Характеристика заряда и разряда

При разряде напряжение на выводах аккумулятора меньше ЭДС, а при заряде больше.

Разрядное напряжение

U_р = E_о – I_р r_вн.

Зарядное напряжение (1.8)

U_з = E_о + I_з r_вн

Из формул видно, что напряжение аккумулятора, которое преодолевает сопротивление внешней цепи отличается от его ЭДС на величину внутреннего падения напряжения, преодолевающего внутреннее сопротивление аккумулятора, которое, в свою очередь, состоит из омических потерь напряжения внутри аккумулятора Ir₀ и потенциала поляризации y.

Как видно из формул 1.8. при заряде аккумулятора напряжение на его выводах должно быть больше ЭДС на сумму внутренних потерь.В начале разряда происходит скачок напряжения на величину омических потерь внутри аккумулятора, а затем резкое повышение напряжения за счет потенциала поляризации, вызванное быстрым увеличением плотности электролита в порах активной массы (участок А, рис.1.1.).

Далее происходит медленный рост напряжения, обусловленный ростом ЭДС вследствие увеличения плотности электролита в объеме аккумулятора в результате растворения сульфата свинца и превращения его на плюсовом

электроде в двуокись свинца и на отрицательном в губчатый свинец (участок Б).

После того как основное количество PbSO₄ преобразуется в PbO₂ и Pb, затраты энергии все в большей мере вызывают электролиз воды. Избыточное количество ионов Н₂ и О₂ , появляющееся в электролите, еще больше увеличивает разность потенциалов разноименных электродов. Это приводит к быстрому росту зарядного напряжения (участок В), вызывающему ускорение процесса разложения воды. Образующиеся при этом ионы водорода и кислорода не вступают во взаимодействие с активными материалами. Они рекомбинируют в нейтральные молекулы и выделяются из электролита в виде пузырьков газа (на положительном электроде выделяется кислород, а на отрицательном – водород), вызывая «кипение» электролита.

Рис. 1.1 Изменение напряжения аккумулятора при заряде и разряде

При полном заряде вся энергия расходуется только на электролиз воды (участок В¹). Этим объясняется и постоянство зарядного напряжения, которое служит одним из признаков окончания заряда.

После прекращения заряда напряжение на выводах аккумулятора черзко снижается до значения его неравновесной ЭДС, то есть на величину омических внутренних потерь. Затем происходит постепенное снижение ЭДС вследствие уменьшения плотности электролита в порах активной массы, которое продолжается до полного выравнивания концентрации электролита в объеме аккумулятора и порах активной массы, что соответствует установлению равновесной ЭДС (участок Г).

При разряде напряжение на выводах аккумулятора меньше ЭДС на величину внутреннего падения напряжения.

В начале разряда напряжение резко падает на величину омических потерь и поляризации, обусловленной снижением концентрации электролита в порах активной массы (участок А). Далее при установившемся процессе разряда происходит снижение плотности электролита, обуславливающее постепенное снижение разрядного напряжения (участок Б). Одновременно происходит изменение соотношение содержания сульфата свинца в активной массе, что также вызывает повышение омических потерь. При этом частицы сульфата свинца, имеющего примерно втрое больший объем в сравнении с частицами свинца и его двуокиси, из которых они образовались, закрывают поры активной массы и препятствуют прохождению электролита в глубину электродов.

Это вызывает усиление поляризации, приводящее к более быстрому снижению разрядного напряжения (участок В).

При прекращении разряда напряжение на выводах аккумулятора быстро повышается на величину омических потерь, достигая значения неравновесной ЭДС. Дальнейшее изменение ЭДС из-за выравнивания концентрации электролита в порах активной массы и в объеме аккумулятора приводит к постепенному установлению значения равновесной ЭДС (участок Г).

1.4.4. Емкость аккумулятора

Емкость аккумулятора – это количество электричества, полученное от аккумулятора при его разряде до установленного конечного напряжения. В практических расчетах емкость принято выражать в ампер-часах (А·ч).

Согласно определению разрядную емкость С_р можно вычислить умножив силу разрядного тока I_р на продолжительность разряда (при условии I_р = const), то есть

С_р = I·t_р (1.9)

Разрядная емкость, на которую рассчитан аккумулятор и которая указывается заводом-изготовителем, называется номинальной емкостью.

Емкость зависит от целого ряда конструктивных и технологических факторов, а также условий эксплуатации.

Наиболее существенными конструктивными факторами являются количество активной массы и электролита, толщина и размеры электродов. Основными технологическими факторами являются рецептура активной массы и ее пористость. Эксплуатационные параметры – температура аккумулятора и сила разрядного тока.

1.4.5 Саморазряд

Это явление вызвано окислительно-восстановительными процессами самопроизвольно протекающими как на отрицательном, так и на положительном электродах.

