В Сети полно негативных отзывов на кальциевые аккумуляторы, которые служат недолго, не заряжаются, не держат заряд, замерзает электролит. Популярны мифы о том, что они боятся «кипячения» при 16 и более вольтах, а ещё боятся разрядов, стремительно теряя ёмкость с каждым из них, будто бы, вследствие формирования слоя гипса — нерастворимого сульфата кальция, и вообще, стартерный аккумулятор, в отличие от тягового, для разряда не предназначен, разве только секунду покрутить стартер. Что, если взять реальный аккумулятор и проверить?
Будут видео и опыты с показаниями приборов. Попутно выясним, что такое мнимый или поверхностный заряд. И возможно, мы уже не раз сдавали в утиль хороший исправный аккумулятор. Что же с ним можно было сделать?
Подача слишком высоких токов и напряжений при заряде свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторных батарей, они же просто АКБ, чревата целым спектром опасных последствий, главными из которых являются выделение пожаровзрывоопасного водорода, токсичного сероводорода, разбрызгивание едкой кислоты, потеря воды из электролита, перегрев аккумулятора, вплоть до коробления пластин и короткого замыкания.
В отличие от популярной страшилки, будто пузырьки газов разрывают активную массу, (что не соответствует действительности, но чёрно-коричневую муть оплывшей активной массы положительных пластин они в электролит действительно поднимают, когда она уже оторвалась по иным причинам), перечисленное в предыдущем абзаце действительно опасно и для здоровья живых существ, и для сохранности окружающих аккумулятор ценностей, в первую очередь, самого автомобиля. Потому производители и продавцы аккумуляторных батарей публикуют легко запоминающиеся инструкции по максимально безопасным способам их подзаряда.
Да, именно подзаряда, то есть, частичного восполнения уровня заряженности, снизившегося в результате хронических, (например, езда в городском формате), или острых, (забыли выключить фары, пользовались лебёдкой, предпринимали попытки пуска не совсем исправного двигателя) причин.
▍Рекомендации предельно просты: заряжать током 10% ёмкости (6 А для 60 А*ч) до напряжения 14.4 вольта, (в разных версиях может варьироваться.) Легко запомнить и осуществить.
Это первая стадия заряда аккумулятора, основной заряд. А чтобы зарядить кальциевый аккумулятор полностью, необходимы ещё и последующие этапы заряда, которых в профиле может быть несколько. Эти этапы уже требуют знаний, оборудования и предосторожностей, потому о них краткие инструкции для широкого круга автомобилистов умалчивают.
Зачем нужен полный заряд аккумулятора, как его произвести, и чем чревато его отсутствие, мы сегодня установим экспериментальным путём.
Подопытный аккумулятор Bosch S4 005 2015 года выпуска, три с половиной года в эксплуатации. НРЦ — напряжение разомкнутой цепи, оно же ЭДС без нагрузки, 12.57 вольт.
Ток холодной прокрутки по стандарту EN 521 из 540 А, здоровье 96 %, внутреннее сопротивление 5.96 мОм.
Просадка под нагрузочной вилкой 200 А до 10.25 В. На холоде падало до 9.9.
Перед зарядом аккумулятор не забываем отогреть, помыть, зачистить клеммы. Устанавливаем следующие параметры заряда.
Этап основного заряда: максимальное напряжение 14.4 В, напряжение начала снижения тока 14.2 В, максимальный ток 6 А.
Окончание заряда по снижению тока до 50 мА, максимальное время заряда 48 часов.
Этап дозаряда: напряжение до 14.4 В, максимальный ток 2А, продолжительность 5 часов.
