Привет, Хабр! Резервная ёмкость автомобильной аккумуляторной батареи (АКБ) измеряется в минутах и означает время, за которое полностью заряженный аккумулятор разрядится током 25 ампер до напряжения под нагрузкой 10.5 вольт.
Иными словами, эта характеристика аккумулятора отвечает на вопрос, сколько минут автомобиль сможет проехать в случае выхода генератора из строя, и получится ли достичь места стоянки или ремонта своим ходом.
В ночное время, и особенно на зимней загородной трассе, от этого может зависеть здоровье и жизнь водителя и пассажиров, ведь без электропитания не работают ни двигатель, ни обогрев салона, ни световые приборы.
В испытаниях участвуют четыре российских аккумулятора: АКТЕХ Standart, Тюмень ASIA, АКОМ ASIA, Tubor Classic, а также белорусская АКБ ZUBR ASIA. По итогам четырёх этапов тестирования получилась такая таблица с рейтингом аккумуляторов.
Мы уже разряжали четыре аккумулятора током 3.25 А и один током 3 А, потому что его паспортная ёмкость 60, а не 65 ампер*часов. А теперь установим стабилизированный разрядный ток 25 ампер.
▍ Падение на внутреннем сопротивлении
Зачем это нужно? Если аккумулятор имеет ёмкость 65 А*ч, то током 3.25 А он будет разряжаться 20 часов, а током 25 А — соответственно, 2 часа 36 минут, разве не так? — Нет, не так.
Во-первых, падение напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора прямо пропорционально силе разрядного тока. При 25 амперах даже на 5 миллиомах падает целых 125 милливольт, что более чем на одну десятую вольта выше, чем 16.25 мВ при 3.25 А.
Уже по одной этой причине при более высоком токе заданный порог напряжения окончания разряда будет достигнут раньше, и, соответственно, измеренное значение полезной ёмкости окажется ниже.
▍ Поляризация
Далее, в свинцово-кислотном аккумуляторе имеет место явление поляризации под действием зарядного и разрядного тока. В первом случае ЭДС поляризации прибавляется к термодинамической ЭДС электрохимической ячейки, а во втором — наоборот.
Если рассматривать предельно обобщённо, то явление поляризации обусловлено расположением носителей заряда в пространстве банки. А стало быть, величина ЭДС поляризации и скорость её нарастания зависит от конструктивных особенностей аккумулятора.
▍ Распределение кислоты в объёме банки
В-третьих, сама термодинамическая ЭДС зависит от концентрации серной кислоты в электролите. Причём при растворении в воде кислота диссоциирует, и находится в электролите в виде ионов сульфата и гидроксония, то есть соединения ядра атома водорода (протона) с молекулой воды.
Концентрация ионов в объёме банки аккумулятора неодинакова. Вследствие притяжения Земли более тяжёлый сульфат-ион стремится вниз, на дно банки, вытесняя лёгкий гидроксид-ион.
Это является причиной гравитационного расслоения электролита, порождающего основную массу проблем, возникающих при эксплуатации свинцового аккумулятора. Самая очевидная из них — опасность замерзания верхних слоёв электролита в зимнее время. Ведь именно от концентрации кислоты зависит температура замерзания электролита.
Отметим, что внутреннее сопротивление свинцового аккумулятора тоже зависит от концентрации кислоты в электролите, причём эта зависимость также нелинейная.
Слегка разряженная АКБ имеет более низкое внутреннее сопротивление, чем полностью заряженная. Именно по этой причине на графике разряда аккумулятора стабилизированным током имеется участок с подъёмом напряжения на клеммах вскоре после начала разряда.
От незнания особенностей сопротивления электролита происходят два распространённых заблуждения: «цифровые тестеры врут» и «заряд с перенапряжением разрушает аккумуляторы, особенно кальциевые».
Особенности конструкции аккумулятора влияют на картину распределения ионов кислоты и воды в объёме банки, следовательно, и на составляющие итогового напряжения на клеммах под нагрузкой: термодинамическую ЭДС, поляризацию и внутреннее сопротивление.
▍ Основная токообразующая реакция
В-четвёртых, при протекании реакции Гладстона-Трайба в направлении разряда расходуется кислота, без которой не будет вырабатываться электрическая энергия. При последующем заряде эта кислота вернётся в электролит, зато будет затрачиваться вода, которая возвратится при разряде.
