Хабрахабр

Использование и восстановление свинцовых АКБ мой опыт

image

Я решил поглубже изучить вопрос правильного использования свинцовых АКБ, их устройство и химию процесса. Недавно я делал очередную замену батареек в своих ИБП.

Цена батарей растет из-за курса и покупать их становится накладно.

Как получить от них максимальную отдачу, чтобы оборудование работало дольше и отключения электричества меня совсем не беспокоили? Можно ли сделать так, чтобы батарейки служили дольше?

Кому интересно, прошу под кат…
Хочу поделиться опытом.

Долгая работа от батареи.

На батареях для бесперебойника производители пишут 20 часовую емкость, то есть емкость, которую батарея отдаст за 20 часов разряда.

Они работают от батареи минут 30 в лучшем случае. Но в бесперебойниках такого режима не бывает. А обычно 5-10.

2 А/ч: Посмотрим на табличку из даташита на батарею CSB GP1272 с заявленной емкостью 7.

image

8 вольт (больше не рекомендуется иначе будет потеря ресурса), то она отдаст 5. Так вот, если мы будем разряжать ее 1 час до напряжения 10. Уже очень далеко от заявленных 7. 23 А/ч. 2 не правда ли?

38
Если 10 минут, то 3,1 всего 43% емкости! Если 30 минут, то 4.

Вывод: свинцовые батареи не любят отдавать большие токи.

Оставим заявленную емкость на совести производителей и подумаем, как лучше поступить.

А вот как:

Ну может быть кроме совсем слабых офисных машин. Бесперебойники с одной батарейкой для питания компьютера не пригодны.

Ну, или они будут работать считанные минуты а батарейки будут умирать быстро и не отдавать и треть своей емкости.

Сам бесперебойник может и выдержит какое-то время 300вт нагрузки, которые на нем написаны, но батарейке внутри будет очень тяжко.

Обычно это устройства категории «smart». Такие бесперебойники годятся для питания какого-нибудь маломощного устройства (роутера например) или неттопа или совсем слабого офисного системника с маленьким монитором.
Для питания компьютера надо использовать бесперебойник с двумя батареями.

А значит, отдать батарейки смогут ампер/часов больше. Это не только в 2 раза больше емкость, но и в 2 раза меньший ток.

А еще хорошо бы использовать в компьютере качественные блоки питания с PFC корректором и высоким КПД.
С хорошим блоком питания будет меньше потерь, а значит дольше время работы от батарей.

Долгая жизнь АКБ

Почему в одних бесперебойниках батарейки живут по 5-6 лет, а в других помирают за год, и их приходится выковыривать оттуда монтажкой? Попробуем разобраться.

Для этого посмотрим вот на этот график из даташита:

image

Если температура батарей 20-25 градусов (как обычно в помещении), то срок службы 5 лет. А теперь возьмем термометр и измерим температуру в помещении и в батарейном отсеке.
Посмотрим теперь на график. А если выше 40, то батарейка проживет меньше 2х лет. Если 35, то в 2 раза меньше!

Ну, то есть не выше комнатной температуры.
При повышении температуры ускоряются химические процессы и испарение электролита. Вывод: батареи должны быть холодными!

Но чаще просто приводят режимы для 20 или 25 градусов цельсия. А еще, есть еще такая штука как температурная компенсация напряжения заряда.
В некоторых даташитах ее указывают.

Вот диаграмма из даташита:

image

Продвинутые ИБП умеют это делать сами. Напряжение заряда для разных температур разное и его надо корректировать по фактической температуре в батарейном отсеке. Но чаще всего, зарядник там стоит тупой и кипятит батареи повышенным напряжением заряда в дополнение к тому, что греет их.

Посмотрим, как обстоит дело в реальных устройствах

У меня есть 2 ИБП типа «смарт». Один Ippon вот такой:

image

А другой APC smart 700 вот такой:

image

Ну и еще пара простеньких APC back CS500.

Там стоит Большой Железный Трансформатор (БЖТ). У устройств типа «смарт» есть одна особенность.

image

И он греется! Он активен всегда, когда ИБП включен в розетку. Так же как в трансформаторах для лампового дедушкиного телевизора, но только автоматически. При питании от сети этот БЖТ работает в режиме автотрансформатора и может повышать или понижать напряжение путем переключения обмоток. Хотя в более современных ИБП, зарядку делают на отдельном импульснике. От него же идет зарядка.

А в APC почти 20.
(Замерил потребление на холостом ходу) Так вот в Ippon этот трансформатор отдает в тепло 30 Вт.

Я измерил температуру в помещении, а также температуру в батарейном отсеке ИБП.

Еще я измерил напряжение заряда.

5 V, у APC оно 27. Получилось вот что:
Температура в помещении 25 градусов.
Температура в ИБП Ippon 25 градусов.
Температура внутри APC 34 градуса!
Напряжение заряда Ippon 27. 2 V.

И он крутится всегда, когда он включен в сеть. В Ippon есть кулер. А вот зарядник там самый простой линейный на LM317. Конструкторы позаботились об охлаждении, не смотря на то, что это не самый крутой производитель. И напряжение высоковато для моих 25 градусов в помещении.

