Неисправности аккумуляторных батарей и их причины: признаки износа, сроки эксплуатации, списание аккумуляторных батарей

Содержание

Неисправности аккумуляторных батарей — Полезные статьи

Зимой всё актуальнее становится вопрос: переживет ли старый аккумулятор еще один год зимней эксплуатации?

Большинство автолюбителей ожидает постепенного и ощутимого для водителя ослабевания мощности аккумуляторной батареи. Поводом для беспокойства является заметное ухудшение холодного старта, тусклый свет фар или слабый звуковой сигнал. Но проявление признаков неисправности далеко не всегда происходит постепенно или становится явно выражено. Нередко аккумулятор подводит совершенно некстати и без предварительных симптомов. Это обусловлено особенностями его устройства — окончательное падение напряжения происходит только перед полной разрядкой.

Стоит понимать, что неисправности аккумуляторной батареи — болезнь не только подержанных автомобилей со старыми батареями и неисправным электрооборудованием, подобные проблемы случаются и на совсем новых машинах. В автомобилях возрастом от одного до шести лет, несмотря на ещё свежие аккумуляторы, неисправность чаще всего вызвана обилием бортовой электроники. Такие системы, как старт-стоп или система рекуперации тормозов, сами по себе потребляют много энергии. К этому добавляется большое количество систем обеспечения комфорта (обогрев сидений, стекла, предпусковые подогреватели, кондиционер и прочее). Аккумулятор попросту не справляется с нагрузкой, а городские короткие поездки и простой в пробках не обеспечивают заряда против таких истощений.

Для иллюстрации общей картины неисправностей стоит просмотреть статистику немецкого автомобильного клуба ADAC. Неисправность аккумуляторной батареи является причиной поломок не менее чем в 30% случаев. И это не предел, ведь проблемы с аккумулятором могут также отразиться на состоянии генератора, стартера и элементов систем электроники и комфорта.

Профилактика аккумуляторной батареи

Оптимальный срок службы и гарантия на стартерную аккумуляторную батарею рассчитаны исходя из нормального режима эксплуатации, в котором она получает необходимую дозарядку от генератора. Повышенный и пониженный ток одинаково вредны для аккумулятора, поэтому важно уделять внимание инспекции работы стартера и генератора. Например, неполадки стартера увеличивают силу потребляемого им тока, а неисправное реле генератора может давать повышенный или пониженный заряд батареи. В результате батарея выходит из строя значительно быстрее.

Это необслуживаемая аккумуляторная батарея, но под наклейкой можно различить контуры пробок. Потери воды должны быть незначительны, однако при жёстких режимах эксплуатации они всё же случаются. Долить воду можно, если пробки предусмотрены конструкцией

Правый «плюс» говорит об «обратной» (или «европейской») полярности. «Прямая» полярность присуща большинству отечественных и китайских авто.

Неправильную работу электрики могут вызвать также косвенные причины: окисление клемм ведёт к ухудшению параметров стартера и заряда батареи, также недозаряд гарантирован при слабом натяжении приводного ремня. Постоянный недозаряд может привести к полному или глубокому разряду — критическому состоянию, после которого батарея может уже не восстановиться. Глубокий разряд является самой распространенной причиной выхода аккумуляторной батареи из строя и опасен тем, что водитель не замечает, как разряд накапливается. Это происходит при недостатке или отсутствии заряда, например при коротких непродолжительных поездках, долгом простое автомобиля или эксплуатации в лютые морозы.

В результате сильного разряда происходит так называемая сульфатация пластин — крупные кристаллы свинца закрывают поры активной массы, в результате чего ёмкость аккумулятора понижается. Устранить незначительную сульфатацию можно с помощью длительного заряда током, равным 10% от номинальной ёмкости. Ешё правильнее регулярно проводить контрольно-тренировочные циклы, позволяющие полностью разрядить и зарядить батарею несколько раз. Это помогает «раскачать» батарею, увеличить её ёмкость и повысить ресурс. Такие циклы рекомендованы даже новым аккумуляторам в качестве профилактики. Но не стоит надеяться на чудо, если вы вдруг решились на подобные процедуры на пятом году жизни аккумулятора: ожидаемого увеличения ёмкости не произойдёт. Проведение полного контрольно-тренировочного цикла потребует нескольких дней (каждый этап не менее 10 часов) и применения специального оборудования, поэтому всё же лучше посетить автосервис.

Ещё одной важной причиной неисправности батареи является низкий уровень электролита, Не будем рассуждать о возможности добавить воду в необслуживаемый АКБ, но если определенный уровень предусмотрен, то за ним нужно следить. В процессе работы батареи вода понемногу испаряется из ёмкостей. Особенно активно эти процессы происходят летом, когда температура воздуха и подкапотного пространства повышается, тем самым способствуя испарению. Вода активно улетучивается и при повышенных токах зарядки. Важно также понимать, что превышение уровня так же критично, как и его понижение.

Предостережение касается также желающих долить или поменять электролит. Низкая плотность или недостаток электролита не повод его добавлять. В результате эксплуатации уровень электролита может падать из-за выкипания воды, но количество серы в банках остается прежним. Доливать электролит стоит только в случае, если он пролился из банки или загрязнен. В остальных случаях решение стоит принимать на основании замеров плотности электролита и проверки аккумуляторной батареи нагрузочной вилкой, так как неоднородность и чрезмерная плотность электролита могут ухудшить показатели аккумулятора.

Токовыводы азиатских машин расположены сверху АКБ, а на европейских утоплены в корпус

Напряжение зараженной аккумуляторной батареи без нагрузки должно составлять не менее 12,6 вольт, под нагрузкой не менее 10,2 вольта.

