Какой срок службы промышленных аккумуляторов и как его продлить

Реальный срок службы – период, в течение которого АКБ сможет работать с учетом фактических условий эксплуатации. Он может отличаться от паспортного из-за воздействия ряда факторов, главные из которых:

• Календарный срок службы – «возраст» накопителя, время, прошедшее с момента его производства, независимо от того, использовался он или нет. В течение этого периода АКБ естественным образом теряет емкость. Но если батарея была заложена на хранение в заряженном состоянии, то сохранит ресурс дольше, чем в полностью разряженном.
• Срок годности АКБ – период, в течение которого производитель гарантирует сохранение рабочих характеристик аккумулятора, начиная с даты изготовления.
• Циклический ресурс – число полных циклов заряда/разряда, которое может выдержать АКБ до снижения емкости до определенного процента от номинала.
• Глубина разряда (DoD) – процент от номинальной емкости батареи, который она отдает при отключении от сети. Чем выше этот параметр, тем быстрее происходит старение и деградация аккумулятора.
• Температура окружающей среды. Оптимальный режим – 20-25°С. Экстремально низкие или высокие температуры ускоряют деградацию элемента.
• Тип аккумулятора.
• Уровень остаточной емкости – фактический запас энергии, который АКБ способен накопить и отдать в определенный момент времени.

Взаимосвязь большинства этих факторов и продолжительности службы АКБ зависит от типа аккумулятора.

Типы промышленных АКБ и их типичный ресурс

1. Мы предлагаем герметизированные аккумуляторы, выполненные по технологии AGM (VRLA). Это усовершенствованная версия свинцово-кислотных батарей. При правильном использовании срок службы AGM-аккумулятора – 5-7 лет. Однако в зависимости от модели и режима эксплуатации этот период может варьироваться.

АКБ КОНТАКТ серий КТ и КТА из нашего каталога предназначены для использования в буферном режиме. Данные серии зарекомендовали себя в системах: охранной и пожарной сигнализации, видеонаблюдения, СКУД. КОНТАКТ серии КТЛ предназначены для использования как в буферном режиме работы, так и в циклическом. Их лучше всего выбрать для ОПС, ИБП и другого оборудования благодаря ряду преимуществ: продолжительный срок службы – до 12 лет, расширенный диапазон рабочих температур, низкий саморазряд и другие.

Негативными факторами, которые в режиме постоянного подзаряда сокращают срок службы свинцовых аккумуляторных батарей и ускоряют их деградацию, являются:

• глубокие разряды;
• высокие температуры;
• перезаряд или недозаряд;
• вибрации и ударные воздействия.

При необходимости допустимо применение аккумуляторов по технологии VRLA в циклическом режиме. В этом случае фактический срок службы AGM-аккумулятора средней емкости составляет от 500 до 1200 циклов при глубине разряда 30-50%. При циклическом использовании АКБ этого типа рекомендуется:

• избегать разряда ниже 80% номинальной емкости;
• не допускать перегрева и перезаряда;
• соблюдать температурный режим от +5 до +35 °C.

2. GEL-аккумуляторы – свинцово-кислотные элементы, в которых электролит загущен до гелевого состояния. Их ресурс по циклам заряда/разряда зависит от качества изготовления и условий применения. Например, расчетное количество циклов аккумулятора GEL 12-100 при глубине разряда 30% – около 1400, при разряде 50% – примерно 1200, а при разряде в ноль – 350. Срок годности свинцово-кислотных аккумуляторов по типу GEL – 7-10 лет.
3. Литиевые (литий-ионные) АКБ, в зависимости от разновидности, имеют различный ресурс по циклам – от 500 у литий-кобальтовых до 8000 у литий-железо-фосфатных. На фактический срок службы влияют рассмотренные выше факторы, а также уровень заряда (SoC). Современные технологии позволяют значительно продлить жизнь АКБ. Некоторые литий-тионилхлоридные АКБ могут прослужить до 20 лет.

Для разных типов батарей зависимость от внешних воздействий различная. Например, свинцово-кислотные батареи чувствительны к глубокому разряду, тогда как литий-железо-фосфатные устойчивы к нему.

Температура и режим работы: как они «съедают» ресурс

При повышении температуры окружающей среды на каждые +10°С выше оптимальной (+25°С) срок службы свинцового аккумулятора сокращается на 50%. Это связано с ускорением химических реакций, интенсивной коррозией свинцовых пластин, сульфатацией на электродах. Литиевые элементы менее чувствительны к температуре до +40°С, но для них тоже существуют пределы. Экстремально низкие температуры также негативно влияют на работу аккумулятора.