Принудительное охлаждение отсутствует, монтаж плотный, трансформатор нагревает батарейный отсек. У APC ситуация плохая. И хотя напряжение заряда примерно соответствует (возможно даже есть температурная коррекция), он все равно быстро убьет батареи.

Что я буду делать

В Ippon я немножко уменьшу зарядное напряжение. Сделать это просто. Достаточно рассчитать и впаять резистор в цепочку делителя LM317. Так я и поступил. Теперь напряжение 27,15в.

Можно конечно вынести батареи из корпуса. В случае APC я решил установить туда кулер. Кроме того, будут лучше охлаждаться компоненты самого ИБП, не будут сохнуть конденсаторы. Но мне такое решение показалось не эстетичным.

Берем слесарный инструмент и вперед:

image

image

Там импульсный зарядник, и он почти не греется. Ну а в маленьких APC back CS500 ничего делать не надо. Напряжение в пределах нормы.

Итак, для долгой жизни батарей надо

Обеспечить температурный режим.

В случае серверной это вынос батарей в отдельную комнату, шкаф, короб и обеспечение вентиляции / охлаждения.

В случае обычного бесперебойника это внедрение кулера, вынос батарей за пределы горячего корпуса.

Обеспечить соответствие напряжения заряда и температуры батарей.

Скорректировать напряжение заряда если необходимо.

Тест и восстановление АКБ

Теперь мне стало интересно. А можно ли попробовать восстановить б/у батарейки? Подсохшие и потерявшие емкость.

Я решил для начала немного изучить суть вопроса и почитать теорию. Понятно, что в интернетах много всякого бреда и фейка.

И вот тут. Почитал книжку вот эту. А еще статью на Хабре.

Выводы из прочитанного

  1. Чуда быть не может. Пытаться восстановить можно только относительно живые АКБ с определенными симптомами. Если у батареи закорочены банки, осыпались или отвалились пластины то тут уже делать нечего. Только в цветмет!
  2. Процесс восстановления очень долгий (примерно неделя на один АКБ). По этому, делать это «в ручную» очень трудозатратно и не имеет смысла даже на стадии опытов. Имеет смысл только автоматизированный процесс.
  3. Восстановить батареи, работавшие в бесперебойниках таки можно попробовать. Потому что основные причины потери емкости этих батарей это потеря воды в результате постоянного подзаряда и сульфатация из-за не оптимальных режимов заряда и разряда.
  4. Заряжать и разряжать батарею лучше импульсами. Так меньше кипит и образуются кристаллы правильной структуры.

Я сделал опытный вариант установки для теста и восстановления АКБ.

Вот ее схема:


Кликабельно

Источник тока – лабораторный блок питания с контролем тока и напряжения. В качестве «мозгов» я взял Arduino nano. Для связи с внешним миром – модуль Bluetooth HC-05.

Q3 подключает нагрузку R4 для разряда. Ключ Q1 подключает зарядку. Делитель R6 / R8 для контроля напряжения на АЦП Arduino.

Иногда можно поглядывать что там происходит и даже подходить к ней не надо. Основная идея этой установки в том, что она работает где нибудь в дальнем углу сама по себе, есть / пить не просит.

Я не знаю будет ли толк от всего этого, по этому заморачиваться с платой и корпусом пока не стал. Пока все сделано «на соплях».

image

Управляется вся эта беда удаленно с терминала:

image

Можно определить сколько батарея берет и отдает. Схема позволяет прогонять разные циклы заряда / разряда по программе и считает примерно сколько электричества ушло на процесс.

Алгоритм работы такой:

Заряд идет импульсами 0,5 сек заряд и 1 сек релаксация.
Разряд импульсами 1/1 сек.
Измерение напряжения при заряде идет в паузах (не под напряжением)
Измерение напряжения при разряде идет под нагрузкой.

Заряжаем или разряжаем 3 минуты, потом измеряем напряжение, отправляем данные на Bluetooth модуль и решаем надо ли продолжать.

Она долгая. Есть еще программа десульфатации.

Это заряд малым током и ожидание 10 часов.
Потом циклы разряд / заряд. Сначала 3 цикла «выравнивания».

Выберем «подопытных кроликов»

Батарея № 1 Sven. (ее фото в начале статьи)

ИБП на нее не ругается, проходит селф тест, но емкости у нее почти не осталось. Это батарейка 2012 года. Она и новая была хлам, а после 6 лет работы остались рожки да ножки 🙂 Но для издевательств – самое оно. Она держит 10 минут бесперебойник, нагруженный на роутер.

Вскрытие крышки и заглядывание в банки показало, что в батарее сильно не хватает электролита.

Батарея № 2 Ippon

image

Произошло это недавно. Она 2014 года, работала в ИБП типа «смарт» до тех пор, пока у соседней батареи в паре не закоротило банку. Она изрядно покипела и в нее пришлось доливать воду. То есть наработка 4 с лишним года.