Особенно подвержен саморазряду отрицательный электрод из-за протекания процесса растворения свинца в растворе серной кислоты

P 16/7d+4fnxjx/Gy8vQHBNPJfGH7wIzqUkWnnDlYH0SFk0zSiM8JsASL6v3qHMM3mIMtC/j9QfgMA AP//AwBQSwECLQAUAAYACAAAACEAtoM4kv4AAADhAQAAEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAW0NvbnRl bnRfVHlwZXNdLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQA4/SH/1gAAAJQBAAALAAAAAAAAAAAAAAAAAC8B AABfcmVscy8ucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQB9XvyFMQIAAFcEAAAOAAAAAAAAAAAAAAAAAC4C AABkcnMvZTJvRG9jLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQDTD3y03gAAAAgBAAAPAAAAAAAAAAAAAAAA AIsEAABkcnMvZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABADzAAAAlgUAAAAA " o:allowincell="f"> Pb + H₂ SO₄ PbSO₄ + H₂

Кроме того практически все металлы, встречающиеся в виде примесей в аккумуляторном сырье, электролите и сепараторах или вводимые в виде специальных добавок способствуют повышению саморазряда, так как попадая на поверхность отрицательного электрода, облегчают условия выделения водорода.

Соли металлов с переменной валентностью действуют как переносчики зарядов с одного электрода на другой. В этом случае, ионы металлов восстанавливаются на положительном электроде.

Саморазряд положительного активного материала обусловлен протеканием реакции

2PbO₂ + 2H₂SO₄ 2PbSO₄ + 2H₂O + O₂ ,

скорость которой также возрастает с ростом концентрации электролита.

Другой причиной саморазряда положительного электрода является разность потенциала токоотвода и активной массы этого электрода. Возникающий вследствие этой разности потенциалов гальванический микроэлемент превращает при протекании тока свинец токоотвода в двуокись свинца, положительной активной массы в сульфат свинца.

Саморазряд возникает также при загрязнении снаружи поверхности аккумулятора электролитом, водой и другими жидкостями. При понижении температуры скорость саморазряда уменьшается.

1.5 Методы заряда аккумуляторных батарей

1.5.1 Заряд при постоянстве тока

При этом режиме сила тока остается постоянной (график процесса приведен на рис.1.1.). Для этого в ходе заряда следует изменять напряжение источника или сопротивление цепи.

Общее время заряда может быть определено по исходной степени разряженности. По емкости, которую необходимо сообщить при заряде, можно определить время заряда (в часах)

(1.10)

где С – количество электричества, необходимое батарее для ее полного заряда до номинальной емкости от степени заряженности перед зарядом (оценивается по плотности электролита и вычисляется из условия соответствия 0,001г/см³ плотности электролита 6,25 % разряженности батареи);

I₃ – сила тока заряда, А;

h - общий КПД процесса заряда, который при комнатной температуре для исправных батарей может быть принят равным 0,85-0,9, если зарядный ток численно составляет не более 0,1С₂₀, А.

1.5.2 Модифицированный заряд

Этот способ представляет собой приближение к заряду при постоянстве напряжения. Цель его – несколько уменьшить силу тока в начальный период заряда и снизить влияние колебаний напряжения в сети на зарядный ток, для чего последовательно с аккумуляторной батареей включают в цепь заряда резистор небольшого сопротивления.

При данном методе напряжение на шинах источника тока поддерживается постоянным, на некотором значении в пределах от 2,5 до 3 В на один аккумулятор.

Для отключения зарядного агрегата в конце заряда обычно применяют автоматические устройства.

1.5.3 Уравнительный заряд

Такой заряд проводится при постоянной силе тока, равной 10 % номинальной емкости и менее, как и заряд при постоянстве тока, но в течение большего времени, чем обычно. Цель – обеспечить в батарее полной восстановление активных масс во всех электродах всех аккумуляторов. Уравнительный заряд нейтрализует воздействие глубоких разрядов на отрицательные электроды и рекомендуется как мера, устраняющая возможную сульфатацию электродов. Заряд продолжается до тез пор, пока во всех аккумуляторах не будет наблюдаться постоянство плотности электролита и напряжения в течение трех часов.

1.5.4 Форсированный заряд

Заряд может производиться токами, равными до 79 % от номинальной емкости, но в течение короткого времени, тем меньшего, чем больше ток. В процессе заряда необходимо контролировать температуру электролита и при достижении 45⁰С прекращать заряд. Однако применение форсированного заряда должно быть исключением, так как его систематическое многократное повторение для одной и той же батареи заметно сокращает срок ее службы.

1.5.5 Постоянный подзаряд

Подзаряд ведется током, приблизительно компенсирующим саморазряд батареи. Существуют различные способы постоянного подзаряда: при постоянном напряжении, незначительно превышающим напряжение батареи; при параллельном включении батарей включении батарей и ограничении силы тока в цепи каждой батареи.

Основной недостаток постоянного подзаряда ускорение процесса коррозии решеток положительных электродов. Достоинство –поддержание батареи в состоянии полного заряда независимо от срока хранения.

1.5.6. Заряд при постоянстве напряжения

При этом способе в течение всего времени напряжение внешнего источника поддерживается постоянным (рис.1.2.). Зарядный ток убывает с течением времени по причине возрастания напряжения на батарее

(1.11)

где U_з - напряжение зарядного устройства; Е – ЭДС батареи; R – сопротивление зарядной цепи.

Рис.1.2 Изменение силы зарядного тока от времени

На автомобиле заряд происходит при постоянном напряжении, поэтому при разряженной батарее в начале заряда может возникнуть большой ток генератора. В этом случае для предохранения генератора от перегрузки устанавливаются специальные ограничители тока, либо это ограничение осуществляется за счет внутренних свойств самого генератора (самоограничение).