Аккумуляторы для морских судов, будь то стартовые или базовые (глубокого разряда), могут принести много проблем, если их неправильно обслуживать.

Мы постараемся разобрать устройство морских аккумуляторных систем, чтобы помочь владельцам судов принимать обоснованные решения, понимать, что происходит с аккумуляторами на борту, знать, когда следует обратиться к специалисту электрике, и что представляют собой различные технологии аккумуляторов, влияющие на срок службы и производительность.

Обычный традиционный аккумулятор, называется свинцово-кислотным аккумулятором. Это пластиковый корпус, внутри которого находится множество пластин, объединенных в группы ячеек. Эти пластины обычно изготавливаются из свинца с металлическими добавками для повышения прочности и потока электронов, а также покрыты пастой из оксида свинца. Раствор, окружающий пластины, называется электролитом, обычно состоящим из 35% серной кислоты и 65% дистиллированной воды. Происходящая химическая реакция приводит к образованию электронов, высвобождая часть энергии, запасенной в аккумуляторе. Аккумулятор хранит только ту энергию, которая в него была заложена.

Он не производит энергию самостоятельно. Стартерная батарея двигателя обычно выдает очень высокий ток в течение короткого периода разряда, в результате чего разряжается примерно 1% емкости, которая легко восстанавливается системой зарядки. Традиционные системы зарядки, такие как генератор переменного тока, приводимый в действие двигателем, обеспечивают зарядку стартерных батарей морских двигателей. 

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов с жидким электролитом

В этом разделе рассматриваются принцип работы аккумулятора; приведенные цифры, как правило, относятся к обычным "жидкостным" аккумуляторам, широко используемым в катерах. Многие распространенные проблемы возникают именно с базовыми аккумуляторами, поскольку именно они выполняют большую часть работы. В электрических системах вольты — это электрическое напряжение, а электрический ток — это амперы. Величина тока зависит от сопротивления в электрической цепи. Аккумулятор же просто накапливает энергию.

Если батарея заряжается не при правильном напряжении или не получает достаточного заряда из-за величины тока или продолжительности зарядки, то она не сможет обеспечить необходимую мощность. Стоит отметить, что небольшие колебания напряжения зарядки оказывают существенное влияние. У наполовину заряженной батареи напряжение на клеммах составляет 12,2 вольта. Если мы рассмотрим разницу между системой зарядки, подающей на батарею 13,8 вольта или 14,5 вольта, то разница в электрическом напряжении, подающем зарядный ток в батарею, составляет в первом случае 1,6 вольта, а во втором — 2,3 вольта.
Хотя фактическая разница составляет всего 0,7 вольта, это представляет собой на 43% более высокое напряжение зарядки, что примерно соответствует увеличению зарядного тока или емкости, полученной батареей за данный период зарядки.

Батареи и электрические системы можно сравнить с резервуарами для воды и потоком воды. Батарея — это как будто резервуар для хранения. Она имеет приток энергии и отток энергии, а вся электрическая система работает как замкнутая трубопроводная система. Генератор можно представить как просто электрический насос, используемый для заправки бака. 

Зарядка аккумулятора

Генератор или зарядное устройство для аккумулятора — это насос, вырабатывающий электроэнергию, который обычно имеет ограничительное устройство напряжения, называемое регулятором.

Для того чтобы электрический ток возвращался в аккумулятор, напряжение генератора или зарядного устройства должно быть выше напряжения аккумулятора. Если напряжение слишком низкое (на аккумуляторе), то не будет достигнута достаточная емкость хранения. Если напряжение слишком высокое, то аккумулятор может быть поврежден из-за перезарядки. Как и в случае с резервуарами для воды, чем полнее (или заряжен) аккумулятор, тем выше противодавление. Таким образом, при постоянном входящем напряжении и растущем противодавлении поток тока в резервуар постепенно уменьшается. 

Особые характеристики батарей 

Вентиляция

Когда батарея почти полностью заряжена, образуются пузырьки водорода и кислорода, которые выходят из батареи через вентиляционные отверстия. Это нормальное явление, но требует, чтобы батареи с жидким электролитом помещались в хорошо проветриваемое помещение. Некоторые типы батарей не выделяют газ в нормальных условиях эксплуатации, но при перезарядке даже такие батареи будут выделять газ, что может быть опасно, поэтому вентиляция необходима для всех типов батарей. 

