Аккумуляторные батареи

Аккумуляторные батареи предназначены для электроснабжения стартера при пуске двигателя внутреннего сгорания и других потребителей при неработающем генераторе или недостатке развиваемой им мощности.

Стартерная аккумуляторная батарея состоит из нескольких аккумуляторов, соединенных между собой последовательно.

Аккумулятор-это химический источник тока, состоящий из положительных и отрицательных электродов, электролита, действие которого основано на использовании обратимых электрохимических процессов

В свинцовом аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют двуокись свинца РbО₂ положительного электрода, губчатый свинец Pb отрицательного электрода и электролит (водный раствор серной кислоты H₂SO₄). Активные вещества электродов представляют собой относительно жесткую пористую электропроводящую массу.

В заряженном аккумуляторе активная масса положительных электродов имеет темно-коричневый цвет, а активная масса отрицательных электродов – серый цвет. При этом плотность электролита в зависимости от района эксплуатации батареи составляет от 1,22 до 1,3 г/см³.

Процессы, происходящие при разряде и заряде свинцового аккумулятора, можно представить следующим уравнением:

При разряде аккумулятора активная масса отрицательных полублоков преобразуется из губчатого свинца Рb в сернокислый свинец PbSO₄ (сульфат свинца) с изменением цвета из серого в светло-серый. Активная масса положительных полублоков преобразуется из двуокиси свинца РbО₂ также в сернокислый свинец PbSO₄ с изменением цвета из темно-коричневого в коричневый. Такое преобразование веществ электродов сопровождается выделением электрической энергии. Под действием возникающей разности потенциалов в цепи появляется ток. Так как в процессе разряда серная кислота затрачивается на образование сульфата свинца PbSO₄ при одновременном выделении воды, то уменьшение плотности электролита на 0,01 г/см³ соответствует снижению степени заряженности аккумулятора примерно на 6 %.

Для заряда аккумулятор включают в цепь параллельно источнику постоянного тока (генератору, выпрямителю), напряжение которого должно превышать ЭДС заряжаемого аккумулятора.

При заряде активная масса отрицательных электродов постепенно превращается из сернокислого свинца PbSO₄ в губчатый свинец Рb (серого цвета), а активная масса положительных электродов из PbSO₄ – в двуокись свинца РbО₂ (темно-коричневого цвета). Вследствие образования серной кислоты Н₂SO₄ при одновременном уменьшении воды плотность электролита постепенно повышается. Когда процессы преобразования веществ в активных массах положительного и отрицательного электродов окончены, плотность электролита перестает изменяться, что служит признаком окончания заряда аккумулятора. При дальнейшем продолжении заряда происходит так называемый вторичный процесс – электролитическое разложение воды на кислород и водород. Выделяясь из электролита в виде пузырьков газа, они создают эффект его интенсивного кипения, что служит признаком окончания процесса заряда.

Условное наименование батареи включает в себя тип батареи и дополнительные буквенные обозначения, где

- число (например: 3, 6, 12) – количество последовательно соединенных аккумуляторов, характеризующее номинальное напряжение батареи (6, 12, 24 В);

- СТ – назначение – стартерная;

- число (например: 190) – номинальная емкость при 20-часовом режиме разряда (в А▪ч).

Дополнительные буквенные обозначения:

А – батарея в моноблоке из пластмассы с общей крышкой;

П – сепаратор-конверт из полиэтилена;

Т – материал моноблока из термопласта;

Р – сепараторы батареи изготовлены из мипора;

М – сепараторы батареи изготовлены из мипласта;

Н – аккумуляторы с нагревательным элементом.

Стартерные аккумуляторные батареи (рисунок 14.1) состоят из отдельных аккумуляторов, соединенных между собой последовательно с помощью перемычек.

Каждый аккумулятор состоит из чередующихся отрицательных и положительных электродов, разделенных сепараторами и собранных в блок.

Блоки электродов каждого аккумулятора помещаются либо в отдельных ящиках моноблока, либо в отдельных баках из эбонита, устанавливаемых в деревянном ящике или в стеклопластиковом корпусе. Каждый аккумулятор закрывается отдельной крышкой, которая при сборке аккумуляторной батареи герметизируется с помощью специальной заливочной битумной мастики.

