Сучасні та перспективні автомобільні акумуляторні батареї

Застосування електроліту, забрудненого шкідливими домішками, веде до посиленого саморозряду батареї й електрохімічної ерозії пластин Тому навіть короткочасне зберігання дистильованої води в сталевому посуді, коли у воді утворяться мікродомішки іржі, робить її зовсім непридатною для готування електроліту. Всі з'єднання азоту (наприклад, нашатирний спирт, азотні добрива й т.п.) скорочують термін служби пластин. При влученні в електроліт соляної кислоти й інших з'єднань хлору (наприклад, поварена сіль) відбувається посилений саморозряд батареї й зношування несучих елементів електродів.

Електроліт варто готовити в посуді досить великої ємності, щоб не переповняти її. Для готування електроліту треба влити в посудину потрібну кількість дистильованої води, а потім, щоб кислота не осідала на дно, варто вливати тонким струменем кислоту у воду, безупинно помішуючи розчин скляною або ебонітовою паличкою. У цьому випадку струмінь кислоти буде попадати у великий об'єм води, що рівномірно нагрівається без розбризкування.

Категорично забороняється вливати воду в кислоту!

Після остигання електроліту ареометром вимірюють його густину. Якщо густина приготовленого електроліту відрізняється від потрібної, то додають кислоту або дистильовану воду малими порціями. Якщо температура електроліту відрізняється від +15°С, то в показання ареометра необхідно внести відповідні виправлення, про що більш детальніше буде далі. Температура електроліту, підготовленого до заливання, не повинна перевищувати +25°С. Не рекомендується також заливати електроліт з температурою нижче +15°С.

З густиною електроліту зв'язані багато основних характеристик акумулятора - електрорушійна сила (ЕРС), внутрішній опір, ступінь зарядженості й інші показники, що залежать від в'язкості електроліту. У середній кліматичній зоні оптимальна густина електроліту для повністю зарядженого акумулятора прийнята рівною (1,26…1,27)±0,005 г/см³ при + 15°С. Це продиктовано не тільки прагненням одержати найбільшу ємність, але й довше зберегти акумулятор працездатним.

Для відновлення втрат води доливають до потрібного рівня дистильовану воду. Корегування густини електроліту шляхом додавання кислоти проводиться дуже рідко й тільки при одній умові - акумуляторна батарея повністю заряджена, а густина електроліту не дорівнює 1,27 г/см³. Наприклад, густина електроліту корегується в початковий момент експлуатації нової батареї після приведення її в робочий стан. У цьому випадку після повного заряду батареї доводять густину електроліту до норми, додаючи воду або кислоту. У частково зношеному акумуляторі, переконавшись у тім, що він повністю заряджений, але явно бракує сірчаної кислоти в електроліті, варто також відкоригувати густину електроліту. Однак повторюємо: корегування густини електроліту з додаванням свіжого електроліту або кислоти - надзвичайно рідкі операції. До цьому варто віднестися відповідально.

2.2 Вимоги та характеристики стартерних акумуляторних батарей

Батареї повинні мати достатній запас енергії для здійснення надійного пуску двигуна при низьких температурах, для живлення споживачів електроенергії на автомобілі у випадку виходу з ладу генераторної установки, а також для інших потреб, що виникають в аварійних ситуаціях.

До акумуляторних батарей пред'являються наступні основні вимоги - вони повинні забезпечувати:

- максимальну робочу напругу від однієї батареї;

- мінімальний внутрішній опір, особливо при низьких температурах;

- малу зміну напруги в процесі розряду;

- максимальну кількість енергії, що віддається з одиниці маси;

- швидке відновлення характеристик у процесі заряду;

- мінімальну масу, малі габарити і вартість;

- високу механічну міцність, стійкість до вібрації, температури і т.д.;

- надійність і простоту в обслуговуванні.

Ці вимоги суперечливі, але найбільш повно їм відповідають свинцево-кислотні акумулятори, що найбільш поширені в автомобільній техніці.

