ОБЗОР МЕТОДА ПОДБОРА АККУМУЛЯТОРОВ В БАТАРЕЮ ПО ВНУТРЕННЕМУ СОПРОТИВЛЕНИЮ

Перед нами была поставлена задача подобрать пару свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (АБ), номинальным напряжением 6 В, для совместной работы в составе батареи номинальным напряжением 12 В.

Главной проблемой при подборе отдельных элементов (или батарей) в батарею повышенного напряжения (или емкости) является рассогласованность элементов по параметрам. В [2] к этим параметрам относят внутреннее сопротивление, зарядные и разрядные характеристики, а также саморазряд отдельных элементов. Внутреннее сопротивление отражает степень деградации батареи достигнутой при длительном хранении или эксплуатации. Так повышенное сопротивление элемента (относительно элементов того же типа) говорит о повышенной степени деградации этого элемента.

Зарядные и разрядные характеристики позволяют оценить заряда (выхода на максимальное зарядное напряжение) или разряда (достижения минимально допустимого напряжения при разряде). Иными словами, разрядные и зарядные характеристики позволяют оценить реальную емкость элемента.

Саморазряд элементов особенно важен, если собранная из них батарея должна отдавать строго регламентированную емкость не сразу после заряда, а спустя некоторое время. Поскольку в нашем случае условия эксплуатации собранной батареи этого не требуют, этот параметр мы учитывать не будем.

Есть предположение, что первые два параметра: внутреннее сопротивление и разрядно/зарядные характеристики, в некотором смысле позволяют судить об одной характеристике – реальной емкости элемента. Это обусловлено тем, что процессы деградации в большинстве случаев сопровождаются снижением емкости элемента. На основании этого предположения была предпринята попытка провести подбор аккумуляторных батарей в пары только по внутреннему сопротивлению.

Подбор производился из 10 аккумуляторных батарей Fiamm FG10451 номинальным напряжением 6 В, номинальной емкостью 4,5 В. Для удобства батареи были пронумерованы от 1 до 10. Внутреннее сопротивление батарей измерялось с помощью «Анализатора электрохимических источников питания AEA-30V» [4], производства ООО «Фирма «Алекто-Электроникс», г. Омск. Результаты измерения внутреннего сопротивления и напряжения приведены в Табл.1.

Наиболее близкими по значению внутреннего сопротивления оказались батареи №№ 1 и 10 (см. Табл.1). Далее, чуть большей разностью сопротивлений обладают пары №№ 5, 8 и 6, 9. Пары №№ 4, 7 и 2, 3 были подобраны из оставшихся АБ по противоположному принципу. То есть так, чтобы их разности были как можно больше (Табл.1).

Кроме значений внутреннего сопротивления в Табл.1 приведены значения и разности напряжений U и характеристических частот Fc для  каждой пары АБ. Значения  характеристической частоты были получены методом, описанным в [3].

После объединения пар, полученные 12-вольтовые АБ, устанавливались на зарядку постоянным напряжением 15,0 В (7,5 В на каждую 6-вольтовую АБ) с ограничением по току 1,1 А, что соответствует рекомендациям производителя [1]. В процессе заряда записывались зарядные характеристики (график напряжения на выводах отдельной батареи в паре) (Рисунки 1-3).

При заряде АБ №№ 6, 9 и 2, 3 (Рисунки 2а и 3) в течение минуты напряжение на одной из батарей в паре превышало значение 7,8 В. Превышение максимального напряжения заряда (7,5 В) приводит к повышенному выделению газов АБ и, как следствие, «выкипанию» электролита. Длительная работа в таком режиме приводит к ускоренной потере емкости отдельных 6-вольтовых АБ, в результате чего снижается емкость и батареи, в состав которой она входит.

Далее 12-вольтовые батареи разряжались постоянным током 7,05 А до конечного напряжения 10,5 В (5,25 В для отдельных 6-вольтовых АБ), согласно рекомендациям производителя [1]. Из пяти пар 6-вольтовых АБ только батареи №№ 1, 10 и 6, 9 показали длительный разряд (Рисунок 4).

При разряде других пар напряжение одной из батарей сразу после подключения нагрузки, снижалось до минимально допустимого напряжения 5,25 В. Это говорит о низкой остаточной емкости одной из батарей пары.

Пара АБ №№ 1, 10 достигла минимального напряжения через 8 минут (480 с.) (рис. 4а). Как можно увидеть на графике разница между напряжениями батарей №№ 1, 10 к концу разряда увеличивается, то есть АБ № 10 разряжается быстрее, чем АБ № 1. Однако для данной пары эта разница невелика и изменение напряжений обеих батарей имеет общий характер. Это говорит о близких по значению остаточных емкостях АБ №№ 1, 10.

Несколько иной вид имеет характеристика разряда пары АБ №№ 6, 9. Здесь АБ № 6 достигла минимального напряжения через ~3 минуты (170 с.) (рис. 4б). К концу разряда разница между напряжениями АБ в паре также увеличиваться. Однако напряжение АБ № 6 уменьшается нелинейно (что характерно при исчерпании остаточной емкости), а напряжение АБ № 9 уменьшается линейно. Это свидетельствует о том, что АБ № 9 имеет большую остаточную емкость, чем АБ №6.

Обобщив полученные данные можно сделать вывод, о том, что метод подбора отдельных АБ в батарею только по значению их внутреннего сопротивления не дает однозначного результата. Этот метод позволяет «отсеять» сильно деградировавшие АБ с большим внутренним сопротивлением, как батарея № 2. Но при разнице между сопротивлениями АБ менее 6 мОм (что составляет 15% от заявленного производителем [1] сопротивления АБ 40 мОм) пара может оказаться, и согласованной как АБ №№ 1, 10 и не согласованной как АБ №№ 6, 9.

Список литературы

1.     FG10451.  FIAMM  Sealed  Power  FG  series  [Электронный  ресурс].  –  2008.  –  Режим  доступа: http://www.eurosep.com/fichiers-joints/web-bpb06045f.pdf.

2.     Таганова, А.А. Диагностика герметичных химических источников тока / А.А. Таганова. СПб. Химиздат, 2007. – 128 с.

3.     Чупин, Д.П. Параметрический метод контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей [Текст]: дис. канд.тех.наук. Омск, 2014. - 203 с.

4.     Чупин, Д.П. Проведение экспериментальных исследований с использованием анализатора аккумуляторных батарей AEA30V / Д.П. Чупин // Природные и интеллектуальные ресурсы Омского региона (Омскресурс-3- 2013): материалы III Межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. – С. 133-135.