Разряд при долгом простое происходит из-за присущего всем батареям эффекта саморазряда. Нормальным считается потеря 10% заряда за 14 дней, но этот показатель существенно увеличивается при загрязнении и попадании влаги на батарею. Стоит заметить: чем ниже температура, тем хуже зарядка батареи генератором. Например, при -30°С за бортом зарядка генератором практически не осуществляется, поэтому при суровых морозах стоит заносить аккумулятор в отапливаемое помещение и подзаряжать с помощью стационарного зарядного устройства.

Непосредственно на батареи отрицательные температуры влияют двояко. Холода позволяют уменьшить саморазряд аккумуляторных батарей, но неполная зарядка отзовется плохой работой или даже отказом аккумулятора в мороз. Это связано с уменьшением рабочих температур электролита с недостаточной плотностью. Например, замерзание стандартного электролита с плотностью 1,28 г/см3 предусмотрено при -65°С, но понижение его плотности до 1,2 г/см’ (разряд аккумуляторной батареи 60%) приводит к замерзанию уже при -20°С. Дальнейший разряд и, следовательно, понижение плотности электролита приведёт к температуре замерзания -7°С. Поэтому, чтобы избежать кристаллизации электролита, разряженные батареи нельзя оставлять в автомобиле, а следует заносить в тепло.

Типы аккумуляторных батарей

Если никакие способы воздействия на аккумулятор не дают должного эффекта, его всё же потребуется заменить. А для этого нужно ориентироваться в типах современных стартовых аккумуляторных батарей. Среди стартовых батарей на сегодняшний день встречаются обслуживаемые или малообслуживаемые, необслуживаемые и гибридные. Также батареи делятся по технологии изготовления материалов электродов.

Классический тип (РЬ- Sb) — обслуживаемые, так называемые малосурьмянистые батареи, в основе которых лежат свинцовые пластины, легированные сурьмой. Такие батареи устарели морально и технически и встречаются сегодня в продаже очень редко. Хотя обладают очевидными плюсами: очень привтекательной стоимостью и стойкостью к глубокому разряду. Но на этом фоне есть значительные минусы: большая степень саморазряда, тяжёлая восприимчивость к повторному перезаряду и очень сильная токсичность.

Большое распространение сегодня получили малообслуживаемые батареи с применением кальция для легирования одного электрода (Sb/Ca). Можно найти очень доступные по цене варианты, но также есть и достаточно дорогие образцы. Рекомендованы для подержанных и отечественных автомобилей, у которых наблюдается нестабильность в электрике и зарядке. Необходимо следить за уровнем электролита и по необходимости добавлять воду до уровня.

При изготовлении и положительного, и отрицательного электродов с добавкой кальция получается батарея с технологией (Са/Са), которая не требует обслуживания. Это и есть главное преимущество таких батарей, так как не придётся возиться с электролитом. Но вместе с этим «двойной кальций» скрывает и определенные минусы. Такой тип аккумуляторов не переносит глубоких разрядов, которые неизбежно случаются в условиях городских пробок и сибирских зим. В случае полного разряда восстановить батарею, скорее всего, не получится .

Гелевые батареи породили множество мифов, но их применение в автомобиле не оправдано: AGM-аккумуляторы имеют более высокие показатели

Батареи AGM дороже обычных, но обеспечивают исключительные показатели в автомобилях с системами старт-стоп

Гибридные аккумуляторные батареи (СА+) сочетают в себе преимущества двух предыдущих типов (положительный электрод кальцинирован, а отрицательный сделан из малосурьмянистого сплава). В результате аккумулятор получает стойкость к глубокому разряду по сравнению с технологией «двойного кальция», а также улучшенные показатели высоких пусковых токов, виброустойчивосги и саморазряда. Технология применяется большинством именитых производителей и является наиболее оптимальной на сегодняшний день, оставаясь относительно доступной по цене. Такая батарея обладает надёжностью и долгим сроком эксплуатации.

Наиболее продвинутыми, а поэтому дорогими являются аккумуляторы на основе технологии AGM. Аббревиатура означает абсорбирующее стекловолокно, которое, прилегая к свинцовым пластинам, связывает электролит. Такие аккумуляторы обладают в четыре раза большей циклической устойчивостью и ускоренной внутренней реакцией относительно стандартных батарей. Такой аккумулятор может быть использован в любом автомобиле, но особенно рекомендуется при задействовании большого количества электрики и вспомогательных устройств. Однако стоимость таких девайсов чуть ли не единственный минус — они обойдутся втрое дороже стандартных аккумуляторных батарей. Батареи AGM штата о установлены в автомобилях с системами старт-стоп, и в этом случае не могут быть заменены на стандартные аккумуляторы.

Основные неисправности аккумуляторных батарей

Основные неисправности аккумуляторных батарей

Окисление полюсных выводов ускоряется при попадании на них электролита, отсутствии смазки на выводах и неплотном креплении наконечников проводов. Окисленные выводы повышают сопротивление в цепи всех потребителей, особенно стартера, что ухудшает их работу. Окисленные выводы зачищают наждачной бумагой и смазывают техническим вазелином.

Трещины в мастике, крышках и стенках бака являются причиной понижения уровня электролита в аккумуляторах. Электролит, попавший на поверхность крышек, замыкает полюсные выводы полублоков пластин, что ускоряет саморазряд аккумуляторов. В случае соприкосновения заряженных пластин с воздухом, губчатый свинец отрицательных пластин переходит в гидроокись свинца, вызывая нежелательное уплотнение активной массы. Пористость активной массы уменьшается, что затрудняет доступ электролита в глубокие слои пластин. В работе будет участвовать меньше активной массы, что снижает емкость батареи. Кроме того, на оголенной части пластин происходит образование крупных труднорастворимых кристаллов сернокислого свинца, что еще больше снижает емкость батареи.