2.3 Основні електротехнічні характеристики акумуляторної батареї

1. Електрорушійна сила - являє собою різницю електродних потенціалів, обмірювану при розімкнутому зовнішньому колі, тобто без навантаження. Для розрахунку можна користуватися емпіричною формулою:

Е = 0,84 + с_25, (2.1)

де с₂₅ - приведена до 25 ^оС густина електроліту с_ВИМ, яка вимірюється:

с₂₅ = с_ВИМ + 0,00075·(Т - 25^о). (2.2)

2. Напруга - відрізняється від електрорушійної сили на величину спадання напруги у внутрішньому колі при проходженні розрядного або зарядного струмів. Розрядна і зарядна напруги відповідно дорівнюють:

U_P = E - I_P · R; (2.3)

U_З = E + I_З · R. (2.4)

Тут R - повний внутрішній опір. Він складається з опору поляризації R_П і омічного опору R_О. Цей, в свою чергу, складається з опорів електродів, електроліту, сепараторів, міжелементних перемичок. З цих простих співвідношень витікає, що при експлуатації акумуляторних батарей значення омічного опору необхідно видержувати якомога менше.

3. Густина електроліту. Кількість в електроліті сірчаної кислоти й густина електроліту зменшуються при розряді і збільшуються при заряді. По густині електроліту судять про ступінь розрядженості акумулятора:

, (2.5)

де с_З - густина зарядженого акумулятора;

с_р - густина розрядженого акумулятора.

Згідно з правилами експлуатації батарей, у зарядженому акумуляторі густина електроліту в залежності від часу року та району експлуатації коливається в межах 1,25…1,31 г/см³.

При розряді в хімічних реакціях бере участь не більш 40…50 % активної маси пластин, тому що до глибоких шарів активної маси внаслідок недостатньої її пористості електроліт у необхідній кількості не надходить, що зменшує ємність кожного акумулятора батареї. В процесі розряду сірчана кислота йде на утворення сірчанокислого свинцю PbSO₄ при одночасному виділенні води H₂O, тому густина електроліту відповідно зменшується з 1,25…1,31 до 1,09…1,15 г/см³.

Таким чином, густина електроліту при 100% розряді зменшується на 0,16 г/см³, отже, у період розряду акумулятора зменшення густини електроліту на 0,01 г/см³ відповідає зниженню ємності акумулятора на 6%.

Для заряду акумулятор включають паралельно джерелу постійного струму (генераторові, випрямлячеві), напруга якого повинна перевищувати ЕРС акумулятора, що заряджається.

При заряді внаслідок утворення кислоти H₂SO₄ при одночасному зменшенні води H₂O густина електроліту збільшується з 1,09…1,15 до 1,25…1,31 г/см³.

Як тільки активна маса пластин перетвориться в PbО₂ та Pb, густина електроліту при подальшому заряді акумулятора перестає підвищуватися, що служить ознакою кінця заряду акумулятора. При подальшому заряді буде відбуватися тільки розкладання води на водень і кисень, які, виділяючись в повітря, викликають сильне бурління ("кипіння") електроліту.

Акумулятор володіє 100% ефективністю при 25^oС. При мінус 18^oС ефективність батареї падає на 40%. Тому в умовах холодного клімату значенням робочих параметрів надається особливе значення. Найбільш важливими параметрами батареї є:

- номінальна ємність - кількість електрики, яку можна одержати від акумулятора при його розряді до встановленої кінцевої напруги, виражається в ампер-годинах і позначається С₂₀;

- струм холодного пуску - величина сили струму (в амперах), подаваного батареєю на стартер автомобіля під час запуску холодного двигуна. У різних країнах існують різні стандарти вимірів струму холодного пуску;

- резервна ємність - параметр, аналогічний за значенням номінальної ємності. Цей параметр може бути переведений у номінальну ємність (в ампер·годинах) за наступною формулою:

, (2.6)

де C^AH - ємність в ампер·годинах;

С^RH - ємність у резервних хвилинах.

При виборі типу батареї варто суворо додержуватися даних, зазначених виробником автомобіля;

- пускова потужність - величина максимальної вихідної потужності, що акумулятор може видавати протягом 30 секунд при температурі мінус 18 ^оС. Цей показник характеризує здатність акумулятора запускати холодний двигун. Як відомо з електротехніки, потужність характеризується добутком розрядного струму на середню напругу в колі:

P = I · U, (2.7)

де I - струм стартерного розряду при температурі ?18°C;

U - середнє арифметичне значення розрядної напруги, обмірюваної через рівні проміжки часу.