Разряд аккумулятора значительным током означает высокую скорость расхода кислоты и образования воды в порах активных масс. В случае если свежие сульфат-ионы не успевают диффундировать из окружающего электролита в зону реакции, ЭДС при разряде стабилизированным током будет проседать.
Все вышеописанные явления ведут к тому, что заданное условие отключения электронной нагрузки — достижение порогового значения напряжения на клеммах 10.5 вольт — будет достигнуто раньше, чем при разряде более низким током.
▍ Эффект запечатанной ёмкости
Явление снижения полезной ёмкости химического источника электроэнергии при повышении разрядного тока было описано в 1897 году и получило название эффекта Пейкерта, по имени своего первооткрывателя. Специфика свинцово-кислотных аккумуляторов включает ещё одну особенность, усугубляющую этот эффект.
При низком разрядном токе на губчатой поверхности активных масс растут мелкие кристаллы сульфата свинца, а при высоком токе разряда эти кристаллы получаются более крупными, за счёт чего закупоривают поры и препятствуют дальнейшему доступу сульфат-ионов из электролита.
Образуются участки губчатого свинца отрицательных активных масс (ОАМ) и оксида свинца положительных АМ (ПАМ), не участвующие в дальнейшем разряде. Накопленные в таких временно недоступных участках АМ электрический заряд и энергия называются запечатанной ёмкостью.
Этот заряд и эта энергия не исчезли в никуда, что было бы нарушением законов сохранения. Они не превратились и в тепло. Последующий заряд растворит крупные кристаллы, загораживающие приток кислоты и отток воды.
Однако на протяжении текущего сеанса разряда запечатанная ёмкость остаётся недоступной, (если не разряжать асимметричным током, например, на электроскутере с рекуперативным торможением). Соответственно, при большей силе стабилизированного разрядного тока мы получим от аккумулятора меньше ампер*часов, чем при разряде током меньшей силы.
▍ Капилляры в активных массах
Чтобы ослабить эффект запечатанной ёмкости, в материал активных масс добавляют различные волокнистые субстанции, капиллярный эффект которых улучшает обмен ионов между зоной реакции Гладстона-Трайба и окружающим электролитом. В число таких добавок могут входить волокна целлюлозы, шерсть животных, асбест или кремнезём, а также графеновые нанотрубки.
Учитывая всё вышенаписанное, соотношение между ёмкостью 20-часового разряда и резервной ёмкостью при разряде током 25 ампер зависит от конструкции аккумуляторной батареи и материалов, использованных для её изготовления. Для разных АКБ это соотношение будет разным.
Поэтому мы будем измерять резервную ёмкость наших аккумуляторов, несмотря на то, что уже измерили 20-часовую ёмкость.
▍ Аккумуляторы готовы к разряду
Все четыре исправных аккумулятора полностью заряжены, и были подключены к зарядным устройствам в режиме хранения.
Мы используем зарядные устройства (ЗУ) «Бережок-V1», осуществляющие хранение не в буферном режиме с поддержанием постоянного низкого напряжения на клеммах, а с полным прекращением подачи тока и периодическим подзарядом более высоким напряжением.
Таким образом, в ходе хранения АКБ продолжается десульфатация, которая не происходит при буферном напряжении. Такая импульсная десульфатация более эффективна, чем десульфатация малым стабилизированным током без ограничения напряжения, потому что периодически происходит небольшое кратковременное газовыделение, перемешивающее электролит.
▍ Сульфатация и десульфатация
Десульфатацией, в отличие от обычного заряда, называется процесс диссоциации застарелых сульфатов, которые не образовались при полезном разряде, а кристаллизовались из раствора при длительном нахождении в недозаряженном состоянии.
Для десульфатации требуется повышенное напряжение, особенно с учётом того, что сульфатированные участки активных масс обычно окружены электролитом с повышенной концентрацией серной кислоты и, соответственно, недостатком воды.
Это создаёт целых две проблемы. Для протекания реакции Гладстона-Трайба в направлении заряда необходима вода как расходуемый реагент и разность потенциалов, превышающая ЭДС электрохимической ячейки на данном участке активной массы.
Термодинамическая ЭДС растёт с повышением концентрации кислоты. Получается, что в зоне сульфатированных активных масс нарушены оба условия протекания токообразующей реакции заряда, и для преодоления сульфатации просто необходимо повышенное напряжение.