Трещина во внутренней стенке бака вызывает замыкание электролитом разноименных групп пластин двух соседних аккумуляторов, соединенных между собой свинцовой перемычкой, и происходит их саморазряд, а в дальнейшем— образование труднорастворимых кристаллов сернокислого свинца.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Плотность электролита в этих аккумуляторах будет меньше, чем в исправных; э. д. с. двух соседних аккумуляторов, замыкающихся через электролит, будет равна 2В.

Поврежденные крышки, баки и мастику заменяют.

Ускоренный саморазряд аккумуляторов, При эксплуатации и длительном хранении батарей каждый исправный аккумулятор постепенно разряжается и теряет свою емкость даже в том случае, если к нему не подключают никаких потребителей. Это явление называется саморазрядом.

По ГОСТ 959.0—71 нормальный (естественный) саморазряд новых аккумуляторов при бездействии в течение первых 14 сут соответствует потере первоначальной емкости не более 10%. При более длительном бездействии аккумулятора саморазряд уменьшается примерно наполовину

Для батарей, бывших в эксплуатации, саморазряд превышает указанные ГОСТом нормы.

Такой саморазряд называется ускоренным.

Причинами возникновения ускоренного саморазряда являются: замыкание выводов аккумуляторов грязью и электролитом, разлитым на поверхности крышек баков; замыкание разноименных пластин осыпающейся активной массой или при разрушении сепараторов; образование местных (паразитных) токов в активной массе пластин, разная плотность в верхних и нижних слоях электролита.

Местные токи появляются в результате возникновения э. д. с. между свинцовыми окислами активной массы и металлическими примесями в решетках пластин или примесями, попавшими в аккумулятор с электролитом или водой. Самой распространенной металлической примесью в электролите является железо.

Металлы, попадающие в электролит, образуют с кислотой растворимую соль и во время заряда вследствие электролиза отлагаются на отрицательных пластинах. Между крупинками металлов и активной массой отрицательных пластин создается большое количество мельчайших коротко-замкнутых первичных местных элементов (посторонний металл — электролит — губчатый свинец).

Тогда в результате разности потенциалов в той части активной массы, где вкраплены посторонние металлы, возникает большое количество цепей местных «паразитных» токов. Эти токи вызывают преобразование губчатого свинца в сернокислый свинец; местные токи возникают в положительных пластинах между РЬ02 активной массы и РЬ решетки, а также между сурьмой и свинцом в решетках всех пластин.

Вследствие образования местных токов происходит электролиз воды, поэтому из электролита будут выделяться пузырьки газов водорода и кислорода, что является признаком ускоренного саморазряда аккумулятора.

Неодинаковая плотность в различных слоях электролита в аккумуляторе является причиной ускоренного саморазряда пластин. Плотность электролита в верхних и нижних слоях может быть неодинаковой после доливания воды в аккумулятор.

Вследствие большей плотности электролита нижняя част ь пластин будет иметь больший потенциал, чем верхняя, погруженная в электролит меньшей плотности. При этом возникает уравнительный ток, направленный от нижней части пластин к верхней, а затем через электролит—снова к нижней части пластин. Уравнительные токи, вызывая непроизводительный разряд, ускоряют образование крупных кристаллов PbS04, что снижает емкость аккумулятора, а следовательно, и всей батареи.

Основным средством уменьшения саморазряда является соблюдение чистоты как при приготовлении электролита, так и при эксплуатации аккумуляторной батареи. При хранении аккумуляторной батареи в заряженном состоянии ее необходимо периодически подзаряжать, чтобы компенсировать саморазряд.

Саморазряд ускоряется при большой загрязненности крышек и электролита, а также замыкании пластин высыпавшейся активной массой. Если установлено, что саморазряд аккумуляторов происходит из-за загрязнения электролита, то такую батарею необходимо разрядить силой тока 10-часового режима до напряжения 1,1 —1,2 В на аккумулятор, чтобы посторонние металлы и их окислы, попавшие в аккумуляторы с электролитом или водой, перешли с активной массы отрицательных пластин в электролит. После этого вылить весь электролит, а затем залить аккумуляторы свежим электролитом той же плотности, которую имел электролит, вылитый перед промывкой, и полностью зарядить батарею.

Пониженная или повышенная плотность электролита.

При понижении плотности электролита увеличивается внутреннее сопротивление батареи и снижается ее емкость.

Корректировку плотности электролита в конце заряда производят доливкой в аккумуляторы дистиллированной воды в случае, когда плотность будет выше нормы, и доливкой электролита плотности 1,40 г/см3, когда она будет ниже нормы.

Сульфатация пластин. Сульфатацией называют образование крупных труднорастворимых кристаллов сернокислого свинца (сульфата) PbS04 на поверхности пластин и на стенках пор активной массы. Кристаллы сульфата закупоривают поры активной массы положительных и отрицательных пластин, что препятствует проникновению электролита в глубь пластин. В результате не вся активная масса будет участвовать в работе, что снизит емкость аккумулятора.

Сильно сульфатированные пластины приобретают светлую окраску с образованием белых пятен сульфата. Суль-фатация пластин возникает при длительном хранении батареи без подзаряда, повышенной плотности электролита, большом саморазряде, соприкосновении пластин с воздухом при пониженном уровне электролита, при систематическом недозаряде батареи и при попадании посторонних примесей в электролит.

Сульфатированная батарея из-за малой емкости быстро разряжается при резком падении напряжения, особенно при включении стартера.