Безопасность

При зарядке батареи выделяются опасные газы (водород и кислород). При более высоком напряжении зарядки выделяется больше газа. При воспламенении от простой искры эта смесь взорвется и может причинить серьезные травмы. Наибольшему риску подвержены глаза, поэтому при работе с батареями, особенно во время или после зарядки, всегда надевайте защитные очки. 

Поддержание заряда

После полной зарядки аккумулятора срок его службы увеличится, если снизить напряжение зарядки, подаваемое генератором. Продолжительная подача обычного напряжения зарядки приводит к износу внутренних компонентов аккумулятора, препятствуя его способности удерживать или отдавать достаточную емкость. Снижение напряжения зарядки после полной зарядки называется переходом в «поддерживающий» режим. Однако даже поддержание заряда может вызвать коррозию положительных пластин. Некоторые морские зарядные устройства для аккумуляторов полностью автоматически отключаются, контролируя уровень заряда аккумулятора и включаясь при необходимости. Непрерывная поддержание заряда стартерных аккумуляторов не рекомендуется, так как сокращение срока их службы неизбежно. 

Сульфатация

Если батарея разряжена или частично заряжена, в ней развивается состояние, называемое сульфатацией, которое препятствует протеканию тока в батарею во время перезарядки. Это состояние можно сравнить с накоплением ила в резервуаре с водой, что фактически увеличивает противодавление, в результате чего уменьшается приток тока. Сильная сульфатация может сделать батарею непригодной для использования, снизив ее емкость и сделав невозможным полную зарядку. 

Справка: Сульфатация — это процесс образования нерастворимых кристаллов сульфата свинца на пластинах свинцово-кислотных аккумуляторов. Это приводит к потере активной площади пластин, росту внутреннего сопротивления, падению ёмкости и выходу батареи из строя. Основная причина — длительное хранение в разряженном состоянии, глубокие разряды и недостаточный заряд. 

Основные признаки сульфатации:

• Быстрый заряд и разряд: Аккумулятор быстро заряжается, но так же быстро садится.
• «Кипение» электролита: Электролит начинает кипеть почти сразу после подключения зарядного устройства
• Белый налет: На пластинах (если они видны) образуется белый, плотный кристаллический налет
• Низкая плотность: Плотность электролита при зарядке почти не повышается
• Повышенное внутреннее сопротивление и нагрев

Почему происходит сульфатация?

Сульфатация — естественный процесс при разряде АКБ. Однако, если разряженный аккумулятор долго стоит без подзарядки, мелкие кристаллы сульфата свинца перерастают в крупные, которые не растворяются при обычном заряде

Как бороться (десульфатация)?
Частично устранить сульфатацию можно с помощью «десульфатации» — проведения нескольких циклов заряда-разряда или использования специальных зарядных устройств, применяющих импульсные токи.

Предотвращение сульфатации:

• Не хранить аккумулятор разряженным
• Регулярно проверять уровень заряда и при необходимости заряжать
• Избегать глубоких разрядов

Техническое обслуживание

Процесс зарядки также приводит к потере воды в большинстве батарей, и ее необходимо восполнять, доливая чистую дистиллированную воду. В случае герметичных батарей, при перезарядке, потеря этой воды все равно произойдет и приведет к необратимому повреждению батареи, поскольку ее нельзя будет восполнить. Клеммы следует содержать в чистоте и сухости. 

Поддержание емкости

Процесс зарядки и разрядки батареи приводит к изменению консистенции электролита. При зарядке батареи образуется кислота, которая плотнее или тяжелее электролита. При разрядке батареи образуется вода, которая легче электролита. В результате вода плавает на поверхности более тяжелой кислоты. Это называется «кислотным расслоением». Когда батарея заряжается почти до полного заряда, возникающее более высокое напряжение приводит к образованию пузырьков водорода и кислорода, которые постепенно поднимаются через электролит и выходят через вентиляционные отверстия в верхней части каждой ячейки.

