Общие сведения о стартерных аккумуляторных батареях (АКБ)
Аккумулятор - это обратимый химический источник энергии, способный накапливать электрическую энергию и отдавать ее потребителям. Электрохимические процессы, происходящие в свинцово-кислых аккумуляторах, заключаются в следующем.
Под действием постоянного электрического тока, протекающего через пластины и электролит, аккумулятор заряжается (рис. 29). При этом образовавшийся на пластинах сульфат свинца превращается на положительной пластине в двуокись свинца, а на отрицательной - в металлический губчатый свинец. Освободившиеся ионы сульфата свинца, вступая в реакцию с ионами водорода, образуют серную кислоту. Плотность электролита повышается.
В конце заряда, когда сульфат свинца на положительной пластине почти полностью перейдет в двуокись свинца, а на отрицательной пластине - в губчатый свинец, часть подводимой к батарее электрической энергии будет расходоваться на разложение входящей в состав электролита воды. Этот процесс сопровождается обильным газовыделением, напоминающим «кипение» электролита, и называется процессом электролиза.
Рис. 29. Путь тока при заряде аккумулятора, состоящего из двух пластин: 1 - положительная пластина; 2 - отрицательная пластина; 3 - вольтметр; 4 – генератор (зарядное устройство); 5 - амперметр.
Батарея считается заряженной, если плотность электролита больше не повышается, напряжение каждого аккумулятора становится постоянным и наблюдается обильное газовыделение.
Заряженный аккумулятор способен сохранять накопленную электрическую энергию длительное время. При разряде аккумулятора (рис. 30) значительная часть двуокиси свинца - на положительной и губчатого свинца - на отрицательной пластинах превращается в сульфат свинца. Процесс образования сульфата свинца при разряде аккумулятора сопровождается понижением плотности электролита.
Химические реакции, протекающие при разряде и заряде аккумуляторов, называются реакциями электролиза. Их можно представить таким образом:
До разряда После разряда
Рис. 30. Путь тока при разряде аккумулятора, состоящего из двух пластин: 1 - положительная пластина; 2 - отрицательная пластина; 3 - вольтметр; 4 - потребитель тока; 5 - амперметр
Количество электрической энергии, которое может накопить и отдать аккумулятор, зависит:
–от количества активной массы, участвующей в электрической реакции;
–температуры электролита;
–величины разрядного тока;
–времени протекания разряда.
Основными величинами, которые характеризуют свойства аккумуляторной батареи, являются: электродвижущая сила (ЭДС); напряжение аккумуляторной батареи (АКБ); емкость аккумуляторной батареи. ЭДС при этом представляет собой алгебраическую разность этих потенциалов, и в основном она зависит от плотности электролита, находящегося в данный момент в аккумуляторе. Величина электродвижущей силы в аккумуляторе может быть определена по эмпирической формуле
где Еа - ЭДС аккумулятора; ρ - плотность электролита (при 15 °С в аккумуляторе).
В отличие от напряжения электродвижущая сила измеряется вольтметром при разомкнутой внешней цепи, т. е. без тока нагрузки. Практически ЭДС измеряется для обнаружения короткого замыкания между пластинами. При неполном коротком замыкании ЭДС аккумулятора будет ниже, чем в исправном аккумуляторе, а при полном коротком замыкании ЭДС становится равной нулю.
Напряжение АКБ - это разность потенциалов положительных и отрицательных пластин при прохождении тока через аккумуляторную батарею. Напряжение аккумулятора определяется по формуле
в
где Ua - напряжение аккумулятора; Еа - ЭДС аккумулятора; Ιr. - величина внутреннего падения напряжения; r - внутреннее сопротивление аккумулятора в омах.
При включении батареи для заряда вначале наблюдается резкое увеличение напряжения (при поддержании постоянной величины зарядного тока) [16]. В дальнейшем в процессе заряда напряжение на аккумуляторе плавно повышается только до 2,4 В, а затем в конце заряда, когда часть электрической энергии начинает расходоваться на разложение воды, напряжение резко возрастает до 2,65÷2,78 В, после чего остается неизменным. Когда напряжение становится постоянным - это один из признаков окончания заряда (рис. 31).
