Размещено на http://www.allbest.ru/

АКАДЕМІЯ ВНУТРІШНІХ ВІЙСЬК МВС УКРАЇНИ

КАФЕДРА АВТОМОБІЛЬНОЇ ТЕХНІКИ

СУЧАСНІ ТА ПЕРСПЕКТИВНІ АВТОМОБІЛЬНІ АКУМУЛЯТОРНІ БАТАРЕЇ

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК

О.П. КОНДРАТЕНКО

Харків 2011

Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка.

Навчальний посібник: СУЧАСНІ ТА ПЕРСПЕКТИВНІ АВТОМОБІЛЬНІ АКУМУЛЯТОРНІ БАТАРЕЇ. ЧАСТИНА 1.

Автор: доктор технічних наук, професор О.П.Кондратенко.

Навчальний посібник розроблений згідно до навчальної програми дисципліни,,Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка” та призначений для використання при вивченні дисципліни курсантами і студентами очної та заочної форми навчання за спеціальністю “Автомобілі та автомобільне господарство”. При підготовці посібника були використані сучасні відомості та перспективи розвитку автомобільних свинцево-кислотних акумуляторних батарей, чисельних сайтів Інтернету, а також досвід та власні напрацювання автора.

Рукопис посібника розглянутий та ухвалений до друку на засіданні вченої ради Академії, протокол від ________________ 2011 р., № __

Зміст

акумуляторний батарея свинцевий зарядний

Перелік скорочень

Вступ

1. Призначення, устрій і конструктивні схеми батарей

1.1 Призначення стартерних акумуляторних батарей

1.2 Устрій і конструктивні схеми батарей

1.3 Узагальнення особливостей конструкції, переваг й недоліків свинцево-кислотних батарей

1.4 Чи потрібно обслуговувати акумуляторну батарею, що не обслуговується

1.5 Кольоровий індикатор

Питання для самоконтролю

2. Основні електрохімічні процеси в акумуляторі

2.1 Хіміко-технічні характеристики електроліту

2.2 Вимоги до стартерних акумуляторних батарей

2.3 Основні електротехнічні характеристики акумуляторної батареї

2.4 Маркування АКБ різних виробників

Питання для самоконтролю

3. Аналіз процесів в автомобільних в стартерних акумуляторних батареях при їх розряді-заряді

3.1 Розрядні характеристики акумулятора

3.2 Зарядні характеристики акумулятора

Питання для самоконтролю

4. Методи діагностування акумуляторів

4.1 Оцінка стану акумулятора по зарядних характеристиках

Питання для самоконтролю

5. Сутність сульфатації

5.1 Ознаки ненормальної сульфатації

5.2 Причини виникнення сульфатації пластин

5.2.1 Коливання температури

5.2.2 Підвищена густина електроліту

5.2.3 Знижений рівень електроліту в акумуляторах

5.2.4 Тривале перебування акумуляторів у вирядженому або недозарядженому стані

5.2.5 Часті глибокі розряди

5.2.6 Часті заряди струмом великої величини

Питання для самоконтролю

6. Способи усунення сульфатації

6.1 Спосіб перезаряду акумуляторів слабким струмом

6.2 Усунення ненормальної сульфатації за допомогою глибокого розряду акумуляторів малим струмом

6.3 Інші способи усунення глибокої сульфатації

6.4 Відстаючі акумулятори

6.5 Заряд акумуляторної батареї реверсивним струмом

Питання для самоконтролю

7. Експлуатація та контроль параметрів автомобільних акумуляторів

7.1 Експлуатаційні показники автомобільних акумуляторних батарей в різних відлікових стандартах

7.2 Заряджання акумуляторної батареї

7.3 Зберігання акумуляторної батареї

7.4 Граничні значення параметрів акумуляторної батареї

Питання для самоконтролю

8. Методи заряду акумуляторних батарей

8.1 Заряд при постійному зарядному струмі

8.2 Заряд при постійному значенні напруги заряду

8.3 Інші і перспективні види заряду

8.3.1 Модифікований заряд

8.3.2 Форсований заряд

8.3.3 Зрівняльний заряд

8.3.4 Постійний підзаряд малими струмами

8.3.5 Заряд асиметричним струмом

Питання для самоконтролю

9. Види заряду акумуляторних батарей

9.1 Первинний заряд

9.2 Експлуатаційний заряд

9.3 Контрольно-тренувальний цикл

Питання для самоконтролю

10. Основні чинники, що впливають на параметри та довговічність свинцево-кислотного акумулятора

10.1 Вплив приладів електроустаткування на стан акумуляторної батареї

10.2 Перевірка наявності витоків у системі електроустаткування

Питання для самоконтролю

11. Аналіз типових несправностей акумуляторних батарей

11.1 Несправності, викликані дефектами експлуатації

11.2 Короткі замикання в акумуляторах

11.3 Переполюсовка акумуляторів

11.4 Підвищений саморозряд

11.5 Можливі причини низького ступеня зарядженості

Питання для самоконтролю

12. Рекомендації по усуненню несправностей акумуляторних батарей

12.1 Загальні міркування за критеріями вибору АКБ

12.2 Порядок дій відповідального лиця при одержанні (закупівлі) АКБ

Питання для самоконтролю

Виводи й рекомендації

Список частково використаної та рекомендованої літератури

Додаток А

Перелік скорочень

AGM - Absorbed in Glass Mat - сепаратор в батареї являє собою пористу систему, у якій капілярні сили втримують електроліт

DIN - німецький стандарт

ETN - European Type Number - європейський стандарт

GEL - герметизована гелева батарея з желеподібним електролітом

LiIon - літій-іонна батарея

NaS - натрій-серчана батарея

NiCd - нікель-кадмієва батарея

NiMН - нікель-метал-гідридна батарея

SAE - Society of Automotive Engineers - американський стандарт

SLA - Sealed Lead Acid batteries - герметичні свинцево-кислотні батареї

SLI - Start, Light, Ignition - пуск, освітлення, запалювання

VRLA - Valve Regulated Lead Acid batteries - батарея з регульованими клапанами

АБ - акумуляторна батарея

ДСТУ - держстандарт України

ЕРС - електрорушійна сила

КЗ - коротке замикання

ККД - коефіцієнт корисної дії

КТЦ - контрольно-тренувальний цикл

НРК - напруга розімкненого кола

Вступ

Перший працездатний свинцево-кислотний акумулятор був винайдений в 1859 р. французьким ученим Гастоном Планте. Конструкція акумулятора являла собою електроди з листового свинцю, розділені сепараторами з полотна, які були згорнуті в спіраль і поміщені в посудину з 10 % розчином сірчаної кислоти. Недоліком перших свинцево-кислотних акумуляторів була їхня невисока ємність. Причина недоліку була явною - конструкція пластин. Тому подальше удосконалювання конструкції свинцево-кислотних акумуляторів було зосереджено на удосконалювання конструкції використовуваних в них пластин і сепараторів.