Движение этих пузырьков вверх по электролиту приводит к перемешиванию кислоты. Этот процесс перемешивания жизненно важен для обеспечения длительного срока службы батареи, поскольку расслоение кислоты увеличивает вероятность сульфатации. При обычном режиме зарядки/разрядки базовых аккумуляторов, за исключением длительной работы двигателя или зарядки от сети постоянного тока (или аналогичной), батарея редко бывает полностью заряжена. Сульфат свинца, содержащийся в пластинах (нормальное состояние), со временем «затвердевает», и его трудно, если не невозможно, удалить. Это приводит к потере емкости. Эта потеря емкости носит прогрессирующий и кумулятивный характер и приводит к снижению производительности и срока службы.

Глубина разряда

Если батарея многократно разряжается до низкого уровня емкости, срок ее службы будет меньше, чем при частичной разрядке. Это называется глубиной разряда или DoD. Чем больше DoD, тем короче срок службы.

Температурная компенсация

При нагреве батареи требуется более низкое напряжение зарядки для получения правильного зарядного тока. Соответственно, по мере повышения температуры следует применять более низкое напряжение зарядки. Это называется температурной компенсацией.

Температурная компенсация — это изменение зарядного напряжения в зависимости от температуры аккумулятора для предотвращения его деградации и обеспечения полного заряда.

Зачем это нужно на воде?

Морские аккумуляторы часто находятся в моторных отсеках (жара) или в неотапливаемых рундуках (холод).

• В холод: Химические реакции замедляются, внутреннее сопротивление растет. Обычного напряжения не хватает для «продавливания» заряда — АКБ остается недозаряженной. Компенсация повышает напряжение.
• В жару: Реакции ускоряются. Стандартное напряжение становится избыточным, вызывая «кипение» электролита (газовыделение) или тепловой разгон (особенно опасно для AGM). Компенсация понижает напряжение.

Как это работает:

Зарядное устройство использует датчик температуры, закрепленный прямо на клемме АКБ. Система корректирует вольтаж по алгоритму:

• Эталон: 25°C.
• Коэффициент (для свинцово-кислотных/AGM/GEL): Обычно составляет -3 мВ / -5 мВ на ячейку на 1°C (около -18...-30 мВ на 12-вольтовую батарею).

Типы аккумуляторов и нюансы:

1. AGM и GEL: Критически важна точность, так как они герметичны. Перегрев без компенсации ведет к вздутию корпуса.
2. Литиевые (LiFePO4): Для них компенсация напряжения обычно не применяется в том же виде, что для свинца. Вместо этого BMS просто запрещает зарядку при температуре ниже 0°C, чтобы избежать разрушения ячеек.
3. WET (заливные): Допускают небольшие отклонения, но компенсация значительно продлевает им жизнь, уменьшая выкипание воды.

Окружающая среда для аккумуляторов

Как химическое устройство, аккумулятор подвержен влиянию температуры на свою активность. Распространенной причиной выхода аккумулятора из строя является коррозия решетки. Это постепенное разрушение свинцовой решетки/пластины, которая подвергается электрохимической коррозии. Скорость этой коррозии увеличивается с повышением температуры окружающей среды во время зарядки аккумулятора. Из этого совершенно ясно, что базовые аккумуляторы, в частности, прослужат дольше, если их установить в прохладном месте, в отличие от обычного монтажа в двигательном отсеке, даже при применении зарядки с температурной компенсацией. 

Разница между автомобильными и морскими аккумуляторами

Аккумуляторы, устанавливаемые на автомобили и грузовики, должны обеспечивать очень высокий пусковой ток для кратковременного запуска двигателя. После этого аккумулятор просто получает заряд от генератора. Лишь в редких случаях требуется, чтобы аккумулятор обеспечивал питание в течение длительного времени. Для достижения высокого выходного пускового тока производитель использует очень тонкие пластины, изготовленные таким образом, чтобы кислота имела хороший доступ к активному материалу, который вырабатывает ток. Если вы поместите такой тип аккумулятора в морскую среду, особенно для длительных периодов глубокого разряда, срок службы аккумулятора, скорее всего, будет коротким.
Морские аккумуляторы делятся на две категории: стартерные и базовые аккумуляторы глубокого разряда. Стартерные аккумуляторы имеют аналогичную конструкцию, как и автомобильные. Качественные морские аккумуляторы, такие как серия Hella Endurant Boat Master, изготавливаются таким образом, чтобы быть очень устойчивыми к повреждениям, вызванным ударами и вибрацией. В целом, качественный морской аккумулятор будет иметь более прочную конструкцию, чем автомобильные аккумуляторы, в которых, как правило, важнее цена, чем качество.