Второй существенный фактор, влияющий на ресурс АКБ, – режим работы, к которому относятся:

• Глубина разряда (DoD). Глубоким считается разряд от 80 до 100% емкости, неглубоким – 20-30%. Глубокие разряды увеличивают нагрузку на аккумуляторы, разрушают материал электродов, повышают внутреннее сопротивление, провоцируют дисбаланс ячеек. В свинцово-кислотных батареях могут вызвать сульфатацию и повреждение электродов; в результате при 80% DoD количество циклов может быть в 2–3 раза меньше, чем при 50%.
• Частота циклов. Каждый зарядно-разрядный цикл способствует износу компонентов свинцово-кислотных АКБ. В литий-ионных аккумуляторах при каждом перезаряде могут происходить микроскопические нарушения структуры электродов и электролита. Поэтому чем чаще происходят циклы разряд-заряд, тем быстрее снижаются производительность и емкость батареи любого типа.
• Постоянный подзаряд. Использование в таком режиме влияет на работоспособность накопителей энергии в зависимости от их типа и других условий эксплуатации. Для свинцово-кислотных батарей работа в буферном режиме в целом положительно влияет на фактический срок эксплуатации. Однако при повышенном напряжении он может привести к сульфатации свинцовых пластин, высыханию электролита и, как следствие, ускоренной деградации. Для литий-ионных АКБ губительны предельные значения разряда и заряда. Постоянная зарядка до 100% и возможные при этом скачки напряжения вызывают постепенное разрушение внутренней структуры аккумулятора, особенно старых моделей.

Рассмотрим, как благоприятные и неблагоприятные факторы влияют на срок службы AGM АКБ. Например, у элемента питания с расчетным сроком службы 7 лет в ходе эксплуатации при температуре +35°С ресурс может сократиться в два раза, то есть до 3,5 лет. При использовании в циклическом режиме и глубине разряда до 80% аккумуляторы эксплуатируются на 50-70% меньше по сравнению с умеренным DoD. Достаточно сочетания этих двух факторов, чтобы время эксплуатации уменьшилось до 2 лет. С другой стороны, если соблюдать правила использования аккумуляторов, реальный срок эксплуатации может совпадать с паспортным или даже превысить его.

Что значит «правильный заряд» и почему это критично

Под «правильным зарядом» аккумулятора понимается такой процесс, который обеспечивает постепенное восстановление емкости с учетом типа и характеристик АКБ, а также условий эксплуатации. Это базовый аспект поддержания работоспособности элемента питания и продления срока его службы. Правильный заряд предотвращает аварии, обеспечивает безопасность для людей и окружающей среды.

Корректность процесса зависит от выбора зарядного устройства. Ключевыми требованиями к ЗУ являются:

• Определение типа аккумуляторной батареи. Ток, напряжение и температура зарядки, а также профиль заряда для разных типов АКБ различны, поскольку они зависят от химического и физического состава АКБ. Для AGM-аккумуляторов необходимо специальное ЗУ.
• Правильное напряжение – соответствие характеристик зарядного устройства напряжению аккумулятора и рекомендуемым параметрам зарядки. Превышение напряжения чревато перегревом и повреждением накопителя, а при слишком низком аккумулятор не сможет зарядиться полностью.
• Оптимальный ток зарядки – этот параметр зависит от емкости аккумулятора и обычно составляет 10% от нее. Точное значение тока зарядки указывается в технической документации.

С ответственным и чувствительным оборудованием рекомендуется использование резервированного источника питания (РИП). При этом также необходима совместимость с аккумулятором.

Зарядка аккумулятора производится в три этапа:

1. Bulk (объемная зарядка) – начальная стадия, на которой на АКБ подается максимально допустимый ток с целью быстро увеличить уровень заряда примерно до 80-90%. Напряжение повышается по мере поглощения аккумулятором энергии. На этом этапе напряжение стандартной свинцово-кислотной АКБ 12 В достигает примерно 14,4-14,6 В. При этом особенно важно не допустить перегрева.
2. Absorption (поглощение). Начинается, когда SoC (состояние заряда) достигает примерно 80-90%. На стадии абсорбции поддерживается постоянное напряжение: для AGM-аккумуляторов оно обычно составляет 14,4–14,8 В, для GEL-аккумуляторов – 13,8–14,1 В. Ток постепенно уменьшается до 10–20% от емкости аккумулятора. Уровень заряда достигает 90-95% первоначальной емкости.
3. Float (буферный заряд). Напряжение снижается до рекомендованного уровня: для 12-вольтовой свинцово-кислотной батареи это, как правило, 13,2–13,8 В. На данном этапе необходимо поддерживать аккумулятор в полностью заряженном состоянии без перезаряда. Для AGM и гелевых аккумуляторов могут потребоваться специальные настройки напряжения.