Рис. 31. Зависимость напряжения аккумулятора от продолжительности заряда и разряда
При включении батареи на разряд в первый момент наблюдается незначительное уменьшение напряжения. В дальнейшем, в течение большей части разряда, напряжение падает медленно, а в конце разряда быстро снижается, так как наступает полный разряд аккумулятора. Разряжать батарею ниже допустимого предела (1,7 В) нельзя, потому что ранее разрядившийся аккумулятор начнет переполюсовываться, а это приведет к разрушению активной массы пластин. Поэтому для каждого режима разряда определена величина конечного разрядного напряжения.
Емкостью аккумуляторной батареи называется количество электричества, которое отдает полностью заряженная аккумуляторная батарея при непрерывном разряде ее током постоянной величины до допустимого наименьшего напряжения (1,7 В), соответствующего установленному разрядному току. Емкость АКБ измеряется в ампер-часах и определяется как произведение величины разрядного тока (в амперах) на время разряда (в часах). Поскольку емкость батареи зависит от разрядного тока (рис. 32), то в условном обозначении аккумуляторных батарей указывается емкость, соответствующая определенному разрядному режиму. Для автомобильных АКБ за номинальную емкость принимается емкость при 10-часовом режиме разряда. В процессе эксплуатации емкость АКБ зависит: от величины разрядного тока; температуры электролита; плотности электролита; срока службы батареи.
Рис. 32. Зависимость емкости аккумуляторной батареи 6-СТЭН-140М от величины разрядного тока [16].
С увеличением разрядного тока емкость свинцово-кислотных аккумуляторов уменьшается. Это объясняется тем, что при большем разрядном токе увеличивается расход находящейся в порах пластины серной кислоты (H2S04), а скорость проникновения (диффузии) ее недостаточна, чтобы покрыть этот расход. Кроме того, при разряде большими токами образуется сульфат свинца PbS04 (в основном, в порах у поверхности пластин). Этот сульфат уменьшает сечение пор и ухудшает диффузию серной кислоты. При снижении разрядного тока напряжение аккумулятора восстанавливается и аккумулятор может отдать еще дополнительную емкость. Например, АКБ-6-СТЭН-140М, разряженная до допустимого предела током 420 А, при длительном разряде током 12,6 А может отдать еще 60÷70 А·ч.
С понижением температуры емкость батареи уменьшается (рис. 33), так как понижение температуры электролита ведет к увеличению его вязкости и сопротивления. Например, вязкость электролита при 0 °С в два раза больше, чем при 25 °С, а сопротивление электролита при -25 °С в 2 раза больше, чем при 20 °С. Вследствие этого напряжение во время разряда при низкой температуре электролита будет пониженным и батарея разрядится раньше, чем при более высокой температуре, когда электролит имеет меньшие вязкость и сопротивление.
Таким образом, на каждый градус снижения температуры электролита, начиная с температуры 30 °С, емкость АКБ уменьшается на 1 %.
Рис. 33. Зависимость емкости аккумуляторных батарей от температуры электролита при различных величинах разрядного тока (для аккумуляторной батареи 6-СТЭН-140М) [16].
Так как номинальная емкость батарей гарантируется заводами-изготовителями при температуре электролита 30 °С, то емкость, которую батарея отдает, необходимо для сравнения с номинальной приводить к емкости при 30 °С. Приведенная емкость определяется по формуле [16]:
где Спр - емкость, А·ч, приведенная к 30 °С; Сфакт - фактическая полученная емкость, А·ч; Тср - средняя температура электролита при разряде.
В процессе эксплуатации АКБ емкость постоянной не остается. В начале эксплуатации она возрастает, так как разрабатывается активная масса пластин. Затем некоторое время она держится стабильной, а к концу срока службы батареи постепенно уменьшается (рис. 34). Когда емкость АКБ уменьшается до 50 %, ее электрическая характеристика ухудшается настолько, что батарея становится непригодной к дальнейшей эксплуатации.
Уменьшение емкости АКБ объясняется следующими процессами, которые происходят внутри батареи: разбуханием и оплыванием активной массы пластин, в результате чего происходит необратимая сульфация положительных пластин;
Рис. 34. Зависимость емкости аккумуляторных батарей 6-СТЭН-140М от срока службы (в годах) усадкой активной массы и необратимой сульфацией отрицательных пластин [16].
При малоинтенсивной эксплуатации, исправном электрооборудовании автомобиля, правильном и своевременном обслуживании батареи эксплуатационный (амортизационный) срок ее службы может превышать гарантийный.
Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 2999;