Регулярная зарядка и разрядка аккумулятора приводит к износу положительной пластины. Аккумуляторы глубокого разряда, проще говоря, имеют более толстую пластину и более плотный активный материал, способный выдерживать нагрузки при таком типе использования.

Толщина пластин/емкость — распространенное заблуждение

Как описано выше, толщина пластин сильно варьируется и поэтому не может использоваться в качестве показателя емкости. Например, в Новой Зеландии доступна высокопроизводительная стартерная батарея с 22 пластинами на ячейку, емкость которой составляет приблизительно 65 ампер-часов, в то время как другая батарея емкостью 350 ампер-часов имеет всего 15 пластин на ячейку. При выборе батареи важно учитывать область применения. Например, если требуется запуск морского двигателя, то показатель MCA (Marine Cold Cranking Amps) указывает на способность батареи запустить двигатель, в то время как для вспомогательных нагрузок и глубокоразрядных систем необходимо учитывать емкость в ампер-часах. 

Альтернативные типы свинцово-кислотных батарей

Морские батареи в целом делятся на две категории. Наиболее распространенными являются «жидкостные» аккумуляторы. Это традиционный тип, который в принципе практически не изменился с момента создания за последние 100 лет. Однако благодаря развитию технологий со временем были достигнуты значительные успехи в повышении эффективности, улучшении приема заряда, снижении требований к техническому обслуживанию и увеличении выработки энергии.
В последнее время были введены свинцово-кислотные аккумуляторы с регулируемым клапаном (VRLA), часто называемые «герметичными». В отношении этого типа продукции может возникнуть некоторая путаница, поскольку часто это аккумуляторы с жидким электролитом, но не требующие обслуживания и доливки электролита. Также может возникнуть путаница в отношении «гелевого электролита» и альтернативных технологий VRLA: «абсорбированного электролита» или «абсорбированного стекловолокна» (AGM). 

Аккумуляторы с жидким электролитом

Большая часть информации, представленной в предыдущих параграфах, относится к аккумуляторам с жидким электролитом. Однако в этом диапазоне существуют два типа конструкций.

Наиболее распространенной является конструкция с «плоскими пластинами». Она доступна в обслуживаемых и «необслуживаемых» конфигурациях. Проще говоря, производитель аккумуляторов изменяет сплавы, используемые для производства аккумулятора, таким образом, чтобы во время зарядки образовывалось лишь очень небольшое количество водорода и кислорода. Это приводит к минимальному потреблению воды в течение всего срока службы аккумулятора. Однако следует отметить, что при опрокидывании такой аккумулятор может протекать.
В более крупных установках глубокого разряда, где требуется высокая емкость хранения, аккумуляторы выпускаются в виде 2-вольтовых элементов, соединенных последовательно для получения необходимого напряжения. Причина этого проста — удобство в обращении. В форме 2-вольтовых элементов доступны аккумуляторы с «трубчатыми положительными пластинами». Это предполагает другой метод изготовления положительной пластины элемента, который очень прочен и устойчив к износу, вызванному глубокими и регулярными циклами разрядки. Этот продукт, как правило, производится в Европе и имеет высокую цену, однако в течение всего срока службы, в зависимости от условий эксплуатации, ухода и технического обслуживания, может представлять собой отличное соотношение цены и качества. 

Аккумуляторы с регулируемым клапаном

Много лет назад было обнаружено, что, изменяя внутреннюю конструкцию аккумулятора и поддерживая внутри него положительное давление (от 3 до 5 фунтов на квадратный дюйм), можно добиться рекомбинации водорода или кислорода, образующихся во время зарядки. Это привело к созданию полностью герметичных конструкций аккумуляторов, позволяющих устанавливать их без опасения утечки кислоты, выброса коррозионных газов и практически без необходимости технического обслуживания. В некоторых случаях такие аккумуляторы можно устанавливать на бок, и они будут работать под водой без образования хлора, который часто образуется при контакте залитого водой аккумулятора с соленой водой.