У свинцевих батарей з ростом розрядного струму при стартерному режимі розряду величина напруги помітно зменшується. Чим вище потужність АБ, тим швидше стартер буде "крутити" двигун, тим легше здійснити його запуск. Для порівняння потужностей батарей досить зрівняти їхній пусковий струм, наведений до єдиної методики випробувань (EN, SAE, DIN, IEC, ДСТ й ін.);

- стартерний розряд -- короткий розряд заявленим виробником струмом, проводиться з певною тривалістю (безупинно або в переривчастому режимі) до напруги 6 В. При цьому в нормативних документах указують проміжні інтервали від початку розряду (5 с, 10 с або 30 с), протягом яких контролюють величину напруги АБ у процесі розряду. Запас енергії батареї, що характеризується часом стартерного розряду, показує, як довго вона зможе забезпечувати спроби запуску двигуна.

На сучасних стартерних батареях указують кілька показників. Разом з тим кожен фахівець повинен знати, у чому розходження струму розряду по DIN (Німеччина) або ТУ (Росія) від струму розряду по SAE (США) або EN (стандарт Євросоюзу). При розряді стартовим струмом на полюсних виводах АБ припускають різні по величині напруги. При температурі електроліту ?18°C розряд струмами по SAE й EN припускає напругу на полюсних виводах АБ 7,2 В на 30-й секунді й 7,5 В на 10-й секунді відповідно, а при струмах по DIN і ТУ напруга при розряді повинна бути не менш 9,0 В на 30-й секунді. З урахуванням цих показників співвідношення розрядного струму по SAE й EN до струму по DIN і ТУ дорівнює:

I_EN = 1,7 · I_DIN. (2.8)

Якщо на конкретної АБ зазначений струм по одному зі стандартів, то через цей коефіцієнт можна визначити значення струму розряду по іншому стандарті.

2.4 Маркування АБ різних виробників

На кожній батареї відповідно до вимог міжнародних стандартів повинне бути маркування, що містить інформацію про напругу, номінальну ємність, призначення й конструктивне виконання. Маркування АБ (наприклад, 6СТ-60А1) виконується за наступною схемою:

Размещено на http://www.allbest.ru/

(1) -- цифра, що вказує число послідовно з'єднаних акумуляторів у батареї (6 або 3), що характеризує її номінальну напругу (12 або 6 В відповідно).

(2) - букви, що характеризують призначення батареї по функціональній ознаці (СТ - стартерна).

(3) - число, що вказує номінальну ємність батареї в ампер-годинах.

(4) - букви або цифри, які містять додаткову інформацію про виконання батареї (при необхідності) і матеріали, що застосовані для її виготовлення, наприклад: "А" - із загальною кришкою (рис. 2.1), буква "3" - залита й повністю заряджена (якщо її немає - батарея сухозаряджена), слово "необслуговувана" - для батарей, що відповідають вимозі ДСТ по витраті води, "Е" - корпус-моноблок з ебоніту, "Т" - моноблок з термопластичної пластмаси, "М" - сепаратор типу міпласт із полівінілхлориду, "П" - сепаратор-конверт із поліетилену.

Умовне позначення батарей, застосовуване більшістю європейських виробників, являє собою п'ятизначний код по німецькому стандарту DIN (наприклад, 560 19) або дев'ятизначний код по міжнародному стандарту ETN (наприклад, 560 059 042).

У структурі кодів як по DIN, так і по ETN значення перших трьох цифр однаково. Вони показують номінальну ємність і напругу батареї. Для найпоширеніших 12-вольтових АБ номінальну ємність можна одержати, віднімаючи 500 із тризначного числа. Таким чином, якщо перша цифра позначення дорівнює 5, то ємність батареї від 1 до 99 А·год, якщо 6 -- від 100 до 199 А·год, а якщо 7 -- от 200 до 299 А·год.

Останні дві цифри в позначенні по DIN, також як друга трійка цифр у позначенні по ETN, вказують на варіант конструктивного виконання, що характеризує розміри й тип полюсних виводів, конструкцію кріпильних елементів, тип газовідводу, тип кришки, наявність ручок, віброміцність і т.п.

Число із трьох останніх цифр у позначенні по ETN становить 0,1 від величини струму холодного прокручування по EN. Для наведеного вище приклада струм холодного прокручування дорівнює:

I = 042 · 10 = 420 А. (2.9)

Відповідність струмів холодного прокручування за різними стандартами наведена в табл. 2.1.