Такие настройки программируемого зарядного устройства (ЗУ) будут действовать следующим образом:
▍На клеммы подаётся ток 6 ампер до достижения 14.2 вольт. Это этап CC — constant current — постоянного тока
▍Далее напряжение стабилизируется на уровне 14.2, ток снижается. Это называется этапом CV — constant voltage — заряд снижающимся током при постоянном напряжении
▍Когда ток доходит до 50 мА, ЗУ без паузы переходит в дозаряд током 2А, который, скорее всего, пролетит очень быстро, до достижения напряжения 14.4 В
▍И далее продолжится при этом напряжении без ограничения минимального тока. Общее время дозаряда 5 часов.
Таким образом, имеем профиль, который можно назвать: либо двухэтапным — (основной заряд 6 А, 14.2 В, до 50 мА или 48 ч, и дозаряд 2 А, 14.4 В, 5 ч), либо четырёхэтапным — (1 — СС 6 А до 14.2 В, 2 — СV 14.2 В до 50 мА, общее время 1 и 2 не более 48 часов, 3 — CC 2A до 14.4В, 4 — CV 14.4 В, общее время 3 и 4 ровно 5 часов).
Когда аккумуляторщикам приходилось по показаниям приборов вручную переключать обмотки трансформаторов и двигать ползунки реостатов, логично было называть такой профиль 4-этапным, потому что роль стабилизатора напряжения и тока выполнял человек, который должен был знать, на каком этапе каких положений стрелок добиваться. Сейчас время автоматических стабилизаторов тока и напряжения, выполняющих обе функции в одном устройстве, потому логично назвать заряд двухэтапным. Пока есть, куда расти напряжению, ток стабилен, работает обратная связь по току. Когда напряжение достигло уставки, ток снижается, действует ОС по напряжению.
Если в распоряжении нет программируемого ЗУ с таймером и отслеживанием минимального тока или ЗУ-автомата, реализующего более сложные алгоритмы с паузами и реверсом в реальном времени, а есть регулируемый стабилизированный блок питания или ЗУ на основе такого блока, устанавливаем напряжение и ток регуляторами, за временем следим по часам, а за током по амперметру.
Разряжать будем до напряжения под нагрузкой 12 В, током 2.4 А, всего проведём 4 таких цикла. Как известно, контрольно-тренировочный цикл улучшает состояние аккумулятора, если производится адекватно.
Прошло чуть более 4 суток, идёт заряд после четвёртого разряда. Наблюдаем монотонное снижение отдаваемой ёмкости с каждым циклом. Получается, что сейчас мы либо подтвердили на опыте расхожий тезис о том, что разряд даже до 12 вольт под нагрузкой вредит кальциевым аккумуляторам, (зачем только они тогда производятся, ведь именно при разряде химический источник тока приносит пользу, для этого он предназначен), либо попалась плохая (изношенная, умирающая, неудачная, поддельная) батарея, (почему тогда тестер и вилка показали хорошее здоровье?), либо заряд производился неадекватно.
Сурьмянистый аккумулятор, кальциевый аккумулятор, — это всё тот же свинцово-кислотный аккумулятор. Раньше для прочности в свинцовый сплав пластин добавляли сурьму, и газовыделение начиналось при низком напряжении, что вело к потере воды и необходимости её доливать несколько раз в год. После долива дистиллированной воды следовало заряжать АКБ, что обременяло и огорчало автолюбителей. Зато газовыделение способствовало перемешиванию электролита.
В целях снижения расхода воды при эксплуатации аккумулятора, чтобы он меньше нуждался в обслуживании, производители стали переходить на кальциевую технологию. Добавка кальция в сплав не только повышает прочность пластин, но и снижает саморазряд, позволяет повысить пусковые характеристики, уменьшает газовыделение, так как разложение воды из электролита на кислород и водород происходит при более высоком напряжении, чем в сурьмянистом аккумуляторе.
В результате, при эксплуатации расходуется меньше воды, её приходится доливать реже. Пробки можно закрыть этикеткой, либо вообще запаять крышку, упразднив доступ к электролиту, если расход воды настолько мал, что её заводской заправки хватает на весь срок службы батареи. Для отвода газов в обоих случаях делается лабиринт в крышке.