1– моноблок; 2– сепаратор; 3– мостик полублока положительных электродов; 4– отрицательный электрод; 5– мостик полублока отрицательных электродов; 6– борн; 7– свинцовая втулка; 8– крышка аккумулятора; 9– перемычки; 10– пробка заливного отверстия; 11– предохранительный щиток; 12– полюсный вывод; 13– уплотнительная мастика; 14– опорная призма; 15– шламовое пространство; 16– перегородка.

Рисунок 14.1 - Устройство аккумуляторной батареи 6СТ-60ЭМ

Электрод каждой полярности состоит из токоотвода и активной массы. Токоотводы электродов стартерных аккумуляторов отливают из свинцово-сурьмянистого сплава.

Полублоки положительных и отрицательных электродов собираются в блок электродов так, что положительные и отрицательные электроды чередуются, для исключения коробления положительных пластин. В собранном аккумуляторе крайние электроды, как правило, являются отрицательными. Поэтому полублок отрицательных электродов имеет на один электрод больше, чем полублок положительных электродов.

Блок электродов опирается выступами («ножками») электродов на опорные призмы, имеющиеся на дне каждой ячейки моноблока или отдельного эбонитового бака. Таким образом, между нижними кромками электродов и дном имеется свободное пространство, необходимое для накапливания шлама (осадка, образующегося с течением времени из активной массы). Тем самым предотвращаются короткие замыкания разноименных электродов выпадающим шламом.

При сборке блока положительные и отрицательные электроды отделяются друг от друга микропористыми прокладками, которые называются сепараторами. Сепараторы предохраняют разноименные электроды от короткого замыкания и обеспечивают необходимый запас электролита между электродами.

Сепараторы изготавливаются в виде тонких листов из мипора или из мипласта и имеют с одной стороны гладкую, а с другой ребристую поверхность. Ребристая поверхность сепаратора обращена к положительному электроду для лучшего доступа к нему электролита. Размеры сепараторов несколько больше, чем размеры электродов, что предотвращает замыкания между кромками разноименных электродов. Для предохранения верхних кромок сепаратора от механических повреждений (при измерении температуры, плотности и уровня электролита) сверху над сепараторами устанавливается перфорированный предохранительный щиток. В настоящее время для изготовления сепараторов применяются новые материалы типа пластипор, поровинил и др..

Каждый аккумулятор закрывается крышкой, изготовленной из эбонита или пластмассы. В двух крайних отверстиях для выводных борнов блоков электродов запрессованы свинцовые втулки, которые затем свариваются с борнами и перемычками, что создает надежное уплотнение. Выводные борны отдельных аккумуляторов последовательно соединяют между собой посредством перемычек способом сварки. На выводных бортах крайних аккумуляторов навариваются полюсные выводы.

Среднее отверстие для заливки электролита закрывается резьбовой пробкой, имеющей вентиляционное отверстие для выхода газа.

При сборке батарей на заводе под пробки заливных отверстий подкладываются уплотнительные резиновые диски, а герметичность обеспечивается за счет применения полиэтиленовых пробок с глухими выступами. При приведении аккумуляторных батарей в рабочее состояние глухие выступы над вентиляционными отверстиями срезаются, уплотнительные резиновые диски и пленки удаляются.

Конструктивными особенностями малообслуживаемых и необслуживаемых батарей являются:

- общая крышка и пластмассовый моноблок (в т.ч. пропиленовый), позволяющий снизить его массу и увеличить механическую прочность. Благодаря прозрачному моноблоку можно контролировать уровень электролита по наружным меткам без применения специальных устройств;

- благодаря эластичности пластмассы, использован новый способ соединения аккумуляторов сквозь отверстия в перегородках путем контактной сварки или путем пайки (рисунок 14.2), включение в токоведущие элементы медных проводников (рисунок 14.3). Данные межэлементные соединения понизили внутреннее сопротивление до 35% и на 0,3 В повысили напряжение при стартерном режиме разряда батареи;

а– наружные над крышкой; б– внутренние над перегородкой под крышкой; в– внутренние через отверстия в перегородке: 1 – мостик баретки; 2 – перегородка моноблока; 3 – борн баретки.