При заряде сульфатированной батареи быстро повышается напряжение и температура электролита, а также начинается бурное газовыделение, в то время как плотность электролита повышается незначительно, поскольку часть серной кислоты остается связанной в сульфате.

В современных конструкциях аккумуляторных батарей вследствие применения новых материалов сепараторов и баков, а также лучших составов активной массы пластин почти полностью устранено образование крупных нерастворимых кристаллов сульфата, а поэтому сильная сульфа-тация пластин при нормальном уровне электролита возникает редко.

Сульфатированные пластины исправляют продолжительными зарядами силой тока не более 0,05 от емкости батареи, при плотности электролита не более 1,12 г/см3.

Сильно сульфатированные пластины не восстанавливают.

Преждевременное разрушение пластин в аккумуляторах происходит при длительном перезаряде, т.

е. когда полностью заряженная батарея остается под напряжением зарядного агрегата и через нее проходит зарядный ток.

Так как у заряженного аккумулятора активная масса преобразована на положительных пластинах в РЬ02, а на отрицательных в РЬ, дальнейший заряд вызывает только бесцельный электролиз воды, содержащейся в электролите, на водород и кислород и вредное окисление решеток положительных пластин выделяющимся кислородом. Сильное окисление решеток сопровождается их разрушением.

Одновременно в порах активной массы пластин будет накапливаться значительное количество газов водорода и кислорода, вследствие чего давление в порах будет возрастать, что вызывет разрыхление и выкрашивание активной массы и даже отрыв ее от решеток пластин.

Ввиду меньшей механической прочности активная масса положительных пластин при перезаряде батареи разрушается гораздо быстрее, чем активная масса отрицательных пластин.

Аналогичное явление происходит:
— при заряде аккумуляторов большой силой зарядного тока в конце заряда, при повышении плотности и температуры электролита. В этих случаях механическая прочность активной массы пластин уменьшается, поэтому происходит оползание и выпадение ее из ячеек решеток пластин;
— при непрочном креплении батареи на автомобиле;
— при замерзании воды в электролите;
— вследствие коррозии решетки положительных пластин при повышении температуры электролита, длительном перезаряде батарей и при применении неаккумуляторной серной кислоты.

Короткое замыкание батареи, повышение температуры электролита выше 45 °С, а также частое и длительное включение стартера способствует короблению пластин, что ускоряет разрушение активной массы.

Разрушение пластин вызывает уменьшение емкости и короткое замыкание разноименных пластин. В таком аккумуляторе плотность электролита будет очень малой.

Короткое замыкание разноименных пластин происходит при разрушении сепараторов, большом выпадении активной массы на дно бака и на кромках сепараторов, выступающих над верхней частью пластин. При работе батареи электролит в аккумуляторах все время перемешивается между нижней и верхней частями бака и переносит частицы высыпавшейся активной массы на верхние торцы сепараторов и пластин, что и вызывает частичное замыкание последних. Частичное замыкание пластин возникает и при образовании наростов свинца на кромках решеток отрицательных пластин.

Короткозамкнутый аккумулятор быстро разряжается и пластины его сульфатируются. Плотность электролита в таком аккумуляторе будет очень малой.

При полном коротком замыкании аккумулятор зарядить нельзя, а э. д. с. его будет равна нулю. При частичном коротком замыкании вольтметр будет регистрировать напряжение меньше величины э. д. с. Е0, подсчитанной по плотности у электролита, приведенной к 15 °С.

Как правило, в аккумуляторах, имеющих частичное короткое замыкание, электролит загрязнен активной массой пластин.

При полном коротком замыкании нужно разобрать аккумулятор и устранить дефекты, вызвавшие замыкание. Для устранения частичного замыкания пластин производят промывку аккумулятора дистиллированной водой.

6 распространенных причин выхода из строя автомобильного аккумулятора и способы его обслуживания

Наши автомобили — это наша спасательная трудно представить нашу жизнь без них. Они являются наиболее распространенным способом коммутация для ежедневных путешественников. В основном каждый, должно быть, испытал обычный сценарий в какой-то момент жизни, когда мы пытались включить нашу машину, и не удалось запустить. Будь то наш автомобиль или такси; батарея всегда может выйти из строя при самые неподходящие моменты.

Вы все еще думаете, что батарея — это просто маленькая часть автомобиля? Вы будете удивлены, узнав, что батарея, хотя небольшая часть рамок, это сердце нашей машины. Итак, для части так важно, мы должны принять обоснованное решение. Нам нужно проникнуть в глубину знать причины выхода из строя автомобильного аккумулятора. Нам будет полезно лучше понять работу нашего автомобиля и поможет нам в выборе правильный аккумулятор в следующий раз.

Старение

Все на этой земле тленно, и наши батарейки тоже. С течением времени внутреннее сопротивление аккумуляторов увеличивается, что в конечном итоге приводит к их выходу из строя.

Читайте также: Как проверить состояние аккумулятора вашего автомобиля

Неправильный уход

Наши аккумуляторы нуждаются в надлежащем обслуживании и уходе, даже когда они не используются. Неправильный уход является основной причиной выхода из строя аккумуляторной батареи. Следует прочитать инструкции производителя о том, как хранить и обслуживать батарею, когда она не используется.

Коррозия

Аккумуляторная кислота вызывает коррозию. Батарея Клеммы — это то, как аккумулятор может заряжаться от генератора. Итак, если все соединения забиты, батарея не заряжается должным образом. Нужно очистить коррозию, чтобы улучшить способность автомобиля заряжать батарея.

Холодная погода

Это одна из наиболее частых причин выход из строя батареи. Поэтому у многих севший аккумулятор ассоциируется с зимой. Поскольку никто не может управлять погодой, обратите внимание на признак слабой батареи и сделать необходимые приготовления.