Но снижение газовыделения означает ухудшение перемешивания электролита. Насколько это важно, и к чему ведёт?
Прошёл час с момента завершения заряда после четвёртого цикла. Напряжение разомкнутой цепи 13.45 В.
Снимем так называемый поверхностный заряд вилкой 200 ампер. ЭДС просела до 10.6 В. Это лучший результат, чем в начале, но ёмкость АКБ, тем не менее, упала.
С момента прекращения заряда прошло 18 часов. НРЦ 13.3 В. Как видим, оно завышенное.
Просадка под вилкой до 10.55.
Прошло больше часа. НРЦ 13.25. Запомним это напряжение после циклов с максимальным напряжением заряда 14.4 В. Далее произведём выравнивающий восстановительный цикл по методике аккумуляторщика Виктора, и сравним два значения НРЦ.
Первый этап заряда — до падения тока ниже 100 мА при напряжении 14.7 В.
Второй этап — до 16.2 В током 1/30 номинальной ёмкости (для 60 А*ч это 2 ампера) до неснижения тока в течение 2 часов.
В таком режиме отдано всего 5.1 ампер*часов, потому продолжим дозаряд до 16.5 В для качественного перемешивания электролита.
За 5 часов батарее сообщено почти 10 А*ч. Это оказалось необходимым вследствие сульфатации и расслоения электролита.
Ночью процесс дозаряда не завершился, остановим и возобновим с утра. Показания тока в районе 1.2 А держатся в течение часа. Понаблюдаем ещё час.
Час почти прошёл, ток не снижается. Останавливаем заряд.
Обратим внимание на НРЦ. Прошло более полутора часов, напряжение 13.25 В.
ЭДС под нагрузкой 200 А просела до 10.65, затем поднялась до 10.7 В. Результат лучше всех предыдущих в этом эксперименте.
Прошло 18 часов, НРЦ 13.06 В.
Итак, после нескольких часов «кипячения» при 16.5 вольтах мы получили напряжение разомкнутой цепи ниже, чем после заряда до 14.4. Получается, аккумуляторная батарея теперь заряжена хуже, и правы те, кто утверждает: «кипятить» не нужно и вообще вредно?
В напряжение разомкнутой цепи и ЭДС под малой нагрузкой делает свой вклад не только термодинамическая ЭДС активных масс, несущих полезный заряд, но и целое множество других факторов.
Во-первых, пузырьки газов в порах активных масс имеют свою электродвижущую силу. На этом эффекте основан топливный элемент, в котором электролиз идёт наоборот: происходит синтез воды из подаваемых водорода и кислорода с выработкой электрической энергии. Потому НРЦ свинцово-кислотной ячейки, или вообще любой пары электродов в каком-нибудь электролите с пузырьками выше, чем без них.
Во-вторых, потенциал той или иной точки в электрическом поле зависит от расстояний между носителями заряда в пространстве. В банке аккумулятора носителями заряда являются ионы, главным образом, сульфат-ион и гидроксоний, или попросту протон H+, ядро атома водорода.
В школьном опыте мы берём какой-нибудь материал, трём его о ткань или бумагу, подносим к шару электроскопа, и ничего не происходит. Стрелка не отклоняется, искр не видно и не слышно, не пахнет озоном. Всё потому, что заряженные тела не разнесли в пространстве.
Оторвав предмет от бумаги или ткани, мы своей мускульной силой преодолеваем электростатическое притяжение, а работа этой силы преобразуется в электрическую энергию. Получаем заряд, отклоняющий стрелку электроскопа, и энергию, способную, например, зажечь неоновую или ртутную лампу, произвести коронный или искровой разряд с выделением теплоты, света, звука, преобразованием кислорода в озон, и так далее.