Рисунок 14.2 – Межэлементные перемычки аккумуляторных батарей

1– медный штырь (пластина); 2– борн; 3– перемычка.

Рисунок 14.3 – Борн, перемычка

- применение сепаратора из полиэтилена, выполненного в виде «конверта» (рисунок 14.4) обеспечивает исключение коротких замыканий, и одновременное снижение внутреннего сопротивления. Это, в свою очередь, позволило опустить блок электродов на дно моноблока, а количество электролита увеличить за счет ликвидации шламового пространства при сохранении внешних габаритов батареи. Соответственно,допустимое снижение уровня электролита увеличивается в 2 - 3 раза (рисунок 14.5).

а – размещение электрода в сепараторе-конверте; в – сечение сепаратора-конверта с электродом: 1– положительный электрод; 2– сепаратор; 3– ребра сепаратора.

Рисунок 14.4 - Сепаратор-конверт

а – обычных; б – необслуживаемых: 1 – блок электродов; 2 – вывод; 3 – пробка; 4 – уровень электролита; 5 – призмы моноблока; h – высота слоя электролита над электродами

Рисунок 14.5 – Расположение электродов в аккумуляторных батареях

- уменьшение содержания сурьмы в сплаве токоотводов с 6% до 1,25% и добавка серебра до 1% или 1,5% кадмия, а также лития, кальция, олова в отрицательный токоотвод обеспечивает уменьшение газовыделения на 80- 90%. При этом снижается скорость саморазряда свинцовой батареи примерно в 5-6 раз;

- толщина электродов в новых батареях не превышает 1,9 мм, что позволяет увеличить их количество и тем самым увеличить емкость за счет большего числа электродов и тонких сепараторов без изменения габаритов батареи.

Необслуживаемые батареи обладают следующими достоинствами:

- лучше пусковые свойства (более высокое напряжение при неизменном токе);

- отсутствие потребности относительно частого контроля уровня электролита и доливки воды для его поддержания;

- меньший саморазряд, что уменьшает необходимость периодического подзаряда батарей;

- применение в современных батареях пробок заливных горловин, вентиляционные отверстия которых закрыты пористой пленкой, способствующей каталическому воссоединению кислорода и водорода. Образующаяся при этом вода возвращается в аккумулятор. Этот процесс возможен только при малом газовыделении, свойственным безсурмянистым батареям;

- отсутствие пробок заливных горловин (в зарубежных образцах), что делает невозможным определить фактическую заряженность батареи по плотности электролита. В таких батареях может устанавливаться индикатор заряженности. При заряженности выше 60% в контрольном окне видно зеленое пятно. При более низкой заряженности пятно становится черным, что указывает на необходимость подзаряда.

Стартерная аккумуляторная батарея 6СТ-190АП с общей крышкой состоит из шести аккумуляторов, соединенных между собой последовательно, расположенных в отдельных ячейках моноблока (рисунок 14.6). Моноблок и общая крышка выполнены из пластмассы.

а – продольный разрез; б – поперечный разрез; 1 – крышка; 2 – мостик; 3 – межэлементное соединение; 4 – перегородка моноблока; 5 – пробка; 6 – ручка для переноски; 7 – полюсный вывод; 8 – моноблок; 9 – блок электродов

Рисунок 14.6 - Аккумуляторная батарея 6СТ-190:

На автомобилях КамАЗ, Урал устанавливаются две аккумуляторные батареи 6СТ-190АП (190ТР, 190А, 190ТРН), соединенные последовательно. Плюсовой вывод батареи соединяется с главным силовым зажимом тягового реле стартера, а минусовой – с выключателем батарей, а через него – с корпусом автомобиля. Аккумуляторные батареи располагаются в контейнере, который крепится к раме автомобиля сзади кабины с левой стороны.

1 – провод, соединяющий корпус машины с выключателем батарей; 2 – провод, соединяющий положительный вывод батарей с выводом стартера; 3 – стяжка крепления батарей; 4, 5 – отрицательные и положительные выводы батарей; 6 – аккумуляторные батареи 6CT-I90АП; 7 – ручка для переноса батарей; 8 – провод, соединяющий минусовой вывод с выключателем батарей; 9 – выключатель батарей; 10, 11 – провода реле выключателя батарей

Рисунок 14.7 - Установка батарей на автомобиле