Утечка электричества

Все аккумуляторы имеют тенденцию к потере электричества энергии, когда он не используется, известный как саморазряд. Это может быть связано с несколькими факторы, такие как методы производства, старение, рабочая температура, цикл зарядки/разрядки и т. д.

Повторяющийся цикл

Когда аккумулятор переходит от полностью заряженного к полностью разряженный неоднократно, он теряет много активных материалов из положительные пластины. Таким образом, снижается его мощность и срок службы.

Срок службы батареи ограничен, но оно может быть значительно сокращено этими факторами, которые имеют тенденцию вызывать преждевременное сбои батареи. Перечисленные выше факторы являются наиболее распространенными причинами неисправности аккумулятора, и мы, как автовладельцы, можем знать об этих факторах. Как на самом деле, в Японии неисправность батареи является самой серьезной жалобой среди автовладельцев. Автомобиль ездит в основном по загруженной дороге. В связи с этим, аккумуляторы никогда не заряжаются полностью, и происходит сульфатация.

Если вашему автомобильному аккумулятору больше трех лет, и вы живете в жарком климате, то ваш аккумулятор, вероятно, живет в долг. Аномально медленный запуск, особенно в холодный день, является еще одним хорошим признаком того, что ваша батарея разряжается. Автомобильные аккумуляторы Livguard обеспечивают наилучшие впечатления в любых дорожных условиях. Они предназначены для исключительной работы вашего автомобиля в любых погодных условиях. Они обеспечивают высокую мощность запуска и лучшую в своем классе гарантию, чтобы предоставить потребителям долговечную и надежную батарею. Продукция Livguard основана на инновационных технологиях для достижения совершенства в производстве и обслуживании.

Почему батареи выходят из строя

Для инженера-прикладника, разрабатывающего надежные продукты, зависящие от аккумуляторов в качестве источника питания, важно понимать возможные режимы отказа используемых элементов. Это необходимо для того, чтобы он мог гарантировать, что изготовитель элементов предусмотрел потенциальные неисправности самих элементов и что неподходящие или неконтролируемые условия эксплуатации во время производства и последующего использования элементов можно предотвратить или избежать. Конструкции батарейных блоков и приложений, использующих элементы, должны смягчать последствия любых режимов отказа как элементов, так и приложений, в которых они используются. Это также должно включать стратегию сдерживания для устранения катастрофических отказов, таких как тепловой выход из строя в результате внешних угроз, таких как аварии или экстремальные злоупотребления, не зависящие от разработчика.

Аккумуляторы с разным химическим составом или конструкцией элементов могут выйти из строя по-разному. В этом отчете описаны некоторые из наиболее распространенных отказов элементов и предложены превентивные меры, которые необходимо учитывать при выборе элементов для новых батарей.

Почему клетки выходят из строя

Ошибки конструкции ячейки

Логично начать анализ с конструкции самой ячейки. К сожалению, это та область, в которой инженер-разработчик приложений обладает наименьшими знаниями и на которую он меньше всего может повлиять. Ошибки конструкции ячейки, такие как слабая механическая конструкция, неадекватные герметичные уплотнения и вентиляция, использование некачественных материалов и неправильные допуски, могут быть причиной многих потенциальных отказов. Если он не обладает квалификацией в области физической химии и не имеет опыта проектирования компонентов и доступа к подробным данным о конструкции ячейки и специализированному оборудованию, такому как масс-спектрометры и электронные микроскопы, инженер-технолог мало что может сделать, чтобы убедиться в качестве конструкции ячейки. только из характеристик. Однако можно провести ускоренное испытание на срок службы на образцах элементов, чтобы убедиться, что они соответствуют требуемым требованиям надежности для предлагаемого применения. Прежде чем какие-либо элементы будут приняты для использования в ваших батареях, они должны пройти тщательное квалификационное тестирование для выявления любых потенциальных недостатков. Дополнительные сведения см. в разделе Тестирование батареи. Если у вас нет необходимого оборудования для проведения этих тестов, ваш дружелюбный дизайнер упаковки сможет сделать это за вас.

Производственные процессы вышли из-под контроля

Это область, в которой разработчик приложений может начать оказывать некоторое влияние. Ячейка может быть хорошо спроектирована, но как только она попадает из конструкторской лаборатории на фабрику, ее судьба определяется директором фабрики. В хорошо управляемых компаниях это не должно быть проблемой, но плохо управляемое производственное предприятие может привести к многочисленным потенциальным источникам сбоев в ячейке. Это вряд ли будет проблемой на большом автоматизированном заводе с известным брендом, который нужно защищать, но если вы ищете производителя ячеек с наименьшими затратами, вы должны осознавать, что можно срезать углы для достижения целей по затратам. Некоторые симптомы, на которые следует обратить внимание: —