Как уже упоминалось выше, в группе VRLA (аккумуляторы с регулируемым клапаном) существуют два разных типа технологий. Наиболее распространенным в морской среде является гелеобразный электролит. При условии качественного производства этот тип продукции обеспечивает превосходные характеристики циклической работы со всеми преимуществами регулирующего клапана. Электролит внутри находится в «гелеобразной» форме, поэтому утечка исключена. Второй тип VRLA использует материал, например, промокательную бумагу из стекловолокна, для удержания электролита. Этот метод также предотвращает разбрызгивание или утечку свободного электролита.
Независимые испытания, как правило, показывают, что батареи с гелеобразным электролитом лучше подходят для циклической работы (зарядка до полной разрядки), например, морские базовые батареи, чем батареи типа AGM, хотя высококачественная продукция от производителей AGM, таких как бренд Lifeline, предлагает высококонкурентные и проверенные технологии.

В действительности, батареи VRLA не являются универсальными и в прошлом имели некоторые проблемы с надежностью. Некоторые из этих проблем могут быть вызваны факторами, не связанными с самой батареей, но на самом деле свинцово-кислотная батарея с регулируемым напряжением (VRLA) более «чувствительна», чем проверенная временем жидкая электрическая батарея.

Эта деликатность означает, что, если батарея не изготовлена идеально и не обслуживается должным образом с помощью точной программы зарядки, её срок службы может быть короче, чем у более дешевой альтернативы — батареи с жидким электролитом. Например: если во время перехода на судне выйдет из строя регулятор генератора, и батареи перезарядятся, то в случае батарей с жидким электролитом потерянная вода будет восполнена, и повреждения будут незначительными (при условии замены регулятора в разумные сроки). В случае с VRLA-батареями (в зависимости от времени работы) возможно, если не вероятно, что батареи потребуют замены вместе с регулятором.
Это не означает, что VRLA-батареи не являются хорошим или даже лучшим вариантом в некоторых случаях, но эти варианты необходимо изучить, в идеале с уважаемым морским электриком, который сможет обсудить все варианты, а не только одну технологию. Качественные AGM-батареи очень надежны и благодаря плотной внутренней конструкции хорошо работают при сильных вибрациях, в то время как традиционные батареи с жидким электролитом могут терять активный материал из-за вибрации, постепенно теряя емкость.

Аккумуляторы AGM таких марок, как Optima, Lifeline и Hella Endurant, успешно используются во многих сложных коммерческих электросистемах как для запуска двигателей, так и для глубокого разряда, где они неизменно превосходят по сроку службы свои традиционные аналоги с жидким электролитом. Как и в случае с любым оборудованием и системами на борту, не все гелевые или AGM-аккумуляторы одинаковы. Старая поговорка «скупой платит дважды» безусловно верна в отношении аккумуляторных технологий. Общенациональное обслуживание, поддержка, репутация компании и запрос информации о стране происхождения и компании-производителе помогают составить полное представление о качестве и надежности предлагаемой продукции.

Подводим итоги: 

Аккумулятор накапливает заряд, а не «производит» его.

Недостаточное напряжение зарядки приведет к ухудшению характеристик аккумулятора.

Недостаточное напряжение зарядки сократит срок службы аккумулятора.

Чрезмерное напряжение зарядки сократит срок службы аккумулятора.

Оставление аккумулятора частично заряженным сократит срок его службы и производительность.

Для максимального срока службы и производительности аккумуляторы необходимо периодически полностью заряжать.

Стартовые аккумуляторы для запуска двигателя должны обеспечивать высокие токи в течение короткого времени. Если этот тип аккумулятора подвергается множеству циклов зарядки/разрядки, срок его службы, скорее всего, сократится.

Аккумуляторы глубокого разряда (базовые) предназначены для использования в режиме зарядки/разрядки, но могут запускать двигатели в экстренных случаях.

Срок службы аккумулятора сокращается при высокой температуре окружающей среды.

Не все аккумуляторы с регулируемым клапаном (VRLA) одинаковы.

Аккумуляторы с регулируемым клапаном (VRLA) обладают хорошими характеристиками и преимуществами, но они более "капризные", чем аккумуляторы с жидким электролитом.