Рис. 2.1 Маркування російської батареї: 1 - умовна позначка; 2 й 3 - струм холодного прокручування по DIN й EN; 4 - вага 5 - резервна ємність; 6 - номінальна ємність; 7 - номінальна напруга

Таблиця 2.1

DIN 43559, ДЕРЖСТАНДАРТ 959-91	EN 60095-1, ДСТ 959-2002	SAE J537
170	280	300
220	330	350
255	360	400
255	420	450
280	480	500
310	520	550
335	540	600
365	600	650
395	640	700
420	680	750

ЕN 60095-1 (European norm) вимагає нанесення на корпус батареї наступної інформації: номер по ETN (European Type Number) з дев'яти цифр; товарний знак; умовні знаки мер безпеки; номінальна напруга; ємність номінальна або резервна; струм холодного прокручування; знак полярності -- позитивний вивід повинен бути позначений знаком «+» на кришці або на самому виводі.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.2 Умовне позначення по EN

Крім цього, на батарею може наноситися інша інформація -- позначення батарей, з якими взаємозамінна дана АБ, і т.п.

Рис. 2.2 Маркування європейської батареї: 1 - номінальна напруга; 2 - номінальна ємність; 3 - струм холодного прокручування по EN; 4 - позначення батарей, з якими взаємозамінна дана АБ; 5 - умовна позначка; 6 - знаки мерла безпеки

Американські виробники формують умовну позначку відповідно до вимог стандарту SAE J537 (Society of Automotive Engineers). Позначення складається з умовного номера групи й струму холодного прокручування при ?18°C. Наприклад, батарея типу A24410 ставиться до типорозмірної групи 24 (260x173x225 мм), а її струм холодного прокручування за методикою SAE дорівнює 410 А при ?18°C.

Питання для самоконтролю.

1. Взаємодія іонів електроліту з атомами свинцю пластин різних полярностей.

2. Хіміко-технічні характеристики електроліту.

3. Послідовність дій для приготування електроліту.

4. Основні електротехнічні характеристики акумуляторної батареї.

5. На яку величину знижується ємність акумулятора при зменшенні густини електроліту на 0,01 г/см³ ?

6. Назвіть найбільш важливі параметри батареї.

7. Яку інформацію містить маркування АБ ?

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

Розглядаючи характеристики акумуляторних батарей, можна встановити, що вони змінюються у двох протилежних випадках: коли іде процес розряду і коли іде процес заряду акумуляторної батареї. Тобто всі характеристики мало того що пов'язані між собою, ще й змінюються за часом. Поєднавши всі характеристики, отримаємо характеристики розряду і заряду акумуляторних батарей, що змінюються за часом.

3.1 Розрядні характеристики акумулятора

Розглянемо процес розряду, до кола якого входять акумуляторна батарея та споживачі електричної енергії, поділивши його на чотири стадії, як показано на рис. 3.1.

Першу стадію характеризують поляризаційні явища, які закінчуються в точці 3 після закінчення перехідного процесу. Цей процес проходить при практично постійному опорі R_Н, а напруга U_P швидко падає, як і падає розрядний струм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.1 Стадії розряду акумуляторної батареї

Починаючи з точки 3, процес розряду переходить на другу стадію з постійною ЕРС поляризації Е_П=І_Р·R_Н, постійним струмом розряду І_Р і зменшенням напруги U_P через падіння рівномірної ЕРС Е. Через утворення води і поглинання сірчаної кислоти іде лінійне зменшення густини електроліту.

Третя стадія характеризується пасивізацією активної маси пластин - точка 4. На цій стадії збільшується опір R_N, збільшується ЕРС поляризації Е_П, збільшується омічний опір R_O і падає густина електроліту. Із-за протікаючих хімічних реакцій при недостачі кислоти і пасивізації сульфатом свинцю процес після точки 5 стає незворотним, що приводить до непридатності акумулятора.

Цю стадію слід відслідковувати і своєчасно знімати акумулятор для підзаряду.

На четвертій, заключній стадії, після зняття навантаження напруга U_P різко зростає на величину падіння напруги на омічному опорі І_Р·R_O (точки 5-6), але вона не досягає первинного значення ЕРС “Е” (точка 7) із-за нерівномірного розподілу густини електроліту по товщині електродів.

Інтенсивність розряду прийнято позначати у вигляді безрозмірних "одиниць 1С". 1С (один це) чисельно дорівнює ємності батареї при розряді постійним струмом 0,05·С₂₀ у плині 20 годин. Повний розряд визначається як розряд до 1,75 В на банку при кімнатній температурі, тобто до 10,5 В для 12 В батарей. Величина 1,75 В встановлена досвідченим шляхом як нижня границя, при розряді нижче якої починається необоротне передчасне старіння батареї.