В 1880 р. методику виготовлення намазних електродів шляхом нанесення на пластини окислів свинцю запропонував К. Фор. Така конструкція електродів дозволила значно підвищити ємність акумуляторів. А в 1881 р. Е. Фолькмар запропонував застосовувати як електроди намазні ґрати. У тому ж році Селлону був виданий патент на технологію виготовлення ґрат зі сплаву свинцю й сурми.

Саме свинцево-кислотні батареї першими у світі з акумуляторних батарей знайшли комерційне застосування. В 1890 році в багатьох промислово розвинених країнах був освоєний їхній серійний випуск. В 1900 році німецька фірма Varta зробила перші стартерні акумулятори для автомобілів. Сьогодні свинцево-кислотні акумулятори використовуються в автомобілях й устаткуванні, що вимагає віддачі великої потужності.

Акумулятори - пристрої, що виробляють електричну енергію за рахунок прямого перетворення хімічної енергії окислювально-відновних реакцій.

Кислотні свинцеві акумулятори досить поширені серед вторинних хімічних джерел струму. Мають порівняно високу потужність у сполученні з надійністю й відносно низкою вартістю. Ці акумулятори знаходять різноманітне практичне застосування. Своєю популярністю й широким масштабом виробництва вони зобов'язані стартерним батареям, призначеним для різних засобів пересування й, насамперед, автомобілів. У цій області їхнє монопольне положення стійке й зберігається на поточний час.

Практично на всіх автомобілях і гусеничних машинах застосовуються стартерні свинцево-кислотні акумуляторні батареї. Батареї служать для живлення всіх споживачів електричної енергії: систем запалювання, пуску, освітлення, сигналізації і т.д. при непрацюючому двигуні, а також для живлення споживачів разом з генератором, коли споживана ними сила струму перевищує максимальну для генератора величину.

Акумуляторні батареї при малих габаритах, масі і вартості повинні мати велику ємність, малий внутрішній опір і саморозряд, великий термін служби і міцність, бути надійними в експлуатації. При пуску холодного двигуна стартером акумуляторні батареї повинні забезпечувати віддачу великої сили струму при малому спаданні напруги.

Працюючи паралельно з генераторною установкою, батарея усуває перевантаження генератора й можливі перенапруги в системі електроустаткування у випадку порушення регулювання або при виході з ладу регулятора напруги, згладжує пульсації напруги генератора, а також забезпечує живлення всіх споживачів у випадку відмови генератора й можливість подальшого руху автомобіля за рахунок резервної ємності.

Найбільш потужним споживачем енергії акумуляторної батареї є електростартер. Залежно від потужності стартера й умов пуску двигуна сила струму стартерного режиму розряду може досягати декількох сотень і навіть тисяч амперів. Сила струму стартерного режиму розряду різко зростає при експлуатації автомобілів у зимовий період (пуск холодного двигуна).

Батарея на автомобілі входить до складу не тільки системи електростартерного пуску, але й інших систем електричного й електронного встаткування. Структурні зв'язки електричних систем автомобіля показані на рис. В.1.

Після розряду на пуск двигуна й живлення інших споживачів батарея підзаряджається від генераторної установки. Часте чергування режимів розряду й заряду (циклування) - одна з характерних рис роботи батарей на автомобілях.

Рис. В.1 Загальна схема електроустаткування автомобіля

При великій розмаїтості моделей автомобілів, що випускаються, і кліматичних умов їхньої експлуатації, у масовому виробництві батарей поряд з визначенням оптимальних економічних параметрів належну увагу приділяють їхньої уніфікації, підвищенню надійності й термінів служби. Надійність і термін служби акумуляторних батарей перебувають у прямої залежності від технічного рівня їхніх конструкцій й умов роботи на автомобілі. Відомості щодо акумуляторних батарей, що випускаються, наведені в додатку 1.

Звичайно акумуляторні батареї на автомобілях після пуску двигуна працюють у режимі підзаряду й сконструйовані таким чином, щоб розвивати достатню потужність у короткочасному стартерному режимі розряду при низьких температурах. Однак на спеціальних видах автомобілів, де встановлене електро- і радіоустаткування підвищеного енергоспоживання, акумуляторні батареї можуть піддаватися тривалим розрядам струмами великої сили. Батареї на таких автомобілях повинні бути стійкі до глибоких розрядів.

Найбільший вплив на роботу акумуляторних батарей мають інтенсивність і регулярність експлуатації автомобіля (середньодобовий пробіг), температурні умови експлуатації (кліматичний район, пора року й доби), призначення автомобіля, місце розміщення й спосіб кріплення батарей на автомобілі, відповідність характеристик генераторної установки, акумуляторної батареї й споживачів електроенергії.

Усе більш широке поширення одержують малообслуговувані стартерні батареї та батареї, що не обслуговуються зовсім (за рекламою виробників). Разом з тим останнє ствердження потребує більш детального розглядання.

Основне достоїнство будь-яких акумуляторів, у тому числі автомобільних, складається не тільки в тім, що вони можуть зберігати електричну енергію й віддавати її споживачу, але й у тім, що їх можна знову й знову заряджати майже до повної потужності. У зв'язку із цим однією з найважливіших характеристик акумуляторів є термін служби (експлуатації). Його оцінюють по кількості циклів заряду-розряду, що акумулятор витримує в процесі експлуатації без значного погіршення своїх основних параметрів. Термін служби залежить від багатьох факторів - від методу заряду, глибини розряду, процедур обслуговування або їхньої відсутності, температури й хімічної природи самого акумулятора. Крім того, цей строк визначається часом, що пройшов від дня виготовлення. Акумулятор звичайно вважається непридатним після зменшення його ємності на 60…80% від номінального значення. Варто також мати на увазі запобіжні заходи по безпеці використання й утилізації акумуляторів.