Для получения разности потенциалов и энергии потребовалось не просто соприкосновение материалов с разными свойствами, но разнести носители заряда в пространстве. В современном свинцовом аккумуляторе имеется губчатая структура активных масс и плотные сепараторы. Всё это мешает дрейфу ионов, в виде которых находится серная кислота в жидком водном растворе, и эти ионы в пространстве создают электрическое поле, то есть, градиент потенциала, влияющий на разность потенциалов электродов.
Наконец, термодинамическая ЭДС свинцово-кислотной электрохимической ячейки зависит от концентрации кислоты, а она тяжелее воды и стремится вниз. При расслоении даже недозаряженные участки активных масс внизу банок дают НРЦ как у заряженных и даже выше.
Потому уровень заряженности одним только вольтметром не определить. Чем выше НРЦ — не факт, что лучше. Более того, завышенное НРЦ чаще всего свидетельствует о расслоении электролита и недозаряде. Адекватные тестеры аккумуляторных батарей при НРЦ сверх нормы рекомендуют снять поверхностный заряд, фарами, и повторить тест.
Все вышеописанные паразитные перенапряжения имеют общее свойство: «мнимый» заряд не способен давать значительный ток, в отличие от «честного» заряда активных масс. Потому под адекватной нагрузкой ЭДС проседает до уровня, адекватного истинному уровню заряженности. Разрядный ток снимает поляризацию, но не устраняет расслоение электролита. В этом различие расслоения и поверхностного заряда — поляризации. То и другое часто называют «мнимым зарядом».
Мнимый заряд — явление, при котором напряжение разомкнутой цепи свинцово-кислотного аккумулятора не соответствует реальному уровню заряженности при данной температуре и концентрации электролита. Составляющими мнимого заряда являются расслоение (стратификация) электролита, перенапряжение от которого восстанавливается после снятия нагрузки, и поверхностный заряд — совокупность явлений поляризации, создаваемое которыми перенапряжение не возвращается после отключения разрядного тока.
Нагрузочная вилка 200 А после заряда по методу Виктора через 20 часов показывает точно такую же просадку с 13.10 до 10.65 и подъём до 10.70 В, как и 18 часов назад. Это очень хороший результат.
Тестер показывает ток холодной прокрутки 605 из 540 А по EN, внутреннее сопротивление 5.13 мОм, здоровье АКБ и уровень заряженности 100%. Сделав выравнивающий восстановительный заряд, мы вернули аккумулятору былую молодость.
В процессе разряда кислота по всему объёму и всей высоте банок АКБ уходит на химическую реакцию Гладстона-Трайба. В процессе заряда кислота по всему объёму и всей высоте выходит из сульфатов и возвращается в электролит. Но законы природы не обмануть. Чистая серная кислота имеет плотность 1.84 грамма на кубический сантиметр, что почти вдвое тяжелее воды. Выделяясь, она стремится уйти вниз и выталкивает воду наверх. При 14.4 В на клеммах газообразование в банках кальциевого аккумулятора отсутствует или пренебрежимо мало, потому не происходит перемешивания электролита. Губчатая структура активных масс и плотные сепараторы усугубляют проблему.
Для осуществления реакции в направлении заряда необходима вода, потому в нижней части банок и глубине активных масс заряд прекращается раньше времени, тогда как в верхней части и на поверхности средней части пластин он ещё идёт. Потому низ пластин и глубина активных масс испытывают прогрессирующую сульфатацию: всё больше активных масс выходят из полезной работы. Взглянем ещё раз на таблицу контрольно-тренировочных циклов до 14.4В, где хорошо видна эта плохая динамика.
При заряде по методу Виктора с активным перемешиванием электролита по всей высоте и всему объёму, в нижней части пластин концентрация кислоты снизилась, поступила вода, и пошёл процесс заряда. Сульфат стал постепенно растворяться, и после восстановительного заряда ранее сульфатированные активные массы вернулись в работу.
Прошёл ещё час с момента теста нагрузочной вилкой. НРЦ по вольтметру Кулона-912 12.98, по вольтметру вилки НВ-03 13.00. Запускаем разряд.