Ручные методы производства. — Очень трудно добиться точности и воспроизводимости с помощью методов ручной сборки, а отсутствие точности означает возможные короткие замыкания, утечки, ненадежные соединения и загрязнение. Это относится не только к уличным операциям с использованием дешевой рабочей силы. Даже в хорошо управляемых компаниях, когда внедряются новые технологии, первоначальные требования клиентов обычно удовлетворяются продуктами ручной работы или продуктами, изготовленными на полуавтоматическом оборудовании, до тех пор, пока не установится спрос и не оправдаются инвестиции в автоматизированное производственное оборудование.
Устранение повреждений, таких как царапины или раздавливание узла электрода.
Компоненты с отклонениями от допуска создают такие же проблемы, как и при неточной сборке, упомянутой выше.
Заусенцы на фольге токосъемника электрода вызывают короткое замыкание.
Пустоты уменьшают емкость ячейки, увеличивают импеданс и препятствуют рассеиванию тепла.
Загрязнение активных химических веществ приводит к нежелательным химическим эффектам, которые могут привести к различным формам выхода из строя элемента, таким как перегрев, повышение давления, снижение емкости, увеличение импеданса, саморазряд и короткое замыкание.
Смазочные материалы или мусор, оставшиеся в материалах корпуса.
Плохой контроль морфологии частиц электрода. Размер частиц должен быть очень маленьким и однородным, чтобы обеспечить заданную мощность ячейки.
Процесс вышел из-под контроля. — Типичным примером является переменная толщина покрытия активных химикатов на электродах. Опять же, результаты могут повлиять на емкость элемента, импеданс и саморазряд. Технологический контроль также относится к температуре и влажности воздуха на производственном предприятии, а также к точности размеров компонентов.
Использование неутвержденных альтернативных материалов. Это не обязательно очевидно, но это, безусловно, происходит. Для подтверждения этого могут потребоваться испытания образцов.
Качество сварки/уплотнения — это может привести к некачественным, ненадежным соединениям и локализованному нагреву.
Сепаратор поврежден в процессе сварки
Механические недостатки. В небольших элементах наиболее вероятной проблемой будет утечка электролита. Ячейки большего размера будут более склонны к растрескиванию или расщеплению, что также приведет к утечке или деформации, что означает, что ячейки могут не поместиться в корпус, предназначенный для них.
Плохая герметизация приводит к утечке и потере активных химикатов или проникновению воды, коррозии и потенциальным проблемам с безопасностью.
Системы качества и управление качеством. — После конструкции самой ячейки это, пожалуй, самые важные факторы, влияющие на отказы ячейки. Производственное предприятие должно иметь в наличии в ключевых точках производственного процесса средства контроля, которые устанавливают ограничения и постоянно контролируют все параметры, которые в конечном итоге могут повлиять на качество и надежность продукта. Корректирующие действия должны вступать в действие автоматически всякий раз, когда приближаются указанные пределы, чтобы гарантировать, что они никогда не будут нарушены. Система должна быть не только на месте, но и должна быть видна, что она полностью функционирует. Записи должны храниться как доказательство того, что система всегда работает правильно.

Все эти пункты могут быть проверены инженером по применению аккумуляторов, чтобы убедиться в достоверности предлагаемого поставщика элементов при условии, что поставщики элементов разрешат доступ к своим заводам-изготовителям.

См. также Производство аккумуляторов

Старение

Рабочие характеристики батареи со временем постепенно ухудшаются из-за нежелательных химических реакций и физических изменений активных химических веществ. Этот процесс, как правило, необратим и в конечном итоге приводит к выходу из строя батареи. Ниже приведены некоторые примеры: —

Пассивация. Это резистивный слой, который нарастает на электродах, препятствуя химическому действию клетки, увеличивая ее импеданс и в то же время уменьшая количество активных химических веществ в клетке. Постепенное наращивание слоя SEI является основной причиной старения клеток. В конечном итоге слой SEI может заблокировать пористую поверхность электродов, что приведет к критическому отказу элемента. Узнайте больше о пассивации, а также о положительных и отрицательных аспектах этого слоя, известного как слой SEI.
Коррозия также потребляет некоторые активные химические вещества в ячейке, что приводит к увеличению импеданса и потере емкости
Химические потери в результате испарения. В некоторых конструкциях элементов газообразные продукты, возникающие в результате перезарядки, выбрасываются в атмосферу, вызывая потерю емкости.
Изменение физических характеристик (морфологии) рабочих химикатов.
- Кристаллообразование. Со временем кристаллическая структура на поверхности электрода изменяется по мере образования более крупных кристаллов. Это уменьшает эффективную площадь электродов и, следовательно, их токопроводящую и энергоаккумулирующую способность.
- Дендритный рост. Это образование мелких кристаллов или древовидных структур вокруг электродов в том, что должно быть водным раствором. Первоначально эти дендриты могут вызывать усиление саморазряда. В конечном итоге дендриты могут пробить сепаратор, что приведет к короткому замыканию.
Закороченные ячейки. Ячейки, которые были относительно приемлемыми, когда были новыми, могли содержать скрытые дефекты, которые становятся очевидными только по мере того, как процесс старения берет свое. Это может включать в себя плохую конструкцию элемента, загрязнение, заусенцы на металлических частях и сепараторах, поврежденных сварочными операциями на токосъемниках электродов, что может привести к соприкосновению электродов друг с другом, вызывая короткое замыкание.
Растрескивание электрода или электролита. Некоторые элементы с твердым электролитом, такие как литий-полимерные, могут выйти из строя из-за растрескивания электролита.

Описанный выше процесс старения ускоряется при повышенных температурах.

Дополнительные сведения о старении см. на странице Срок службы батареи.

Ниже приводится сводка механизмов старения анода и катода, опубликованная NREL

Механизмы старения

Source NREL Images: Vetter et al., Механизмы старения литий-ионных аккумуляторов, J. Power Sources, 147 (2005) 269-281

Неконтролируемые условия эксплуатации

Хорошие аккумуляторы не застрахованы от поломок, которые могут быть вызваны тем, как они используются или неправильно используются. Высокая температура ячейки является основным убийцей, и это может быть вызвано следующими ситуациями.

Плохой дизайн приложений
Неподходящая ячейка для приложения
Неподходящий профиль зарядки
Перезарядка
Условия окружающей среды. Высокая температура окружающей среды. Отсутствие охлаждения.

Высокая температура хранения
Физический урон также является фактором

Большинство из этих условий приводят к перегреву элемента, что в конечном итоге и убивает его.