Основные риски при использовании зарядного устройства – недозаряд и перезаряд. И то, и другое имеет негативные последствия.

Недозаряд:

• Сульфатация (кристаллизация) пластин, что снижает емкость и эффективность АКБ.
• Снижение способности удерживать уровень заряда.
• Увеличение внутреннего сопротивления, затруднение подачи питания на устройства.
• Ускорение процесса старения батареи. Риск глубокого разряда с необратимыми повреждениями.
• Снижение пускового тока, проблемы с запуском двигателей.

Перезаряд:

• Разложение электролита на водород и кислород, увеличение давления газов с последующим вздутием или деформацией корпуса.
• Закипание и утечка жидкого электролита.
• Испарение воды и снижение уровня электролита, вероятность разрушения пластин.
• Коррозия и деградация электродов.
• Тепловой разгон – повышение температуры с ускорением химических реакций внутри ячеек, возможность воспламенения и взрыва.
• Повреждение чувствительной электроники приборов.

Для предотвращения этих и других негативных последствий необходимо придерживаться рекомендаций производителей по режимам заряда. Это поможет продлить срок службы АКБ, предотвратит перегрев и повреждения, повысит безопасность использования, обеспечит совместимость аккумулятора и зарядного устройства.

Изготовители учитывают типы батарей и особенности конкретной модели, например, материал, из которого изготовлена АКБ, и другие нюансы. На этапе абсорбции гелевым аккумуляторам требуется медленная зарядка, так как они плохо переносят высокие токи заряда. Для некоторых типов аккумуляторов рекомендован смешанный метод: сначала постоянный ток, затем – постоянное напряжение.

На основе тестов производители устанавливают оптимальные параметры зарядки. Следовать им необходимо даже при наличии встроенных систем управления аккумулятором – они не всегда могут заменить точные настройки, сделанные вручную. Пользователи заинтересованы в следовании основным и дополнительным рекомендациям, поскольку многие производители не признают гарантийными случаями поломки автономных источников питания, связанные с использованием неисправных или несовместимых ЗУ, а также нарушениями правил зарядки.

Как продлить срок службы промышленных АКБ: практический чек-лист

1. Поддерживайте температуру окружающей среды в допустимом диапазоне (20–25 °C), избегайте перегрева и сильного холода.
2. Ограничивайте глубину разряда с учетом разных рекомендуемых значений в зависимости от химического состава электролита (например, 30–50% DoD для долгого ресурса). Не допускайте глубоких разрядов ниже 20% для свинцово-кислотных и 15% для литиевых элементов.
3. Избегайте длительного хранения в разряженном состоянии, периодически полностью заряжайте.
4. Регулярно проверяйте состояние: визуальный осмотр еженедельно, измерение напряжения, периодические тесты емкости/нагрузочные тесты. Диагностика АКБ 1–2 раза в год.
5. Следите за чистотой и состоянием клемм, контактов, кабелей.
6. Используйте только рекомендованные производителем зарядные устройства.

Когда аккумулятор пора менять

Признаки выработанного ресурса батареи:

• заметное падение времени автономной работы;
• повышение температуры аккумуляторных блоков;
• провалы напряжения под нагрузкой;
• повышение внутреннего сопротивления АКБ;
• частые сообщения об ошибке системы.

Решение о плановой замене батареи принимается исходя из следующих критериев:

• фактический срок службы;
• количество циклов перезарядки в соответствии с типом АКБ;
• результаты контрольных испытаний (например, пусковой ток – менее 80% от номинала, внутреннее сопротивление – вдвое выше нормы и другие «проваленные» тесты).

По истечении срока годности, указанного производителем, аккумулятор рекомендуется заменить независимо от текущего состояния.

Заключение

Паспортные «5–10 лет» жизни аккумулятора достижимы только при соблюдении надлежащих условий. Правильный режим эксплуатации и обслуживания может значительно увеличить ресурс батареи.

Для длительной работы АКБ рекомендуется заложить в проект и эксплуатацию понятный регламент технического обслуживания и плановую замену АКБ. Регламент должен включать определение видов ТО, периодичность (утвержденный график) осмотров, перечень проверяемых параметров. Для плановой замены необходимо определить сроки службы, критерии замены, учет результатов тестирования.