Наприклад, сила струму 1С для батареї 6СТ55 відповідає струму розряду 55 А, 2С - струму розряду 110 А и т.д. Якщо обмежити розряд досягненням заданого мінімуму напруги, тих же 10,5 В - виявиться, що реальна ємність на струмі 1С скоротиться приблизно вдвічі в порівнянні з номінальною (див. графік на рис. 3.2). А от поріг необоротного старіння при великій інтенсивності розряду (1C і вище), навпаки, істотно знижується - до 8 В.

В автомобілі SLA працюють у буферному режимі. При цьому режимі батарея постійно підключена до зарядного пристрою. Якщо в електричній мережі є напруга, то після заряду батарея протягом тривалого часу перебуває під дією кінцевої напруги заряду. Слабкий струм, що протікає через батареї, компенсує саморозряд батареї й постійно підтримує батарею в повністю зарядженому стані. У випадку відключення напруги в електричній мережі батарея розряджається на підключену до неї навантаження. Т.ч., буферний режим роботи характерний для автомобільних акумуляторів при регулярній експлуатації машини.

При циклічному режимі роботи батарею заряджають, а потім відключають від зарядного пристрою. Розряд батареї виробляється в міру необхідності. Циклічний режим роботи використовується також при зберіганні АБ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.2 Вплив струму розряду на реальну ємність АБ

Глибина циклу розряду визначається як відношення реально відданих у навантаження ампер-годин до ампер-годин, що відповідають розряду до порога необоротного старіння. Ампер-години в знаменнику будуть збігатися з номінальною ємністю тільки для інтенсивності розряду 0.05С. На практиці, як знаменник використовується саме номінальна ємність (тим більше, що й постійний струм розряду - не більш, ніж ідеальне наближення).

При буферному режимі експлуатації ресурс батареї сильно залежить від температури. Найбільш сприятливою температурою для батареї вважається температура 15…20 ^оС. Збільшення температури на 10 градусів зменшує ресурс батареї вдвічі. На рис. 3.4 представлена типова залежність ресурсу від температури для акумуляторів з розрахунковим ресурсом 5…7 років. Може виникнути питання - а як же під капотом у машині? По-перше, автомобільний акумулятор спеціально розрахований на широкий діапазон температур, по-друге, теплоємність АБ настільки велика, що істотно прогріти ї навіть під капотом непросто.

Рис. 3.3 Ресурс акумуляторів при циклічному режимі роботи

Рис. 3.4 Ресурс акумуляторів при буферному режимі роботи

Глибина циклу (якщо вона повторюється від циклу до циклу) визначає термін служби батарей. При 100% глибині циклів термін служби SLA не перевищить 200-300 циклів. Автомобільні акумулятори з рідким електролітом рідко витримують більше 20 глибоких циклів. При 30% глибині циклів кількість їх потроюється (див. рис. 3.3).

Не рекомендується піддавати акумулятор "глибокому" розряду, тому що це може привести до його псування. У таблиці 3.1 наведені значення допустимої напруги розряду для різних значень струму розряду.

Таблиця 3.1

Струм розряду, А	Допустима напруга розряду, В/комірка
0,2 С и менш	1,75
Від 0,2 до 0,5	1,70
Від 0,5 до 1,0	1,55
Від 1,0 і більше	1,30

Акумулятор після такого розряду варто негайно зарядити. Це особливо стосується акумулятора, що був підданий "глибокому" розряду. Якщо акумулятор протягом тривалого періоду часу перебуває у вирядженому стані, то можлива ситуація, при якій відновити повністю його ємність буде неможливо.

3.2 Зарядні характеристики акумулятора

Найпростіша схема заряду складається з джерела живлення Е₃, самої батареї, вимикача, амперметра і змінного додаткового опору R_Б, за допомогою якого забезпечується постійність величини зарядного струму.

Перша стадія заряду характеризуються стрибком напруги U₃ на величину омічних втрат в акумуляторі (точки 1-2), а також процесом стабілізації нерівномірно розподіленої концентрації електроліту поблизу електродів (точки 2-3) - рис. 3.5.

На другій стадії формується активна маса, підвищується густина електроліту і ЕРС, а також зростає (точки 3-4) зарядна напруга U₃, необхідна для підтримки постійного зарядного струму І_З.

