впрочем, это тоже немного другая тема, и о том, как сделать выводы от каждой банки у любого аккумулятора, можно будет подробно рассказать в отдельной публикации.
И так, Security Force 7 Ач, который был приобретён мной в 2018 г. для того, что бы две-три ночи в полевых условиях питать светодиодную лампочку 5 Вт, заряжать телефон и питать (через специальный DC-DC) ноутбук. Предполагалось подзаряжать его посредством солнечной энергии, от панели 100 Вт через контроллер (solar charge controller) типа KW1210.
Но, с солнечной батареей не сложилось, в результате - глубокий разряд, и уже через несколько дней после покупки, замеры показали, что выжать из него больше, чем 0,5 Ач просто так не получится. В таком состоянии он пролежал около полугода, после чего в него была долита вода, и сделано три цикла заряд-разряд с использованием IMAX B6. Отстоявшись в заряженном состоянии (ёмкость 0,8 Ач) около суток, он был разряжен током 0,5-1 А до нуля, и сразу же подключён к ЛБП с обратной полярностью и током 100-150 мА.
Примерно через сутки-двое, когда напряжение достигло 2 В, были произведены циклы заряд-разряд IMAX B6 током 0,5-1 А. Сначала 12-вольтовый аккумулятор циклировался как один элемент, т.е., заряд до 2,4 В, разряд до 0-1,8 В, затем как два 0-4,8 В и т.д. В конце концов, данный экземпляр был успешно переполюсован, а его стабильная ёмкость составила примерно 0,4-0,6 Ач. Далее, аккумулятор в заряженном состоянии (12,8 В) простоял несколько суток, напряжение упало до 12,2 В, и к нему был применен второй этап восстановления методом переполюсовки.
Суть этого метода заключается в том, что аккумулятор разряжается достаточно большим током, фактически до нуля. Ток разряда, в зависимости от экземпляра может колебаться от 2 до 8 А. При этом главный параметр, за которым необходимо следить – это температура. Она не должна превышать 40-50 °С (установлено экспериментально), в противном случае, возможно возникновение КЗ в отдельных банках.
После такого, шокового разряда, аккумулятору нужно дать отстояться примерно 12-20 часов. За это время он восстановит напряжение до 10-12 В. Далее следующий цикл заряда током 1-2 А, и, снова, следим за температурой. После заряда снова даём 12-20 часов отстоятся, дозаряжаем, обычно добавляется 10-150 мАч (всё зависит от интенсивности саморазряда), и повторяем разряд.
После нескольких циклов ёмкость Security Force, которому был присвоен №3, достигла 1,4 Ач, он был вставлен в ИБП и проработал до конца 2021 год. Когда обнаружилось, что компьютер с монитором перестали включаться от обесточенного ИБП, аккумулятор был извлечен из бесперебойника, и началась отработанная уже к этому времени вторая переполюсовка (рисунок 2).
Кстати, после извлечения аккумулятора из ИБП, была обнаружена утечка электролита. Подозрения пали на трещины в корпусе с одной из сторон.
С ремонтом корпуса легко справляется дихлорэтан, особенно если в нем растворить кусочек пластмассы такого же корпуса (рисунок 3). Но, это не помогло.
Как выяснилось позже (после добавления воды), электролит протекал в месте соединения верхней крышки с третей банкой, что было устранено путём нанесения суперклея «Контакт».
Последнее, что необходимо сделать перед второй переполюсовкой – это сделать выводы (отпайки) соединений между банками, всего 5 штук. Данная технология также уже давно отработана, и её описанию можно будет посвятить отдельную статью. Процедура не сложная, из инструментов понадобится ножовка по металлу, часть полотна от ножовки по металлу, дрель, свёрла диаметром 2-3 мм и 8-10 мм, заточенная плоская отвертка, паяльник и обуженный медный провод диаметром 1 мм (рисунок 4).
Ниже кратко, в хронологическом порядке приводится последовательность восстановления ёмкости свинцово-кислотной батареи технологии AGM методом двойной переполюсовки.
После однократной переполюсовки (описано выше), аккумулятор «Security Force» заряжается на 100% (до 14,40 В), и через 15-20 часов разряжается током 0,5-1 А до нуля, после чего «+» аккумулятора подключается к «-» ЛБП, «-» аккумулятора, к «+» ЛБП. Ток устанавливается в пределах 100-150 мА. Далее, все действия аналогичны первой переполюсовке (описано выше).