Разным аккумуляторам требуется разное напряжение завершения заряда. И в случае адаптивного асимметричного заряда оно не равно тому, что предписано для профилей заряда стабилизированным током и напряжением (CC/CV, constant current / constant voltage).
▍ Разрядное устройство
Для разряда аккумуляторов стабилизированным током 25 ампер воспользуемся программируемой модульной электронной нагрузкой Atorch DL24M.
При напряжении на клеммах 13 вольт и разрядном токе 25 ампер мощность, потребляемая от аккумулятора, составит 325 Вт. Мощность, которую способен рассеивать один модуль Atorch DL24, равна 150 ваттам.
Поэтому для измерения резервной ёмкости 12-вольтового аккумулятора потребуется не менее трёх модулей Atorch DL24. Используемая в сегодняшнем опыте электронная нагрузка имеет 4 модуля и может перерабатывать электрическую энергию в тепловую с мощностью до 600 ватт.
Температура в помещении лаборатории составляет 25.6 градусов Цельсия.
▍ Промежуточные итоги
При измерении резервной ёмкости наши аккумуляторы показали следующие результаты.
- АКТЕХ Standart 6СТ65 — разряд не проводился, так как АКБ неисправна.
- Тюмень ASIA 6СТ65 — 129 минут 10 секунд. За это время АКБ отдала 53.819 А*ч, что составляет 74% от фактической ёмкости 20-часового разряда 72.29 А*ч.
- АКОМ ASIA 6СТ65 — 120 минут 10 секунд, 50.066 А*ч = 76% от 65.83 А*ч.
- Tubor Classic 6СТ60 — 98 минут 52 секунды, 41.189 А*ч = 67% от 61.88 А*ч.
- ZUBR ASIA 6СТ65 ZPA650 — 119 минут 4 секунды, 49.61 А*ч = 74% от 67.22 А*ч.
АКБ Тюмень ASIA продемонстрировала такое же соотношение ёмкости 2-часового разряда к ёмкости 20-часового, как и две АКБ, произведённые по технологии концерна Exide — российская АКОМ ASIA и белорусская ZUBR ASIA.
В сочетании с очень большой массой и относительно низким током холодной прокрутки (ТХП), а также специфическим поведением при заряде, это даёт возможность практически однозначно утверждать, что аккумулятор Тюмень ASIA снабжён толстыми пластинами «тягового» типа.
Это даёт огромный плюс к надёжности и долговечности и свидетельствует о том, что специалисты ОАО «Тюменский аккумуляторный завод» значительно усовершенствовали свою продукцию по сравнению с результатами тестов двухлетней давности.
В ходе предыдущих испытаний АКБ Тюмень ASIA стабильно занимала первое или второе место в рейтинге, и на данный момент занимает второе. «Эксайдовским» аккумуляторам она проиграла только в том, что не смогла завести двигатель в разряженном состоянии.
Первое место — АКОМ ASIA, третье — ZUBR ASIA. Оба этих аккумулятора смогли запустить двигатель автомобиля, будучи разряженными.
Из четырёх исправных аккумуляторов Tubor Classic занял последнее, четвёртое место. У него низкий ток холодной прокрутки и низкая резервная ёмкость — всего 99 минут, причём она составляет 68% от 20-часовой, тогда как у тройки победителей этот коэффициент находится в пределах от 74 до 76 процентов.
Однако розничная цена Tubor Classic 6СТ60 на 20% ниже, чем у АКБ Тюмень ASIA 6СТ65, не говоря уже о более дорогих изделиях АКОМ и ZUBR. И ёмкость этой АКБ не 65, а 60 паспортных ампер*часов, по факту 61.88.
Дальнейшие контрольно-тренировочные циклы покажут динамику эксплуатационных параметров, и мы с вами сможем окончательно определиться, какую из рассмотренных АКБ лучше выбрать для своего автомобиля. На данный момент все четыре аккумулятора показали себя прекрасно.
Высокое качество АКОМ и ZUBR полностью оправдало ожидания. Приятно удивила Тюмень ASIA. А Tubor Classic просто оправдал своё название, показав результаты, характерные для обычного классического аккумулятора.
Видеоверсия статьи
Опытные данные предоставлены автором экспериментов и видео — Аккумуляторщиком Виктором Vector.
Помоги спутнику бороться с космическим мусором в нашей новой игре! 🛸