Рис. 3.5 Стадії заряду

В процесі заряду відновлення активної маси іде від поверхні електродів всередину. При завершенні процесу заряду, коли майже вся активна маса електродів стане відновленою (напруга на акумуляторі досягне 2,3 В, точка 4), зарядний струм почне частково, а потім повністю витрачатися на розклад води. При цьому напруга різко підвищується. Після досягнення точки виділення газів напруга заряду перестає зростати. Починається третя стадія процесу заряду, так званий перезаряд (точки 5-6), коли напруга U_З і густина електроліту не змінюються.

Після відключення зарядного кола на четвертій стадії (точка 7) іде вирівнювання густини електроліту біля електродів і між ними.

Зарядними характеристиками акумулятора є наступні величини:

- сила струму заряду;

- напруга на виводах акумулятора при заряді;

- ЕРС спокою;

- густина електроліту;

- температура електроліту;

- ступінь зарядженості;

- зарядна ємність;

- інтенсивність газовиділення при заряді;

- тривалість (час) заряду;

Коротко пояснимо деякі характеристики.

Номінальний струм заряду - величина струму заряду (А), чисельно рівна 0,1 величини номінальної ємності акумуляторної батареї, вираженої в ампер-годинах, позначається I_Н:

(3. 1)

де С₂₀ - величина номінальної ємності акумуляторної батареї в А•год.

Якщо сила струму перевищує величину I_Н, то такі струми вважаються великими струмами заряду.

На практиці використовується також значення струму заряду (А), чисельно рівне 1/20 величини номінальної ємності акумуляторної батареї, і позначається I₂₀. Воно використовується при визначенні номінальної ємності батареї. Струми, менші величини I₂₀, прийнято вважати малими струмами заряду.

У сучасних акумуляторів ККД заряду приблизно дорівнює 0,9. Він залежить від сили струму заряду, ступеня зарядженості акумулятора й температури електроліту. Зі збільшенням сили струму й температури електроліту вище 35 °С ККД зменшується. На завершальному етапі заряду в міру наближення до режиму перезаряду ККД також зменшується. При температурах нижче -15 °С спостерігається різке зменшення ККД.

ЕРС спокою - різниця електродних потенціалів, залежить від температури й концентрації електроліту. Для повністю вирядженого акумулятора ЕРС = 1,94 В, а для повністю зарядженого - 2,11 В. У міру заряду акумулятора ця характеристика міняється лінійно між зазначеними граничними значеннями. Залежність ЕРС спокою від ступеня зарядженості акумулятора в₃ наведена на рис. 3.6. Тому що ЕРС пов'язана з густиною електроліту, то погрішність при оцінці ступеня зарядженості значною мірою залежить від факторів, які обговорюються нижче.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.6 Залежність ЕРС покою (Е₀) від ступеню зарядженості акумулятора в_З. Температура електроліту 15 ⁰С

Густина електроліту в процесі заряду лінійно змінюється від 1,11 г/см³ для повністю вирядженого акумулятора до 1,27 г/см³ - для повністю зарядженого. Значення густини електроліту наведені до температури +15°С.

Температура електроліту - при безперервному процесі заряду лінійно зростає в області корисного заряду, і значно швидше зростає в області перезаряду. Сильно залежить від сили струму заряду й температури навколишнього середовища.

Ступінь зарядженості. Стан акумулятора повністю й з достатньої для більшості практичних задач точністю визначається ступенем зарядженості, температурою електроліту й зношування електродів.

Температура електроліту визначається прямим виміром, а ступені зарядженості й зношування - непрямими вимірами. Якщо акумулятор перебуває в спокої, тобто він протягом декількох годин відключений від зовнішніх кіл, то для оцінки його стану потрібно виміряти температуру електроліту, ЕРС спокою й густину електроліту. Дві останніх характеристики взаємно зв'язані, тому в практичних задачах інтерес представляє тільки одна з них - або ЕРС спокою, або густина електроліту.

Вимірявши ЕРС спокою, можна визначити ступінь зарядженості акумулятора. Для цього по обмірюваній величині ЕРС спокою знаходять на графіку (рис. 3.6) відповідне значення ступеня зарядженості. Оскільки ЕРС спокою змінюється на невелику величину, те необхідний вольтметр досить високого класу точності з великим внутрішнім опором, не меншим 20 кОм. Вимірюють ЕРС спокою не раніше, ніж через 2 години після відключення акумулятора від зовнішнього кола.