Спустя 12 минут разряда, под нагрузкой 2.4 А ЭДС 12.66 В.
Ёмкость разряда до 12 вольт под этим током составила 29.11 А*ч. Ставим на заряд.
Основной заряд длился 6 часов 20 минут, батарее сообщено 27.28 А*ч. Обратим внимание: это ниже 29.11, отданных при разряде. Потому без дозаряда прогрессирует недозаряд, (на что слово дозаряд прозрачно намекает).
Прошло 8 часов дозаряда, показания тока не менялись 2 часа. Пора завершать.
13 вольт — нормальное НРЦ здорового заряженного аккумулятора.
Показания тестера ещё немного улучшились: EN 607 A, 5.11 мОм. Два заряда с «кипячением» при 16.5 В улучшили все характеристики аккумуляторной батареи, тогда как при ограничении до 14.4 наблюдали падение ёмкости, (зато аномальный рост НРЦ вследствие прогрессирующего расслоения электролита).
Существуют таблицы для определения степени заряженности АКБ по напряжению разомкнутой цепи, но они не учитывают поляризации — поверхностного заряда, а также аномального завышения НРЦ вследствие расслоения электролита. Потому применительно к современным кальциевым аккумуляторам такие таблицы, а также реализующие их индикаторы уровня заряда на базе простейшего вольтметра, не дают адекватных показаний.
Отсутствие адекватного дозаряда в первых циклах нашего опыта привело к деградации параметров АКБ, но эта деградация не стала необратимой, а была исправлена путём адекватного выравнивающего восстановительного дозаряда с десульфатацией и перемешиванием электролита. Генератор автомобиля и зарядные устройства, не реализующие перемешивание и десульфатацию при повышенном напряжении, осуществить такой дозаряд не могут.
Потому очень многие сдают в утиль исправный, работоспособный аккумулятор, параметры которого можно восстановить путём адекватного дозаряда, что и произошло в описанном эксперименте.
Напоследок отметим, что этапы дозаряда при 16 и более вольтах актуальны не только для кальциевых АКБ с жидким электролитом, но входят в рекомендации таких производителей, как Chaowei (Chilwee) и Tianneng для… гелевых кальциевых тяговых АКБ с углеродными добавками в активные массы! Ещё один шах и мат страшилкам и мифам. Разумеется, фирменная документация содержит параметры каждого этапа, включая временные рамки, их очерёдность и условия, при которых запускать тот или иной этап, либо пропустить и перейти к следующему.
Встречается и вульгарная версия «кипячения» в один этап током 10% ёмкости, напряжением 16 вольт. Такой заряд аккумулятору и всему вокруг него действительно навредит, поскольку не учитывает кинетики физических и химических процессов в аккумуляторной батарее, в соответствии с которой разработаны многоступенчатые профили заряда. Большим током можно производить основной заряд до невысокого напряжения, и переходить к этапам высоковольтного дозаряда только после того, как ток основного заряда снизился до заданной величины. Существуют умные ЗУ со сложными алгоритмами, использующие токи и напряжения выше стандартных профилей для повышения эффективности этапов, но там реализованы обратная связь в реальном времени и микропроцессорный контроль.
Вульгарное одноэтапное «кипячение» как раз и породило миф о губительности 16 и даже 15 вольт, тогда как неспособность более низкого напряжения обратить вспять прогрессирующие недозаряд и сульфатацию мифы о мнимых недостатках кальциевых аккумуляторов. Разумеется, при недозаряде ёмкость и токоотдача будут падать, пластины разбухать от сульфатов вплоть до коробления и короткого замыкания, активная масса замёрзнет, а электролит замёрзнет. Но виной тому не заговор или недобросовестность производителей, а игнорирование особенностей современных аккумуляторов при их эксплуатации.
Статья составлена в сотрудничестве с автором видео, осуществившим описанный эксперимент.