Злоупотребление

Злоупотребление означает не только преднамеренное физическое насилие со стороны конечного пользователя. Это также распространяется на случайные злоупотребления, которые могут быть неизбежными. Это может включать падение, раздавливание, проникновение, удары, погружение в жидкости, замерзание или контакт с огнем, что может произойти, например, с автомобильным аккумулятором. Аккумуляторы также случайно попали в механизм откидывания кресел самолета, что привело к их раздавливанию и возгоранию. Общепризнано, что батарея может не выдержать всех этих испытаний, однако сама по себе батарея не должна создавать повышенную опасность или проблему безопасности в этих обстоятельствах.

Внешние факторы

Неисправности батареи не обязательно могут быть вызваны естественным износом или неправильным использованием пользователем. Они вполне могут быть вызваны неисправностями в системах, в которых они установлены. Аккумуляторы, используемые в автомобилях, могут быть подвержены множеству проблем, любая из которых может привести к выходу аккумулятора из строя, например:

Неисправности датчика
Отказ прерывателя цепи
Неисправности вентилятора или насоса
Потеря охлаждающей жидкости
Неверные или отсутствующие сообщения BMS
Сбой BMS
Потеря связи или помехи
Отказ зарядного устройства (перезарядка)

Чтобы определить причину отказа, бортовая диагностика автомобиля (OBD) должна быть сопоставлена с записью данных в BMS.

Как клетки выходят из строя

Действия или процессы, описанные выше, приводят к сбою ячеек следующим образом:

Активные химикаты исчерпаны

В первичных элементах это не классифицируется как неисправность, поскольку этого следует ожидать, но в случае вторичных элементов мы ожидаем, что активные химические вещества будут восстановлены путем перезарядки. Однако, как отмечалось выше, старение вызывает постепенное истощение активной массы. Узнайте больше об разрядке и о том, как она влияет на срок службы батареи.

Изменение молекулярной или физической структуры электродов

Несмотря на то, что химический состав активных химических веществ может оставаться неизменным, изменения в их морфологии, происходящие по мере старения клетки, могут препятствовать осуществлению химических действий, что в конечном итоге делает клетку непригодной для использования.

Пробой электролита

Перегрев или перенапряжение могут вызвать химическое разрушение электролита.

Покрытие электродов

В литиевых элементах работа при низкой температуре или перегрузка по току во время зарядки могут вызвать отложение металлического лития на аноде, что приведет к необратимой потере емкости и, в конечном итоге, к короткому замыканию.

Повышенное внутреннее сопротивление

Внутренний импеданс клетки имеет тенденцию увеличиваться с возрастом по мере образования более крупных кристаллов, уменьшая эффективную площадь поверхности электродов.

Уменьшенная вместимость

Это еще одно следствие старения клеток и роста кристаллов. Иногда его можно восстановить путем восстановления элемента, подвергая элемент одному или нескольким глубоким разрядам.

Повышенный саморазряд

Изменяющаяся кристаллическая структура активных химических веществ, как указано выше, может вызвать набухание электродов, увеличивая давление на сепаратор и, как следствие, увеличивая саморазряд ячейки. Как и во всех химических реакциях, это увеличивается с температурой.

К сожалению, эти изменения обычно необратимы.

Газирование

Газообразование обычно происходит из-за перезарядки. Это приводит к потере активных химических веществ, но во многих случаях это также может быть опасно. В некоторых камерах выделяющиеся газы могут быть взрывоопасными. Например, свинцово-кислотные аккумуляторы выделяют кислород и водород при перезарядке.

Повышение давления

Газообразование и расширение химических веществ из-за высоких температур приводят к повышению давления в ячейке, что может быть опасным, как указано выше. В герметичных ячейках это может привести к разрыву или взрыву ячейки из-за повышения давления, если в ячейке нет выпускного отверстия для выхода газов. Повышение давления может вызвать короткое замыкание из-за проникновения в сепаратор (см. далее), и это больше проблема цилиндрических ячеек, которые имеют тенденцию сопротивляться деформации под давлением, по сравнению с призматическими ячейками, корпуса которых имеют большую «податливость», тем самым смягчая эффект давления. в некотором роде.

Проходка сепаратора

Короткие замыкания могут быть вызваны прободением сепаратора из-за роста дендритов, загрязнением, заусенцами на электродах или размягчением сепаратора из-за перегрева.

Отек

Перед тем, как давление в камере достигнет опасных пределов, некоторые клетки склонны к вздутию из-за перегрева. Это особенно верно для литий-полимерных ячеек. Это может привести к потере емкости из-за ухудшения контакта между проводящими частицами внутри элемента, а также к внешним проблемам при установке элемента в корпус батареи.

Перегрев

Перегрев всегда является проблемой и является фактором, способствующим почти всем отказам элементов. У этого есть много причин, и это может привести к необратимым изменениям химических веществ, используемых в клетках, выделению газа, расширению материалов, набуханию и деформации оболочки клетки.

Электролиты особенно уязвимы к теплу, разрушаясь при температурах до 70°C. Такие температуры могут достигаться в салоне припаркованного автомобиля, что может превышать рекомендуемую максимальную температуру ионно-литиевых аккумуляторов, используемых в таких устройствах, как ноутбуки, оставленные в средство передвижения.

Предотвращение перегрева элемента — лучший способ продлить срок его службы.

Тепловой разгон

Скорость, с которой протекает химическое действие, удваивается при повышении температуры на каждые 10 °C. Ток, протекающий через ячейку, вызывает повышение ее температуры. По мере повышения температуры электрохимическое действие ускоряется, и в то же время импеданс элемента уменьшается, что приводит к еще более высоким токам и более высоким температурам, что в конечном итоге может привести к разрушению элемента, если не будут приняты меры предосторожности.

Последствия отказов ячеек

Отмеченные выше механизмы отказа не всегда приводят к немедленному и полному отказу ячейки. Отказу часто будет предшествовать ухудшение производительности. Это может проявляться в снижении емкости, увеличении внутреннего импеданса и саморазряде или перегреве. Если поврежденный элемент продолжает использоваться, повышенное тепловыделение элемента может привести к преждевременному отключению напряжения цепями защиты до того, как элемент будет полностью заряжен или разряжен, еще больше снижая эффективную емкость.

Измерение состояния работоспособности ячеек может обеспечить заблаговременное предупреждение о надвигающемся отказе ячейки.

Существует несколько возможных режимов отказа, связанных с полным выходом из строя ячейки, но не всегда можно предсказать, какой из них произойдет. Это очень сильно зависит от обстоятельств.

Разомкнутая цепь — это отказоустойчивый режим для ячейки, но может быть не для приложения. Как только путь тока перерезан и батарея изолирована, возможность дальнейшего повреждения батареи ограничена. Однако это может не подойти пользователю. Если одна ячейка многоэлементной батареи выйдет из строя, то вся батарея выйдет из строя.
Короткое замыкание. Если одна ячейка аккумуляторной цепи выйдет из строя из-за короткого замыкания, остальные ячейки могут быть немного перегружены, но батарея продолжит обеспечивать питание своей нагрузки. Это может быть важно в экстренных ситуациях.

Короткие замыкания могут быть внешними по отношению к ячейке или внутренними внутри ячейки. Система управления батареями (BMS) должна быть в состоянии защитить элемент от внешних коротких замыканий, но BMS мало что может сделать для защиты элемента от внутреннего короткого замыкания.

Внутри ячейки есть разные степени отказа.

Жесткий Короткий
Прочное соединение между электродами вызывает чрезвычайно высокий ток и полный разряд, что приводит к необратимому повреждению элемента.
Мягкая короткая или микрокороткая
Небольшой локальный контакт между электродами. Возможно самоисправление из-за плавления небольших областей контакта, вызванного протеканием сильного тока, который, в свою очередь, прерывает путь тока, как в предохранителе.

На существование мягкого короткого замыкания может указывать увеличение саморазряда элемента или наличие элемента с более высоким саморазрядом, чем у остальной части населения. Этот индикатор, к сожалению, менее выражен в больших ячейках, где он наиболее необходим.

Взрыв. Этого следует избегать любой ценой, и батарея должна иметь защитные схемы или устройства для предотвращения этой ситуации.
Пожар — Это также возможно, и, как указано выше, аккумулятор должен быть защищен от этой возможности.

Подробнее о последствиях сбоя ячейки

См. также Безопасность батареи

Системы управления батареями

(BMS) предназначены для предотвращения всех этих сбоев или минимизации последствий, если сбои неизбежны. Однако система батарей также должна быть спроектирована таким образом, чтобы защитить как батарею, так и пользователя в случае выхода из строя самой BMS. Посмотрите, как это реализовано в многоуровневой системе безопасности.

Ложные тревоги

Иногда вы можете обнаружить, что кажущаяся неисправность батареи на самом деле является внешней неисправностью элементов. Это может быть в зарядном устройстве или в схеме защиты. Это может произойти, когда «совершенно хорошее» зарядное устройство не может зарядить аккумулятор. Возможно, это могло быть вызвано несоответствием настроек предела защиты между аккумулятором и зарядным устройством. Диапазон регулирования напряжения зарядного устройства может быть недостаточным для полностью разряженной батареи, или ограничения по току могут быть установлены слишком низкими, чтобы обеспечить первоначальный бросок тока в батарею при включении зарядного устройства.

Также возможно, что неисправность в цепи защиты может привести к разрядке аккумулятора. Следовательно, прежде чем обвинять ячейки, следует проверить возможность внешних сбоев.

Увеличение срока службы батареи

Дизайн приложений

Первый шаг — убедиться в том, что для приложения выбрана наиболее подходящая батарея.

Квалификация поставщика

Вторым шагом является выбор поставщика ячеек, на которого можно положиться в обеспечении безопасных и надежных продуктов.

Квалификация ячейки

Следующим шагом является проверка того, что выбранные элементы соответствуют требуемым спецификациям при всех предполагаемых условиях использования и что встроенные предохранительные устройства, такие как клапаны сброса давления, функционируют правильно.

Цепи защиты

После выбора ячейки можно указать вспомогательные электронные схемы. Наиболее важными из них являются цепи безопасности, которые гарантируют, что элементы поддерживаются в пределах заданных пределов рабочей температуры, тока и напряжения. Это также должно включать спецификацию зарядного устройства.

См. Методы защиты аккумулятора

Снятие напряжения с ячеек

Предоставление достаточного времени для химических превращений.

См. Периоды отдыха

Обзоры проектирования систем предотвращения отказов

Процесс разработки новой клеточной технологии может занять до 10 и более лет. Предотвращение отказов должно быть важным пунктом повестки дня во время регулярных обзоров проекта, которые должны проводиться в течение этого периода. См. Анализ режимов отказа и последствий.

Квалификация продукта

Когда готовые аккумуляторные блоки станут доступными, они должны быть подвергнуты квалификационным испытаниям как самостоятельные единицы и как часть квалификационных испытаний продукта, в котором они используются, а также с соответствующим зарядным устройством. Эти тесты должны определить, есть ли какие-либо нежелательные взаимодействия между этими единицами.

Хранение

Не израсходуйте срок службы батареи без необходимости, храня ее при слишком высоких температурах.