Таблиця 3.3

Ступінь зарядженості (в₃) стартерної АБ при температурі +15°С

Густина електроліту, г/см3	Стан акумуляторної батареї, в3
1,27...1,26	0,9...1,0; повністю заряджена
1,25...1,23	0,75; заряджена на 75%
1,21...1,19	0,5; заряджена на 50%
1,17...1,15	0,25; глибокий розряд

При вимірах густини електроліту варто мати на увазі, що при підвищенні температури електроліту на 1°С густина електроліту зменшується на 0,0007 г/см³. Вихідною вважається температура +15 °С. У таблиці 3.4 наведені виправлення до обмірюваних значень густини електроліту залежно від його температури. Якщо температура електроліту вище +15°С, то до показань ареометра необхідно додавати по 0,01 на кожні 15°С підвищення температури, а при температурі нижче +15°С із показань густини електроліту по ареометрі треба віднімати таку ж величину.

Таблиця 3.4

Виправлення до показань ареометра від +15 °С

Температура електроліту, °С	-45	-30	-15	0	+15	+30	+45	+60
Виправлення	-0,04	-0,03	-0,02	-0,01	0	+0,01	+0,02	+0,03

Погрішність отриманої оцінки пов'язана з невизначеним ступенем зношування, кількістю витраченої при електролізі води й інших факторів. Значно більше достовірну інформацію й у більшому обсязі можна одержати в процесі заряду акумулятора.

Питання для самоконтролю.

1. Розрядні характеристики акумулятора.

2. Скорочення реальної ємності на великих розрядних струмах.

3. Як визначається глибина циклу розряду та на який показник вона впливає?

4. Зарядні характеристики акумулятора.

5. З якою метою вимірюють ЕРС спокою батареї?

4. Методи діагностування акумуляторів

Задача діагностування акумуляторів виникає при різних стадіях роботи з ними, наприклад, для перевірки якості нового акумулятора, або для визначення працездатності акумулятора, при планових тестуваннях акумулятора й т.д. Основним завданням діагностування акумуляторів є визначення фактичної розрядної ємності при заданих умовах розряду.

Розрядною ємністю С₂₀ називають кількість електрики, яку можна одержати від акумулятора за певних умов його роботи, тобто при заданих значеннях температури, розрядного струму й кінцевої розрядної напруги. Розрядну ємність можна визначити по формулах (2.1) і (2.2), залежно від методу розряду акумулятора.

С₂₀ , (4.1)

С₂₀ = , (4.2)

де i_p - розрядний струм;

t_p - час розряду;

R - опір розряду;

U_p - розрядна напруга.

Формула (4.1) використовується при розряді акумулятора на постійний опір, а формулу (4.2) необхідно використати при розряді акумулятора постійним струмом.

Обчислити ємність по зазначених формулах можна лише за допомогою графіків зміни розрядного струму або розрядної напруги залежно від часу розряду.

Є кілька методів визначення цих залежностей: аналітичний, експериментально-графічний, експериментально-розрахунковий й експериментальний. Повне викладання методів виходить за рамки посібника, тому розглянемо лише останній.

Експериментальний метод полягає в тім, що акумулятор піддається безпосередньому розряду деяким значенням струму (або при постійному навантаженні) за схемою, представленою на рис. 4.1, і при цьому знімаються вольт-амперні характеристики. Переваги цього методу полягають у тім, що він має високу точність (точність обмежується тільки методом зняття характеристик) і легко автоматизується. Однак, великі витрати часу й засобів обмежують використання цього методу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.1 Схема підключення акумулятора при розряді експериментальним методом

Ємність батареї, обумовлена в 20-годинному режимі розряду не пізніше четвертого циклу, повинна бути не менш 95 %, а в батареї, що не обслуговується - 100 % номінального значення.

Типові вольт-амперні характеристики (рис 4.2) акумуляторної батареї в залежності від температури навколишнього середовища визначаються при третій спробі пуску: пусковий цикл не перевищує 10 с з перервою між ними не менш 30 с.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.2 Типові вольт-амперні характеристики

Як навантаження при розрядних циклах застосовують вугільні реостати, що дозволяють витримувати струми до 800 А без перегоряння вугільних шайб, з яких набирається реостат.

Стартерний розряд акумуляторної батареї виробляють струмом, рівним потроєної номінальної ємності при температурі електроліту (252) ^оС.