Доливаем дистиллированную воду

Именно воду, а не электролит. Потому что уходит именно вода, а серная кислота остается на пластинах в связанном состоянии. Обычная вода из под крана убьет АКБ сразу.

Доливать нужно так:

Потому что в ходе работы уровень электролита меняется и в заряженном состоянии он максимальный. Доливаем заряженную АКБ. И смотрим фонариком.
Надо чтобы пластины были сверху влажные, но чтоб вода не плюхалась.
Процедуру повторить 2-3 раза по мере впитывания воды через несколько часов. Чтобы не было перелива.
Шприцом с тупой иголкой капаем воду прямо на пластины.

Очень много, батарея была почти сухая! В испытуемую батарею №1 я долил примерно 50мл воды. В батарею №2 долил чуть меньше, но тоже по 6-8 кубиков в каждую банку.

Вода задействовала части пластин, которые давно были сухие и на них непонятно какие отложения. После долива воды, напряжение упало.

Они имеют большое сопротивление и пассивируют участки пластин. Итак, предположим, что батарейке не дают нормально жить труднорастворимые отложения (сульфат свинца и α оксид свинца). Удельная поверхность получается маленькая а циркуляции электролита – никакой. Кроме того, отложения эти плотные и в них не проникает электролит. В результате симптомы: потеря емкости АКБ, большое внутреннее сопротивление (батарея не может отдавать большой ток), кипение при зарядке.

Но только ооочень малыми токами. Батарея в таком состоянии даже может отдать свою паспортную емкость. Так что практической пользы от этого никакой.

И путем заряда с правильным режимом, создать новые структуры с правильным строением. Задача цикла восстановления это растворить «вредные» соли.

То есть циклов заряда с ожиданием.
Заряжаем, ждем, напряжение падает. Батарея 1 потребовала долгого выравнивания. Потом опять заряжаем.

Получается разный заряд в пределах одной пластины.
К сожалению, дальнейшие тесты этой батарейки на разряд / заряд выявили, что у нее есть отгнившие пластины в одной из банок. Я думаю, что из-за длительного выкипания воды, на пластинах образовались неравномерные отложения с разными свойствами. Видно это как «ступеньку» на кривой разряда.

Выглядит это так:

image

Справа — что получается когда отгнила часть пластин. Слева — нормальная разрядная кривая.

Батарея №2 почти не требовала выравнивания.

Электролит в ней выкипел быстро из-за аварии соседней батареи и я предпологаю что трудно растворимые отложения не успели образоваться.

Ей я прогнал 2 цикла разряд / заряд.

Мощность лампочки известна и замерена, КПД UPSа тоже замерен и равен 80%. Для теста в условиях приближенных к реальным, я использовал APC Back CS500, нагруженный на лампочку 60вт. От времени работы можно будет вычислить отдаваемую емкость.

Вот тестовая установка:

image

После долива воды, но до проведения восстановительных циклов, я зарядил батарейку №1 штатным способом от UPS и разрядил на лампочку.

Потом бесперебойник отключился. Лампочка горела 8 минут, а батарея разрядилась до 9,5в (измерено под нагрузкой). Возьмем эти 8 минут за точку отсчета (до процедур восстановления).

Она еще годная, а разрядом до 9,5в ее можно убить. Батарею №2 я до восстановления так мучить не стал.

И это при среднем токе 6,5А.
Конечно отгнившие пластины уже ничем не спасти, но динамика мне понравилась.
Даже эту дохлую батарейку можно использовать для питания какого нибудь роутера или свича где нибудь на чердаке / подвале и она продержит минут 30-40.
Отданная емкость до 0,87 А/ч, после 1,73 А/ч После проведения восстановления, я испытал батарею №1 на том-же стенде с лампочкой и…
она продержалась 16 минут.
То есть в 2 раза дольше, чем до.

Батарея №2 после восстановления продержалась на стенде с лампочкой 37 минут.

Она кальциевая и ее нельзя разряжать до 9,5.
Отданная емкость при этом 4 А/ч при среднем токе 6,5 А. При этом я ее разряжал не до 9,5 а до 10,5 вольт.

Даташит конечно на другую батарею, но это не сильно важно. Сравним это с табличкой из даташита вверху.

В таблице нет значения 6,5А, но есть соседние колонки для напряжения 1,75в на элемент.
Я приблизительно посчитал и получилось 50минут продержала бы новая батарея ток 6,5А по даташиту.

Я считаю неплохо после 4х с лишним лет работы и пережитой аварии. Это значит что батарейка №2 отдает примерно 74% емкости относительно новой.

Эта батарейка еще послужит.

Вобще, я конечно не рекомендую использовать восстановленные батареи для важных задач.
Но для второстепенных, для питания маломощного и не критичного оборудования их можно использовать.

Буду оценивать их емкость и пригодность чтобы не получить аварию с разрушением, коротким замыканием батареи и выгоранием бесперебойника. Еще я планирую использовать установку для прогона тестового разряда / заряда используемых батарей примерно раз в год.

Всем спасибо за внимание, надеюсь кому нибудь пригодится.

Если кто хочет пожертвовать батарейку для опытов в Барнауле, прошу в личку.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть