Полная версия

Главная arrow Техника arrow Автомобили

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

Назначение, работа кислотно-свинцовых аккумуляторов. Условия пуска двигателя определяют тип и конструкцию аккумуляторных батарей. Режим пуска наиболее тяжелый. Автомобильные аккумуляторные батареи называют стартерными.

Требования к стартерным батареям: максимальное рабочее напряжение (12 В); минимальное внутреннее сопротивление, т.е. они должны отдавать большой ток; малое изменение напряжения в процессе разряда; максимальное количество энергии, снимаемое с единицы массы (удельная масса); обеспечение быстрого восстановления емкости в процессе заряда; большая механическая прочность, надежность и простота обслуживания, малая стоимость.

Для работы стартера в момент пуска требуется ток силой 300— 500 А. Такие режимы по току могут дать кислотно-свинцовые батареи. Существуют и другие типы батарей, но они намного дороже или имеют худшие характеристики, например щелочные.

Кислотно-свинцовый аккумулятор состоит из двух электродов, погруженных в (28—40%)-ный раствор серной кислоты. Отрицательный электрод выполнен из губчатого свинца (РЬ), а положительный — из двуоксида свинца (РЬ02). Общая токообразующая реакция в аккумуляторе имеет вид

Таким образом, при разряде аккумулятора расходуется серная кислота и образуется вода, а на обоих электродах — сульфат свинца. При заряде происходит обратный процесс. И в том и в другом случаях меняется плотность электролита, которая может служить точным показателем степени заряженности аккумулятора. Каждый такой гальванический элемент может иметь напряжение до 2,2 В.

Одновременно с основной реакцией могут протекать и побочные, например электролиз воды, во время которого происходит выделение газов — кислорода и водорода. Эта реакция приводит к «выкипанию» электролита.

Устройство аккумуляторных батарей. Аккумуляторы соединяют в батареи последовательно, что обеспечивает общее напряжение 6 В (3 аккумулятора), 12 В (6 аккумуляторов). Каждый из них помещен в отделениях одного моноблока 11 (рис. 27.5), изготовленного из эбонита, термопласта (наполненного полиэтилена), полипропилена и полистирола. Эти материалы обеспечивают кислото-, мо- розо-, теплостойкость и высокую механическую прочность.

Положительные 3 и отрицательные 1 электроды в блоке 13 выполнены в виде профилированных решеток из свинцовых сплавов, в которые вмазана активная масса. Толщина электрода составляет

1,5—2,0 мм для батарей, устанавливаемых на легковых автомобилях, и 2,4—2,6 мм — для тракторных. Стартерные характеристики батарей лучше при малой толщине электродов. Электроды имеют форму, близкую к квадратному параллелепипеду шириной 143 мм и высотой 119 или 133,5 мм.

Электроды объединены в полублоки мостиками 6. Число электродов в полублоке, соединенных параллельно, определяет емкость

Стартерная аккумуляторная батарея

Рис. 27.5. Стартерная аккумуляторная батарея:

7 и 3 — положительные и отрицательные электроды; 2 — сепаратор; 4 — борн; 5 — предохранительный щиток; б — соединительный мостик; 7 — крышка; 8 — перемычка; 9 — пробка; 10— полюсный вывод (штырь); 7 7 — моноблок; 72 — призматические ребра; 73 — блок электродов

аккумулятора. Число отрицательных пластин обычно на одну больше, так как положительный электрод несколько в большей степени участвует в химических реакциях. Такое их расположение обеспечивает меньшую деформацию. Между электродами установлены сепараторы из кислотостойкого пористого материала — мипора, мипласта и поровинила. От качества сепараторов во многом зависят эксплуатационные свойства батарей. Так, мощность батарей с поро- виниловыми сепараторами на 10—15% больше.

Полублоки пластин опираются на ребра 12 дна моноблока, выполненные в виде призм. Пространство между донными призмами служит для накапливания осыпающихся частиц с электродов (шлама), что предотвращает между ними короткое замыкание. Над блоком устанавливают предохранительный щиток 5. Крышка 7 закрывает отсеки моноблока. Она к нему приварена либо приклеена. В крышках имеются отверстия для штырей и под пробки для вентиляции и заливки электролита. Их конструкция предотвращает выплескивание электролита при наклоне батареи до 45°. От верхней кромки электродов до крышки выдерживают расстояние до 20 мм. Оно необходимо для компенсации уровня электролита при эксплуатации и зарядке, когда происходит сильное газовыделение — «кипение» электролита.

Аккумуляторы в батарее соединяют перемычками последовательно, что повышает общее напряжение батареи. У современных батарей перемычки сделаны под крышками.

Обычные аккумуляторы требуют тщательного ухода — по нормам техническое обслуживание должно проводиться через 2500 км пробега, иначе возникают ускоренная коррозия решетки положительного электрода, снижение уровня электролита, саморазряд и др. Это вызвано повышенным электролизом воды, чему способствует введение в материал решеток 4,5—6,0% сурьмы.

Заводы выпускают «необслуживаемые» или «малообслуживаемые» батареи, в которых решетки положительных пластин изготовлены из свинца с содержанием сурьмы 1,5% и кадмия 1,5%, а решетки отрицательных — из свинцово-кальциевого сплава, удельное сопротивление которых меньше. Кроме того, положительные электроды помещены в сепаратор-конверт, блок электродов опирается на дно моноблока, что позволило увеличить площадь пластин и объем электролита; толщина электродов доведена до 1,9 мм, что позволяет увеличить их число; аккумуляторы соединены через перегородки моноблоков.

«Необслуживаемые» аккумуляторные батареи имеют лучшие пусковые качества, увеличенный срок службы, лучшие зарядные характеристики, меньший саморазряд, исключается необходимость доливки воды во время эксплуатации. Они не имеют заливных горловин и снабжены индикатором заряженности, который при разряде ниже заданного уровня меняет свой цвет.

Маркировка батарей. Первая цифра 3 или 6 характеризует число аккумуляторов и соответственно напряжение батареи — 6 или 12 В. Буквы СТ означают стартерная, ТСТ — тракторная стартерная; следующая цифра — номинальная емкость в ампер-часах (А ч) при 20-часовом режиме разряда. Последующие буквы — материал моноблока (Э — эбонит, Т — термопласт, П — полиэтилен), материал сепараторов (М — мипласт, Р — мипор, П — пластипор, С — стекловолокно) и исполнение (Н — несухозаряженная, А — с общей крышкой). Пример: батарея 6СТ-55ЭМ означает — стартерная, напряжение 12 В, емкость 55 А ч, моноблок из эбонита, сепараторы из мипласта, исполнение — сухозаряженная.

Основные показатели аккумуляторных батарей. Основной показатель батареи — электродвижущая сила (ЭДС)

где п —число последовательно соединенных аккумуляторов; Е — ЭДС аккумулятора.

ЭДС батареи зависит от активности электролита, определяемой концентрацией, т.е. плотностью р. Так как плотность меняется в процессе разряда и заряда, меняется и ЭДС. При плотности 1,3 г/см3 и температуре 25 °С Е= 2,154 В. Для практических целей ЭДС батареи можно определить по эмпирической формуле

где р25 — плотность электролита, измеренная денсиметром при 25 °С. При другой температуре Т вводится поправка приведения к плотности при 25 °С: р25 = рг+ 0,00075(Г- 25).

Практически можно считать, что ЭДС не зависит от размера и числа электродов и температуры, а потому не может быть критерием степени заряженности, так как разряд батареи на 50% изменяет ЭДС на 4%.

Более важным показателем является напряжение

где /— ток разрядки; R — внутреннее сопротивление батареи.

Аккумулятор, как и любой источник тока, имеет внутреннее сопротивление, которое противодействует прохождению через него зарядного и разрядного токов:

где Rq — омическое сопротивление электролита, электродов и других токопроводящих элементов; Rn сопротивление поляризации.

Омическое сопротивление заряженного аккумулятора составляет тысячные доли ома. По мере разряда сопротивление растет, так как меняется состав активной массы, уменьшается плотность электролита. Сильно влияет на сопротивление температура электролита. С уменьшением температуры оно растет.

Сопротивление поляризации обусловлено изменением плотности электролита у поверхности пластин и в их порах. При разряде плотность уменьшается, что вызывает падение ЭДС на величину, называемую ЭДС поляризации; и наоборот, при заряде плотность растет, создавая увеличение ЭДС поляризации. Это падение или рост ЭДС условно выражают через сопротивление поляризации: Е = RI.

Очень важным параметром батареи является ее разрядная емкость Ср, представляющая собой количество электричества Qp, которое аккумулятор может отдать в сеть при полном разряде от начального U0 до конечного U напряжения за время t. Поскольку

Обычно разрядную емкость определяют при постоянном токе, тогда Ср = It На практике емкость измеряют в ампер-часах (Ач). Номинальную разрядную емкость батареи С20 определяют при 20-ча- совом режиме разряда током, равным 0,05 величины этой емкости, т.е. / = 0,05С,П.

~_р 7 20

Теоретически для выработки 1 А ч требуется 4,46 г диоксида свинца, 3,87 г губчатого свинца и 3,66 г серной кислоты. Однако даже при номинальном токе разряда требуется активной массы этих веществ в 2—3 раза больше. Это вызвано отложениями сульфита свинца на электродах, что приводит к обеднению концентрации электролита в порах и быстрому падению напряжения. В результате внутренние слои активной массы электрода не используются. Поэтому емкость зависит от толщины и пористости пластин.

Емкость батареи снижается с ростом разрядного тока. Например, при разряде батареи 6СТ-75 номинальным током 3,75 А при температуре 25 °С ее емкость составляет 75 А ч, при токе 250 А емкость составляет всего 25 А ч (рис. 27.6, а).

Зависимость емкости аккумуляторной батареи от разрядного тока (а) и температуры электролита (6)

Рис. 27.6. Зависимость емкости аккумуляторной батареи от разрядного тока (а) и температуры электролита (6)

На емкость существенно влияет температура (рис. 27.6, б). При низких температурах увеличивается вязкость электролита, поступление его в поры замедляется. Увеличивается сопротивление электролита.

Критерием заряженности батареи может служить плотность электролита. При снижении заряженности от 100% до нуля плотность по линейному закону уменьшается на 0,16 г/см3. При известной начальной плотности р степень разряженности ДСр = = (р - р25) х 100%/0,16, где р25 — измеренная плотность электролита, приведенная к 25 °С.

Характеристики аккумуляторной батареи подразделяют на разрядные, зарядные и зарядно-разрядные. Разрядные характеристики снимают при двух режимах: осветительном (ток разряда до 0,05С20) и стартерном (ток разряда (1,5—7,0)С20).

Разрядной характеристикой называют зависимость изменения плотности электролита, ЭДС и напряжения аккумулятора при постоянной силе разрядного тока (рис. 27.7, а). В начале разряда напряжение резко падает (участок Г) за счет внутреннего омического сопротивления и появления затем ЭДС поляризации. Это происходит в течение нескольких десятков секунд. Затем происходит медленное снижение напряжения в результате уменьшения ЭДС (штриховая линия) из-за общего снижения плотности электролита (участок II). Этот период составляет 80—90% общего времени разряда. К концу разряда активные вещества на поверхности пластин переходят в сульфат свинца, сопротивление которого на три порядка больше, чем губчатого свинца. Это вызывает повышение омического сопротивления. Кроме того, затрудняется проникание электролита к внутренним слоям пластин, вследствие чего повышается сопротивление поляризации. Это вызывает повышение сопротивления поляризации, что снижает напряжение (участок III).

а б

Рис. 27.7. Характеристики разряда (а) и заряда (б) аккумуляторов

При дальнейшем разряде реакции сульфатации становятся необратимыми — глубокий разряд приводит к выходу из строя электродов. Поэтому разряд прекращают при напряжении UK = 0,75 UH,

т.е. при 1,75 В. При прекращении разряда напряжение скачкообразно повышается на величину, равную омическим потерям RqI, а затем плавно стабилизируется из-за выравнивания плотности электролита у поверхности пластин и в общем объеме. Площадь под линией разрядного тока соответствует в определенном масштабе разрядной емкости аккумулятора С = It.

Зарядной характеристикой аккумулятора называют зависимость изменения плотности электролита, ЭДС и напряжения при постоянной силе зарядного тока. Ток заряда обычно равен 0,1 его номинальной емкости. Напряжение зарядного устройства должно быть на несколько вольт больше ЭДС аккумулятора.

В начале заряда (рис. 27.7, б) происходит резкое увеличение напряжения по отношению к ЭДС на величину омического сопротивления (участок IV). Затем напряжение нарастает плавно, так как нарастает ЭДС поляризации из-за повышения плотности электролита у поверхности пластин и в порах (участок V). Дальнейшее увеличение напряжения обусловлено ростом ЭДС вследствие повышения общей плотности электролита. Активная масса восстанавливается от поверхности электродов внутрь. Когда почти вся активная масса окажется восстановленной (напряжение на аккумуляторе достигает 2,3 В), зарядный ток начинает разложение воды на водород и кислород (конец участка V и точка начала газовыде- ления). Напряжение резко повышается и достигает 2,7 В. Начинается перезаряд (участок VI), где происходит только разложение воды, обильное газовыделение — «аккумулятор кипит». В течение 2—3 ч напряжение и плотность не меняются. Это служит признаком конца заряда.

У «необслуживаемых» батарей этого участка нет. После восстановления исходных реагентов электрохимические процессы прекращаются. Батарея «перестает принимать» заряд.

После отключения зарядного устройства напряжение скачком падает на величину омического сопротивления. Общая плотность выравнивается, что приводит к стабилизации напряжения до величины ЭДС.

Саморазряд. Аккумулятор, отсоединенный от цепи, постепенно саморазряжается. Нормальный саморазряд у батарей (кроме «необслуживаемых») не должен превышать 10% за 14 сут при температуре 20 °С, у «необслуживаемых» — 10% за 90 сут. Это явление вызвано присутствием в решетке пластин других материалов помимо свинца. Они со свинцом образуют гальванический элемент, который постепенно разряжает аккумулятор. Этому явлению способствуют разная

плотность электролита в верхней и нижней частях объема банок батарей, различные примеси в металлах и электролите.

Повышенный саморазряд может быть вызван наличием на поверхности банок батарей пленки электролита, выплеснувшегося из банки при «кипении», применением нечистой дистиллированной воды или электролита. На саморазряд особенно влияют примеси меди и железа, а также температура. При ее понижении он уменьшается, а при отрицательных температурах может вообще прекратиться.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>