В настоящее время, эффект от второй переполюсовки объяснить теоретически достаточно сложно, но, факт остаётся фактом, ёмкость восстанавливается на первом этапе не менее чем на 75-80%.
Аккумулятор Security Force SF 1207 с заявленной ёмкостью 7 Ач, судя по [2], имеет реальную ёмкость чуть более 4 Ач. Точнее, при разряде токами 6-10 А, ёмкость составляет чуть более 3 Ач, при разряде малыми токами (200-300 мА) – до 5 Ач.
Таким образом, ССА для тестера АЕ300 для данного образца устанавливаем на 80 А, что соответствует ёмкости 5,8 Ач.
Тест 18:00, 18.02.2022 г.
Заряд отключен при напряжении 14,40 В, токе 0,8 А. Почему заряд не был продолжен до тока 0 А? Это как раз связано с особенностью зарядно-разрядных характеристик при восстановлении ёмкости второй переполюсовкой.
Так, после цикла глубокого разряда, аккумулятор заряжается начальным током 1-2 А до напряжения 14,4 В достаточно быстро, за 3-5 часов, что вполне логично. Но, при этом ток падает до 0,5-1,0 А, и далее, примерно такое же время остаётся стабильным, после чего постепенно начинает расти до 0,7-1,2 А.
Поэтому, цикл зарядки необходимо прекратить по достижении стабильного значения тока, чтобы предотвратит перегрев.
Результаты тестирования приведены на рисунках 5 и 6.
После паузы 15-20 часов, продолжаем зарядку аккумулятора начальным током 2 А.
Через 5 минут ток - 1,2 А, напряжение - 14,17 В.
Через 30 минут ток - 1 А, напряжение - 14,70 В, ёмкость – 0,576 Ач.
Измерения показали, что на элементах №1, №3, №4, и №6 напряжение 2,30-2,45 В, а на элементах №2 и №5 напряжение 1,98-2,11 В.
Далее заряжаем элементы №2 и №5 по отдельности током 1-2 А (рисунок 7).
Результат заряда элемента №2 через 632 минуты приведён на рисунке 8.
Результат зарядки через 636 минут на элементе №5 представлен на рисунке 9.
Остановка заряда элементов №2 и №5 в 08:05 19.02.2022 г.
Замер напряжения по элементам после паузы в 3 часа:
№1 – 2,10 В
№2 – 2,26 В
№3 – 2,08 В
№4 – 2,06 В
№5 – 2,21 В
№6 – 2,09 В
Тест 11:45, 19.02.2022 г.
Установка ССА – 80 А. Результаты тестирования представлены на рисунке 10. Ток ССА вырос до 89,6 А (было 78,4 А), что соответствует ёмкости 6,49 Ач, внутреннее сопротивление снизилось до 29,2 мОм (было 31,3 мОм).
Теперь зададимся главным вопросом: а может ли быть ёмкость восстановленного аккумулятора больше, чем нового? Вероятнее всего, такого быть не может. Да, ток по ССА может достигать любых значений, вплоть до 95 А заявленной ёмкости в 7 Ач, хотя, не верить [2], как и множеству других тестов, обзоров и публикаций повода нет.
Поэтому, делать какие-либо выводы пока рано. Необходимо довести заряд данного экземпляра до 100%, т.е., когда на каждом из элементов ток упадёт до нуля при напряжении 2,4 В, а затем произвести разряд током 200-300 мА посредством IMAX B6.
Аналогичные эксперименты по восстановлению ёмкости аккумуляторов «Alarm Force», «Yuasa», и «Delta» методом двойной переполюсовки показали, что ёмкость можно восстановить на 70-80% от реальной.
Ну а пока, продолжаем экспериментировать в свободное от основных дел время, производим дозаряду элементов №1 и №6 вышеуказанного Security Force SF 1207 (образец №3), и корректировать плотность электролита в образцах №1 и №2 Alarm Force FB 7.2-12.
Использованы источники
1. Встречайте аккумулятор Оptimus OP12-7 [Электронный ресурс] // Независимое тестирование аккумуляторов. URL: http://akbtest.ru/optimus (Дата обращения: 18.02.2022).
2. Тестирование двух аккумуляторов Security Force SF 1207 [Электронный ресурс] // Независимое тестирование аккумуляторов. URL: http://akbtest.ru/test_security_force_sf_1207 (Дата обращения: 18.02.2022).