У кінці 20 століття номінальна питома енергія кращих свинцевих акумуляторів досягла 8 Вт•год/кг й 300…500 циклів, кращі тягові акумулятори мають ресурс до 1800 циклів.

1. Призначення, устрій і конструктивні схеми батарей

1.1 Призначення стартерних акумуляторних батарей

Автомобільні акумулятори призначені для забезпечення роботи системи запалювання в стартерному режимі й для запуску двигуна внутрішнього згоряння, а також служать джерелом живлення апаратури, установленої на транспортному засобі. Батареї призначені для роботи при температурі від -35 ^oС до +60 ^oС.

Основна функція батареї - надійний пуск двигуна. Інша функція - енергетичний буфер при працюючому двигуні. Поряд із традиційними видами споживачів з'явилася безліч додаткових сервісних пристроїв, що поліпшують безпеку руху й комфорт водія. Батарея компенсує дефіцит енергії при русі по міському циклі із частими й тривалими зупинками, коли генератор не завжди може забезпечити віддачу потужності, необхідну для повного забезпечення всіх включених споживачів. Третя робоча функція - енергопостачання при виключеному двигуні.

Батарея призначена ще й для аварійного електроживлення. При відмові генератора, випрямляча, регулятора напруги або при обриві ременя генератора вона повинна забезпечити роботу всіх споживачів, необхідних для безпечного руху до найближчого ремонтного органу.

1.2 Устрій і конструктивні схеми батарей

Акумулятор - хімічне джерело струму, у якому енергія хімічної реакції багаторазово перетвориться в електричну й навпаки. При зарядці акумулятор накопичує електричну енергію, при розрядці віддає її споживачеві.

Свинцевий акумулятор, як оборотне хімічне джерело струму, складається із блоку різнойменних електродів, поміщених у посудину, заповнену електролітом. Стартерна батарея залежно від необхідної напруги містить декілька послідовно з'єднаних акумуляторів.

Різні типи стартерних акумуляторних батарей (АБ) мають свої конструктивні особливості, однак у їхньому устрої багато загального. По конструктивно-функціональній ознаці виділяють батареї:

- звичайної конструкції - у моноблоці з чашковими кришками й міжелементними перемичками над кришками;

- батареї в моноблоці із загальною кришкою й міжелементними перемичками під кришкою;

- батареї, що не обслуговуються - із загальною кришкою, вони не потребують доливання води в експлуатації.

Залежно від будови сучасні акумуляторні батареї можна розділити на три типи:

- обслуговувані;

- малообслуговувані;

- необслуговувані.

Свинцевий акумулятор являє собою посудину, що заповнена електролітом, у який опущені свинцеві електроди. Електролітом є розчин чистої сірчаної кислоти в дистильованій воді. Електроди виконані у вигляді пластин, одна з яких виготовлена з губчатого свинцю (Pb), а друга - із двоокису свинцю (PbО₂). У результаті взаємодії електроліту з електродами на них виникає різниця потенціалів.

По конструкції акумулятори бувають наступних видів.

1. Звичайні (стандартні), у яких передбачений доступ до заливних отворів всіх секцій батареї (рис. 1.1). Контроль рівня електроліту і його густини рекомендується проводити раз в 1...2 місяця. Їхній заряд можна проводити будь-яким відомим способом.

Рис. 1.1 Конструкція традиційної акумуляторної батареї

Акумуляторні батареї з окремими кришками збирають у моноблоці 2, розділеному перегородками 16 на окремі камери-осередки. У кожному з осередків поміщений блок, що складається із позитивних 5 і негативних 3 електродів, що чергуються, розділених сепараторами 4. Простір між дном моноблока й верхнім краєм опорних призм 1 служить для накопичення шламу. Борн 8 послідовно з'єднує сусідні акумулятори між собою в батарею. До вивідних борнів крайніх акумуляторів батареї приварюються полюсні виводи 9 і 14, що служать для з'єднання батареї із споживачами. У верхній частині електродного блоку встановлюють щиток 7, який охороняє верхні крайки сепараторів 4 від ушкодження при вимірах рівня й густини електроліту. Кожен акумулятор закривають зверху окремою пластмасовою або ебонітовою кришкою 15. Після заливання електроліту різьбовий отвір закривають пробкою з поліетилену 11, що має невеликий вентиляційний отвір 13, призначений для виходу газів при експлуатації.

2. Малообслуговувані, у яких пробки заливних отворів збережені й перебувають, як правило, під загальною кришкою (рис. 1.2). За рахунок використання в ґратах електродів кальцію замість сурми значно скорочений електроліз води, у зв'язку із чим не відбувається втрата електроліту. Контроль рівня й густини електроліту виробляється один раз у рік.

Рис. 1.2 Конструкція малообслуговуваної батареї

У моноблоці 1 установлені електродні блоки, що складаються з різнойменних електродів 2 і 3, розділених сепараторами 4. Ці блоки з'єднані між собою за допомогою вкорочених міжелементних з'єднань 6 через отвори в перегородках 5 моноблока. Кришка 7 зроблена єдиною на всі шість акумуляторів батареї.

3. Акумулятори, що не обслуговуються, мають герметичну кришку. Доступ усередину АБ виключений у принципі. Контроль електроліту в них не виробляється.

Обов'язковою умовою використання зарядних пристроїв для двох останніх груп АБ є обмеження величини напруги заряду до 14,5...14,8 В, завдяки чому не відбувається електроліз води з рясним газовиділенням, що різко знижує термін служби АБ.

При правильному догляді акумулятори можуть працювати кілька років і допускають до декількох сотень циклів заряд-розряд.

Необхідно пам'ятати, що з акумулятора виділяється водень і кисень, суміш яких являє собою так званий гримучий газ, що легко вибухає від іскри або полум'я. Тому до акумулятора не можна підносити запалені предмети.

Звичайні кислотні акумулятори найбільш дешеві, але вимагають додаткових витрат на їхнє обслуговування, спеціального опалювального й провітрюваного приміщення для зберігання, а також обслуговуючого персоналу. Крім того, їхні параметри багато в чому уступають акумуляторам, що не обслуговуються.

При використанні повністю необслуговуваних (герметизованих) кислотних акумуляторів під час інтенсивного розряду ємність АБ зменшується не так швидко, як в акумуляторах, виконаних за традиційною технологією. Крім того, пусковий струм таких акумуляторів на 20...30% більше в порівнянні зі звичайними.

І справа не тільки в тім, що відпадає необхідність періодично перевіряти електроліт і доливати дистильовану воду. Наприклад, акумулятори VARTA виробництва Німеччини або SOLITE CMF виробництва Кореї, акумулятори MEDALIST, LEADER, SUPTR TURBO й інші - повністю необслуговувані, герметизовані, з індикатором напруги й клапаном запобігання для випуску газу. Вони відновлюють свій заряд в 3 рази швидше в порівнянні зі звичайними акумуляторами. Їхній термін служби при експлуатації на автомобілі становить 6...8 років.

Варто мати на увазі, що часто малообслуговувані акумулятори вітчизняного виробництва називають такими, що не обслуговуються, тоді як необслуговувані (герметизовані) акумулятори в нас поки не випускаються. Більш детальніше конструкція акумуляторної батареї приведена в додатку 2.

Акумуляторна батарея, зібрана в моноблоці із загальною кришкою, характерна тим, що після зборки на заводі кришка утворює єдине ціле зі стінками моноблока. Зварені вкорочені міжелементні з'єднання скорочують витрату свинцю й зменшують внутрішній опір акумуляторної батареї. Така батарея нерозбірна й ремонту не підлягає. У принципі можна відремонтувати й такі батареї, але доцільність подібних ремонтних робіт сумнівна.

Конструкція необслуговуваної автомобільної акумуляторної батареї, зібраної в моноблоці із загальною кришкою, показаний на рис. 1.3.

Моноблок 1 акумуляторної батареї виготовляється з кислототривких і механічно міцних пластмас. Це звичайно поліетилен високого тиску або поліпропілен. Термостійкість їх порівняно невисока. Цей факт варто пам'ятати, оскільки залишивши на нетривалий час батарею поруч із розігрітим приладом, наприклад, включеною освітлювальною лампою або паяльником, можна зашкодити корпус батареї й вивести її з ладу.

Внутрішній об'єм моноблока розділений перегородками 6 на шість частин - на не зв'язані між собою осередки. У кожній з них установлюють акумулятор.

Електроди різних полярностей збираються в блок. Потім обидва блоки різнополярних електродів установлюються в окремий осередок так, щоб електроди однієї полярності розташувалися в зазорах між електродами іншої полярності. Електроди ізолюються друг від друга тонкими діелектричними прокладками - сепараторами 4. Звичайно в кожному акумуляторі встановлюють негативних електродів на один більше, ніж позитивних.

Всі шість акумуляторів з'єднуються в батарею шляхом зварювання містків за допомогою коротких перемичок, пропущених через перегородки.

Зверху моноблок закривається загальною для всіх акумуляторів кришкою 7, що приварюється до стінок моноблока або приклеюється компаундом. На кришці герметично встановлюються полюсні виводи, кожний з яких приварений до відповідного містка на крайніх акумуляторах. Основні розміри й форма виводів регламентовані стандартами.

Якщо конструкцією акумулятора передбачений контроль електроліту й долив води, то на кришці виконуються шість заливальних отворів, які закриваються пробками з вентиляційними отворами. У деяких конструкціях акумуляторних батарей, що не обслуговуються, у пробках установлені пристрої для рекомбінації газів і конденсації парів води. Іноді в кришці заливальні отвори відсутні, і є один газовідвідний канал із захисним клапаном для скидання газів із всіх акумуляторів батареї в позамежних режимах роботи.

На моноблоці передбачені спеціальні виступи, призначені для зручного й надійного закріплення акумуляторної батареї в посадковому місці на автомобілі, а також ручки для перенесення.

На цей час найбільше поширення одержали намазні електроди, що складаються з свинцевих ґрат, у які вмазують активну масу. При виготовленні після нанесення пасти електроди проходить ряд виробничих операцій, у тому числі формування й сушіння. Формування електродів полягає в тім, що їх поміщають у розчин сірчаної кислоти густиною 1,10…1,16 г/см³ для просочення й наступних заряд - розрядів.

Рис. 1.3 Будова акумуляторної батареї

У підсумку одержують позитивні й негативні електроди зі структурою активної маси, що відповідає зарядженому акумулятору. Після промивання й сушіння електроди надходять на зборку. Після заповнення ґрат й електрохімічної обробки паста перетворюється в активну речовину з великою розгалуженою поверхнею завдяки її високій пористості.

Така структура активної маси збільшує кількість матеріалу, що бере участь у реакції з електролітом, а тому зменшується внутрішній опір і підвищується ємність акумулятора. Позитивні електроди мають темно-коричневі кольори (двоокис свинцю), а негативні - ясно-сірий (губчатий свинець).

Електроди ізолюються один від одного за допомогою сепараторів, виконаних з кислотостійких діелектриків. Вони забезпечують вільне проникнення електроліту до електродів, порівняно низький міжелектродний електричний опір і відрізняються більшою розмаїтістю конструктивних виконань. Останнім часом одержали поширення сепаратори, виконані у вигляді конверта з пористого поліетилену.

Позитивний електрод, головне лихо якого - розпушення й опливання активної маси, упаковують так щільно, як облягає його з усіх боків конверт-сепаратор. Електропровідний шлам, що утвориться в процесі зношування електрода, не обсипається вниз і не закорочує у блоці різнойменні електроди, що помітно продовжує життя акумулятора.

Негативні електроди в таких конструкціях найчастіше набирають без сепараторів. Блоки електродів установлюють безпосередньо на дно корпуса.

У підсумку багаторічних дослідницьких робіт удалося підняти поріг напруги заряду, при якому акумулятор підтримується в стані з високим ступенем зарядженості, і у всіх передбачених технічними умовами режимах роботи виділяється дуже мала кількість газів, що привело до появи герметизованих акумуляторів, що не обслуговуються.

Однак у позамежних, особливо важких аварійних режимах роботи батареї, коли електроліт буквально скипає, ніякі самі хитрі пристрої не впораються з поверненням води. Тому в акумуляторах, що не обслуговуються, щоб не вибухали, передбачені газовідвідні канали й захисні клапани.

Окремі конструкції герметичних акумуляторів, що не обслуговуються, відрізняються тим, що замість рідкого застосовується гелеподібний або матричний електроліт. Як електроліт використовується нерухомий гель на основі сірчаної й кремнієвої кислот, або сірчана кислота з мілкодисперсним порошком двоокису кремнію й т.п. Матричний електроліт не містить гелеподібних добавок, і непроливаємість акумулятора забезпечується адсорбцією електроліту в порах мікропористих сепараторів й активних мас електродів.

Однак свинцево-кислотному акумулятору поки не вдалося повністю позбутися від уроджених пороків. Безумовно, необслуговувані акумулятори мають гарні експлуатаційні якості, але в тяжких умовах експлуатації акумулятор будь-якої конструкції губить не тільки воду, тому розставатися з позитивними характеристиками більш ранніх конструкцій поки не поспішають. Із цієї причини й заливальні отвори із пробками іноді існують і на батареях, що не обслуговуються.

1.3 Узагальнення особливостей конструкції, переваг й недоліків свинцево-кислотних батарей

При всій різноманітності свинцево-кислотних акумуляторних батарей розділимо їх на групи по режиму експлуатації й за технологією виготовлення. Такий розподіл необхідний для правильного вибору режимів заряду й розряду (див. наступний розділ), а також оцінки впливу зовнішніх факторів на роботу в процесі експлуатації. Відзначимо, що стартерні батареї закордонного виробництва часто скорочено називають SLI, що розшифровується як Start, Light, Ignition - пуск, освітлення, запалювання.

Виділення водню при газоутворенні відбувається на негативних електродах, а кисню - на позитивних. Активне газовиділення відбувається в основному при заряді, у меншому ступені - при розряді або тривалій бездіяльності акумуляторної батареї.

По режиму експлуатації акумуляторні батареї діляться на три групи:

1. Батареї для роботи в буферному режимі, коли батарея працює в буфері з основним джерелом напруги, наприклад, мережним блоком живлення. При цьому основне її призначення - резервне джерело живлення. Періоди розряду батареї в порівнянні з періодами заряду нетривалі. Більшу частину часу вона постійно підзаряджається.

2. Батареї для роботи в циклічному режимі, що характерний їхнім розрядом протягом якогось часу й наступним зарядом. Циклічний режим роботи акумуляторних батарей використовується набагато рідше, ніж буферний. Прикладом такого режиму можна назвати роботу пристроїв з автономним живленням (телекамера, телефон).

3. Батареї для роботи в змішаному режимі - наш випадок, автомобільні батареї.

По конструкції свинцево-кислотні акумуляторні батареї можна розділити на батареї з рідким електролітом - що обслуговуються та що не обслуговуються, і батареї (VRLA - Valve Regulated Lead Acid batteries - з регульованими клапанами) з гелевим електролітом або зі зволоженими сепараторами.

У різній технічній літературі можна зустріти також назву таких батарей - SLA (Sealed Lead Acid batteries) - герметичні свинцево-кислотні батареї, що ставляться до VRLA батарей. Однак абсолютно герметичних батарей не існує з тієї причини, що в усіх них використовуються клапани для зниження усередині корпусного тиску. Тому, підкреслюючи це, замість терміна "герметичні батареї" уживають термін "герметизовані батареї". На відміну від звичайного, SLA акумулятор розроблений для запобігання досягнення зарядного потенціалу, при якому відбувається виділення газу й починається недостача води. Відмінна риса - акумулятор дуже добре заряджається імпульсами заряду-розряду, що чергуються. Протягом цих імпульсів струм розряду може досягати значення більш ніж 1·C₂₀.

Терміном “необслуговувана” характеризують стартерні акумуляторні батареї, що не вимагають додавання електроліту в процесі експлуатації, які володіють високими електричними характеристиками й більшим терміном служби в порівнянні зі звичайними батареями.

Для SLA акумуляторів неприйнятний режим швидкого заряду. Така характеристика не дуже прийнятна для задач швидкого реагування (швидка допомога, підрозділи внутрішніх військ), де проміжок часу може мати вирішальне значення. Типовий час заряду - від 8 до 16 годин. SLA акумулятор повинен завжди зберігатися в зарядженому стані. Зберігання його у вирядженому стані викликає сульфатацію, що робить їхній заряд важким, якщо і неможливим.

SLA акумулятори не люблять глибокі розряди. Фактично, кожен цикл розряду/заряду віднімає в будь-якого акумулятора невелику кількість ємності. Ця втрата дуже невелика, якщо акумулятор перебуває в гарному стані, але стає більш відчутна, як тільки ємність знижується нижче 80 % від номінальної. Це справедливо й для акумуляторів інших електрохімічних систем, але в різному ступені.

Основна причина щодо невеликої (200...500) кількості циклів розряду/заряду - технологічне розширення позитивних пластин, що є результатом хімічної реакції усередині акумулятора. Це явище найбільш сильно проявляється при підвищених температурах. На жаль, застосування контрольно-тренувальних циклів не усуває цей процес.

Таким чином, свинцево-кислотні акумуляторні батареї залишаються самими надійними, довговічними й не потребуючих високих експлуатаційних витрат хімічними джерелами струму. Дотепер виробляються й активно експлуатуються в автомобілях і спецмашинах акумуляторні батареї трьох поколінь.

1. Батареї першого покоління - батареї з рідким електролітом, закритого типу, які мають термін служби до 10 і більше років. Батареї мають спеціальні пробки, що забезпечують затримку аерозолі сірчаної кислоти. Батареї такого типу можуть бути й необслуговуваними: від виробника вони поставляються залитими й зарядженими, і протягом терміну служби немає необхідності долівки води, тому що конструкція пробок таких батарей забезпечує втримання її пар у вигляді конденсату. Такі батареї є основним типом батарей, використовуваних в автотракторній (автобронетанковій) техніці в якості стартерних і тягових.

Наприкінці 70-х років були створені батареї, у яких замість сурми в матеріалі ґрат використовується кальцій. Застосування кальцію дозволило знизити газовиділення в 10 разів. Крім того, застосування конвертів-сепараторів дозволило створити над пластинами більший резервний запас електроліту. У результаті википання електроліту виявилося порівняним за часом із природним виходом батареї з ладу.

2. Батареї другого покоління, якими є герметизовані гелеві батареї (приблизно з 50-х років). У них замість рідкого використовується желеподібний електроліт, що представляє собою желе, отримане в результаті змішування розчину сірчаної кислоти із загустівачем (звичайно це двоокис кремнію SiО₂ - силікагель). Технологія виробництва гелевих батарей одержала назву GEL. Зустрічається також назва Gelcell - торговельна марка гелевих батарей. Гелеві батареї протягом усього строку експлуатації не мають - з точки зору виробника - потреби в обслуговуванні, їх не можна розкривати. Але: для їх підзаряду необхідно використовувати зарядні пристрої, що забезпечують стабільність напруги заряду не гірше ±1 % для запобігання рясного газовиділення. Такі акумуляторні батареї критичні також до температури навколишнього середовища.

Прикладом гелевої технології може служити стартерна батарея глибокого розряду Stinger SP1000. Її характеристики: ємність 44 А·год; внутрішній опір 3,1 мОм; стартерний розряд (за 5 с) 1200 А; пусковий струм 630 А; сила струму при короткому замиканні 2600 А; температура експлуатації від -40° до +60° C; кількість циклів розряду залежить від її глибини: 100 % розряд - 400 циклів; 50 % розряд - 800 циклів; 30 % розряд - 1450 циклів; 10 % розряд - 4000 циклів; маса 17,1 кг; габаритні розміри (Ш·В·Г) 200·171·153 мм.

3. Батареї третього покоління - це герметизовані батареї з абсорбованим сепараторами електролітом. У літературі їх називають батареями, зібраними по AGM (Absorbed in Glass Mat) - технології. Такий сепаратор являє собою пористу систему, у якій капілярні сили втримують електроліт. При цьому кількість електроліту дозується так, щоб дрібні пори були заповнені, а великі залишалися вільними для вільної циркуляції газів, що виділяються. По своїх властивостях AGM батареї подібні гелевим, за винятком того, що газоутворення в них істотно менше, і менший вплив на їхню роботу робить температура навколишнього середовища. Як і для гелевих акумуляторних батарей, для них потрібні зарядні пристрої, що забезпечують стабільність напруги заряду не гірше ±1 %.

По стандартах DIN «необслуговуваність» акумуляторної батареї має на увазі витрату води менше 6 г/А·год. На практиці до необслуговуваних батарей відносять такі, у конструкції яких застосований ряд рішень, спрямованих на досягнення вкрай низької витрати води. У результаті строк википання критичного для працездатності батареї об'єму електроліту перевищує термін служби батареї до її природного виходу з ладу внаслідок природного корозійного руйнування ґрат.

Оптимальна робоча температура для таких батарей становить 25 °С, і її збільшення на кожні 10°С скорочує термін служби батареї наполовину. Так, VRLA батарея при температурі 25 °С може працювати 10 років, при температурі 33 °С - тільки 5 років, а при температурі 42 °С - усього лише 1 рік.

Термін служби свинцевих акумуляторних батарей обмежується в основному корозією ґрат електродів. Крім того, електроліз води з виділенням активного кисню сприяє прискореній корозії ґрат позитивних електродів. Інтенсивність електролізу електроліту й супутньої йому корозії ґрат зростає при перезаряді, підвищенні температури й старінні батареї. Отже, в експлуатації необхідно приймати спеціальні міри для обмеження верхньої межі регульованої напруги заряду.

Таким чином, найбільш сучасна технологія - AGM - знову повернулася до рідкої кислоти, але тепер електроліт утримується в порах сепаратора з ультратонких скляних волокон. Така конструкція дозволяє не тільки герметизувати корпус, але й зберегти працездатність батареї навіть у випадку ушкоджень зовнішньої оболонки. AGM-батареї нечутливі до коливань температури, дуже стійки до глибоких розрядів, довговічні, віброзахищені й можуть працювати хоч лежачи на боці, але бояться перезаряду.

Прикладом може служити автомобільна акумуляторна батарея Maxxima - продукт концерну Exide, що володіє високою пусковою потужністю. У виробництві цього акумулятора використана технологія "коміркових спіралей", у результаті чого акумуляторна батарея придбала поліпшені характеристики. Exide Maxxima відмінно зарекомендувала себе як акумулятор для армійської техніки. Конструктивні особливості акумуляторних батарей Exide Maxxima забезпечують надійний старт при будь-якій температурі. Maxxima дає високий стартовий струм навіть при екстремальних низьких температурах -40°С и нижче, вона в 2…3 рази довговічніше. Традиційні стартові акумуляторні батареї забезпечують до 4000 стартів. Maxxima забезпечує не менш 12000 стартів.

Таблиця 1.1

Типи акумуляторів

Акумуляторні батареї	Питома енергоємність, Вт·год/кг	Питома потужність, Вт/кг	Ресурс, цикли
свинцево-кислотні (Рb)	35…50	250…400	500
нікель-кадмієві (NiCd)	50…65	200	1000
нікель-метал-гідридні (NiMН)	70…90	200	1000
натрій-нікель-хлорідні (ZEBRA)	90…100	130	1000
літій-іонні (LiIon)	100…150	300	1200
натрієво-сірчані (NaS)	100	120	800

Для машин, які повинні заводитися часто, акумуляторна батарея Maxxima є не тільки більш надійною, але й має більш тривалий строк експлуатації, отже, економічно вигідна. Після вирядженого стану до повністю зарядженого батарея може бути доведена менш чим за годину.

Відмітимо, що передові зарубіжні фірми - GМ, Тоуоtа, Ford в майбутньому роблять ставку на нікель-метал-гідридні батареї, а Nissan і інші японські фірми - на літій-іонні (Soni, Varta). Порівняльні характеристики різних типів акумуляторів наведені в додатку в таблиці А.1.

Перспективним представляється комбіноване використання різних типів батарей - одні працюють при швидких розрядах, інші забезпечують великий запас енергії. Цей напрямок являє собою подальше зусилля для пошуків.

Приведемо порівняльну діаграму зниження напруги холостого ходу в акумуляторних батарей різної конструкції в процесі їхнього зберігання без підзаряду - рис. 1.4.

1.4 Чи потрібно обслуговувати акумуляторну батарею, що не обслуговується

Фірми-виробники наполегливо рекламують позитивні властивості своїх виробів, але не представляють повної технічної документації, у найкращому разі мимохіть згадують про недоліки й обмеження. Твердження виробників про те, що їхні акумулятори «необслуговувані», є, з погляду електротехніки, перебільшенням і свідомим введенням споживача в оману.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.4 Строки зберігання сучасних АБ: 1 - акумуляторні батареї з 2,3...4% змістом сурми в матеріалі пластин, «Automin»; 2 - акумуляторні батареї комбінованої конструкції, у яких негативні пластини виконані з кальцієвого сплаву свинцю, позитивні - з малосурм'янистого, «Hybrid»; 3 - акумуляторні батареї, що не обслуговуються, у яких пластини виготовлені зі сплавів свинцю, легованого кальцієм, «Ca/Ca»; 4 - акумуляторні батареї, що не обслуговуються, у яких пластини виготовлені зі складних кальцієвих сплавів з додаванням срібла (технологія Varta), «PbCa/Silver»

Сучасні необслуговувані акумулятори є такими лише з погляду відсутності робіт з рідким електролітом. З іншого боку, у зв'язку з неможливістю візуального контролю стану пластин і густини електроліту (найбільш інформативний параметр), суттєво підвищені вимоги до ретельного виконання інших процедур обслуговування й дотриманню умов експлуатації, що рекомендують. Особливості конструкції цих акумуляторів визначають підвищені вимоги до первинного живлення, такі, як:

- необхідність підтримки напруги заряду з високою точністю;

- забезпечення залежності напруги заряду від температури;

- обмеження пульсацій зарядного струму.

Рекомендується також більш часта перевірка фактичної ємності.

Основні фактори, що впливають на їхні параметри й довговічність, наведені нижче. Термін служби кислотно-свинцевого акумулятора визначається зменшенням ємності до 80% від номінальної в результаті неминучої корозії й механічного руйнування електродів. Інтенсивність корозії залежить від багатьох факторів. Виділимо з них ті, які залежать від стану й умов роботи системи електропостачання.

1. Температура. Підвищення температури на кожні (7...10) °С вище розрахункової (звичайно 20 або 25°С) скорочує термін служби у два рази. Експлуатація акумуляторів при температурі понад 50 °С, як правило, неприпустима. Зниження температури трохи збільшує термін служби, але зменшує ємність, що віддається, на (0,8...1)% на один градус.

2. Напруга постійного підзаряду. Перевищення напруги на кожні 0,1 В на один елемент (0,5...0,6 В для 12-вольтової батареї) понад розрахункової скорочує термін служби приблизно в 2 рази. Зниження напруги приводить до недозаряду, сульфатації пластин й необоротній втраті ємності.

3. Зарядний і розрядний струм. Перевищення припустимих струмів приведе до жолоблення й механічного руйнування пластин. Розряд малими струмами збільшує ємність, що віддається, і підвищує кінцеву напругу розряду.

4. Глибокий розряд і зберігання у вирядженому стані приводить до сульфатації пластин і псування акумулятора. При тривалому зберіганні заряджених акумуляторів у бездіяльному стані для попередження наслідків саморозряду й сульфатації необхідно періодично робити підзаряд. Звичайні акумулятори вимагають підзаряду кожні 1...3 місяця, сучасні, що не обслуговуються - кожні 1...2 роки.

Переваги свинцево-кислотних батарей:

- дешевина й простота виробництва - за вартістю 1 Вт·год енергії ці батареї виявляються самими дешевими;

- відпрацьована, надійна й добре зрозуміла технологія обслуговування;

- малий саморозряд - найнижчий у порівнянні з акумуляторними батареями інших типів;

- низькі вимоги по обслуговуванню - для герметизованих не потрібно долівки електроліту;

- припустимо високі струми розряду.

Недоліки свинцево-кислотних батарей:

- не допускається зберігання у вирядженому стані;

- низька енергетична щільність - велика вага акумуляторних батарей;

- обмежений струм заряду (зарядний струм залежно від конструкції не повинен перевищувати 0,1…0,3 С₂₀, а типовий час заряду 8…16 годин);

- припустима лише обмежена кількість циклів повного розряду;

- кислотний електроліт і свинець впливають на навколишнє середовище;

- при неправильному заряді можливий перегрів. Крім того, при низьких температурах ємність істотно знижується.

Незважаючи на те, що свинцевий акумулятор відомий більше ста років, роботи з його вдосконалення тривають. В 90-х роках почалося виробництво нового покоління герметизованих батарей. Їх першою відмітною ознакою є рекомбінація газів при заряді акумулятора. Другою - виготовлення сітки пластин із чистого свинцю.

Для прикладу ознайомимося з акумуляторами фірми Powersafe - це герметизовані акумулятори в моноблочному виконанні. Випускаються в діапазоні ємностей від 19 до 1689 А·год. Акумулятори можуть з'єднуватися в батареї послідовно до 200 елементів. Позитивні пластини виконані зі сплаву свинець-кальцій-олово. У батареях здійснена 95% рекомбінація газів. У них використовуються іонообмінні мембрани-сепаратори, що здійснюють транспортування іонів кисню від позитивної пластини до негативної.

Тому що швидкість газовиділення при заряді на позитивному й негативному електродах не однакова, використовується той факт, що кисень виділяється на позитивному електроді перш, ніж на негативній виділяється водень. У той же час необхідно відвести кисень із метою запобігання окислювання позитивної пластини акумулятора. Використання сплаву свинець-кальцій-олово дозволило збільшити напругу електролізу води на останній стадії заряду акумулятора.

У процесі заряду батареї кисень, що утвориться на позитивній пластині, проникає крізь пори сепаратора, що ефективно утримує електроліт, на поверхню негативної пластини. При цьому утвориться окис свинцю, що реагує з електролітом і дає сульфат свинцю й воду. Реакція завершується тим, що сульфат свинцю, реагуючи з воднем, що є присутнім на негативній пластині, утворить свинець і сірчану кислоту. Таким чином, кількість електроліту залишається практично незмінною протягом усього терміну служби батареї. Оскільки всі ці реакції відбуваються в замкнутому середовищі, батареї не вимагають доливання електроліту й можуть використатися в будь-яких нормальних умовах із природною вентиляцією.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.5 Схема рекомбінації газів в акумуляторах Powersafe

Іонообмінна мембрана-сепаратор є спрямованим провідником іонів кисню від позитивної пластини до негативної. Мембрана-сепаратор має переважно горизонтальні пори. На негативному електроді відбувається реакція з'єднання кисню з воднем з утворенням води (рис. 1.5).

Контроль ступеня заряду герметизованих акумуляторів не може здійснюватися по густини електроліту. Тому доцільно привести залежність напруги елемента від ступеня його заряду (рис. 1.7).

Оптимальні зарядні характеристики акумулятора Powersafe наведені на рис. 1.6., де показана залежність зарядного струму від часу заряду батарей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.6 Зарядні характеристики акумуляторів Powersafe

1.5 Кольоровий індикатор

При експлуатації автомобілів, обладнаних батареями, що не обслуговуються (без отворів для долівки води), необхідно більш уважно ставитися до забезпечення справної роботи електроустаткування. У першу чергу це стосується натягу ременя привода генератора, справності самого генератора, регулятора напруги, відсутності витоків струму в системі електроустаткування або сигналізації й ряду інших факторів, про які сказане в попередньому підрозділі.

Батареї, у яких відсутній отвір для долівки води, і є тільки атмосферний зв'язок внутрішньої порожнини з навколишнім середовищем через невеликі вентиляційні отвори на торцях кришки, звичайно постачені індикатором стану зарядженості (рис. 1.8): кулька-поплавець зеленого кольору розміщена над пластинами й спливає, коли електроліт при заряді досягає певної густини.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.7 Залежність напруги батарей Powersafe від ступеня заряду

Ця величина відповідає мінімальному ступеню зарядженості (62…64 % від номінального значення), при якій індикатор починає подавати інформацію про працездатність батареї в пусковому режимі. Подальше підвищення густини електроліту (до 100 % заряду) не змінює показання індикатора, що є недоліком даного пристосування. У випадках зниження рівня електроліту до оголення пластин інформація індикатора про стан зарядженості батареї припиняється.

При працюючому індикаторі його інформація ставиться тільки до однієї із шести банок (комірок) батареї. У тих випадках, коли виникає дефект в іншій банці, де немає індикатора, інформація індикатора стає марною, що не відбиває загальний стан (працездатність) батареї. Застосування індикатора забезпечує корисну інформацію про стан батареї в тих випадках, коли вона не містить дефекту виробничого характеру.

Рис. 1.8 Схема роботи індикатора стану зарядженості батарей: а - акумулятор заряджений (заряд більше 65%) - зелене вічко; б - акумулятор виряджений (заряд менше 65%), потрібно підзаряд - чорне вічко; в - рівень електроліту низок, акумулятор повинен бути замінений - біле вічко

Питання для самоконтролю.

1. Визначення акумулятора.

2. Призначення автомобільних акумуляторних батарей.

3. Види батарей по конструктивно-функціональній ознаці.

4. Загальна конструкція акумуляторної батареї.

5. Основні відміни повністю необслуговуваних (герметизованих) кислотних акумуляторів.

6. Яким чином електроди ізолюються один від одного?

7. Види електроліту в стартерних акумуляторах.

8. Що означає термін “необслуговуваний”?

9. Назвіть основну вимогу до зарядних пристроїв нових типів АБ.

10. Переваги та недоліки свинцево-кислотних батарей.

11. Робота кольорового індикатора.

2. Основні електрохімічні процеси в акумуляторі

У повністю зарядженому акумуляторі активна речовина негативного електрода містить губчатий свинець Рb, а позитивного - двоокис свинцю РbО₂. Обидва електроди поринають в електроліт, і при взаємодії іонів електроліту з атомами свинцю негативного електрода певна кількість атомів свинцю іонізується. Двозарядні позитивні іони свинцю переходять в електроліт, а на поверхні негативного електрода від кожного атома свинцю залишається по два електрони, й він заряджається негативно.

На позитивному електроді в результаті взаємодії активної речовини з електролітом утворяться чотиризарядні позитивні іони свинцю, і він заряджається позитивно. Отже, на виводах акумулятора виникає різниця потенціалів. Хімічні реакції, що відбуваються в акумуляторній батареї при розряді-заряді, можна представити в компактному виді:

при розряді:

PbO₂ + 2H₂SO₄ + Pb = PbSO₄ + 2H₂O + PbSO₄

при заряді:

PbSO₄ + 2H₂O + PbSO₄ = PbO₂ + 2H₂SO₄ + Pb

У повністю вирядженому акумуляторі на негативному й позитивному електродах акумулятора перебуває сульфат свинцю PbSO₄, а густина електроліту знижена, тому що витрачено частину сірчаної кислоти й утворилася деяка кількість води. Зменшення густини електроліту при розряді акумуляторної батареї й збільшення її при заряді використовується в практиці експлуатації для контролю ступеня зарядженості батареї.

Поряд з корисними струмовідтворюваними реакціями в акумуляторі протікають реакції, що знижують ефективність його роботи. Це, зокрема, електроліз води й втрата її у вигляді кисню й водню, що випаровуються, а також процеси саморозряду, які йдуть досить активно протягом усього терміну служби з моменту приведення акумуляторної батареї в робочий стан. Їхнє ігнорування іноді може привести в повну непридатність навіть нову батарею.

2.1 Хіміко-технічні характеристики електроліту

У свинцево-кислотних акумуляторах як електроліт застосовується водяний розчин сірчаної кислоти. Чиста сірчана кислота являє собою безбарвну маслянисту рідину, що перетворюється при +10,5°С у тверду кристалічну масу.

Для готування електроліту застосовується тільки акумуляторна хімічно чиста сірчана кислота. Наявна в продажі хімічно чиста акумуляторна концентрована сірчана кислота містить 96,5% H₂SO₄ й 3,5% води, має густину 1,84 г/см³ і замерзає при температурі -34°С. Технічна кислота для цих цілей не годиться внаслідок того, що в ній утримуються домішки хімічно активних речовин, що руйнують пластини й скорочують службу акумуляторної батареї. Не слід застосовувати для готування електроліту недистильовану воду. Отримуючи дистильовану воду, звертають увагу на її якість. Вода й електроліт зберігаються в чистому, хімічно інертному посуду: скляному, ебонітовому, поліпропіленовому, фаянсовому, керамічному.

...