Перший вимір напруги на виводах батареї роблять через 5 секунд після початку розряду, а потім щохвилини. Розряд завершують при обмірюваній напрузі 9 В (глибокий розряд) на виводах батареї напругою 12 В и 18 В на виводах батареї напругою 24 В. Тривалість режиму 5...7 хв.

4.1 Оцінка стану акумулятора по зарядних характеристиках

Контроль стану акумулятора зручно вести безпосередньо в процесі заряду. При цьому по величинах його зарядних характеристик можна одержати більше інформації, високої якості й з незначними витратами праці. Це дозволяє не тільки оцінювати стан акумулятора, але й оперативно коректувати й виконувати процес заряду оптимальним способом.

На рис. 4.3 представлені сполучені на одному графіку залежності зміни основних зарядних характеристик у процесі заряду в міру росту ступеня зарядженості акумулятора.

Таким графіком зручно користуватися, коли одночасно контролюються кілька характеристик. Найбільш точний стан акумулятора визначається в області корисного заряду. По горизонтальній осі відкладені значення часу заряду струмом I_Н і більш точно - значення ступеня зарядженості в_3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.3 Основні зарядні характеристики акумулятора

Напруга заряду (на цьому графіку тільки при нормальному струмі заряду!) є задовільним діагностичним показником стану акумуляторної батареї, оскільки існує функціональна залежність між напругою заряду й ступенем зарядженості акумулятора при фіксованих значеннях струму заряду й температури електроліту. Вимірюючи напругу заряду, можна кількісно оцінити ступінь зарядженості акумулятора. Для цього на графіку, зображеному на рис. 3.3, на осі напруг знаходять величину обмірюваної напруги заряду й на іншій осі визначають відповідне значення ступеня зарядженості.

Якщо ж інтенсивне газовиділення спостерігається відразу на початкових етапах процесу заряду, то можна припускати, що:

- батарея повністю заряджена;

- сильно зношена й засульфатована;

- є відстаючі акумулятори;

- надмірно велика сила струму заряду.

У першому випадку проблем немає - відключити зарядний пристрій, перевірити ступінь зарядженості, наприклад, по густини електроліту. Варто врахувати, що вимірювати густину електроліту бажано після відключення зарядного пристрою хоча б на 15...20 хв. Перерва в процесі заряду необхідна для того, щоб у порах активної маси й у міжелектродному просторі вирівнялася густина електроліту.

Засульфатовані акумулятори при заряді мають підвищену зарядну напругу, меншу густину електроліту, знижену зарядну ємність.

При наявності відстаючого акумулятора спостерігається підвищена зарядна напруга на ньому, він більше інших розігрівається, й інтенсивне газовиділення починається на ранніх етапах процесу заряду, у ньому швидше змінюється густина електроліту, зарядна ємність різко знижена.

У всіх випадках оцінка стану акумулятора буде більш достовірною, якщо одночасно контролюються декілька характеристик (2...3 і більше). Обчисливши їх середнє арифметичне значення, одержимо досить правильну величину ступеня зарядженості акумулятора. Якщо при цьому використовуються й розрядні характеристики, ймовірність висновків стає ще вище.

Максимальна величина початкового зарядного струму для батарей ємністю більше 10 А·год кількісно не повинна перевищувати величини ємності батареї.

Питання для самоконтролю.

1. Основне завдання діагностування акумуляторів.

2. Що називають розрядною ємністю С₂₀ ?

3. Яким струмом здійснюють стартерний розряд акумуляторної батареї?

4. Поясніть зміну основних зарядних характеристик у процесі заряду.

5. Про що свідчить інтенсивне газовиділення відразу на початкових етапах процесу заряду?

6. Назвіть максимальну величину початкового зарядного струму для автомобільних батарей.

5. Сутність сульфатації

Утворення сульфату (сірчанокислого свинцю) є обов'язковим і природним процесом при розряді: розряд без сульфатації активної маси акумуляторних пластин обох полярностей не буває. Сульфат свинцю, що утвориться при цьому, відрізняється тонкою структурою й, як відомо, легко відновлюється під час заряду у свинець і двоокис свинцю на пластинах відповідної полярності.

Дрібнокристалічний сульфат, часточки якого настільки малі, що їх не можна розглянути звичайним мікроскопом, розосереджений звичайно більш-менш рівномірно в шарі пористої активної маси пластин, який добре проводить струм. Вид позитивної пластини справного акумулятора показаний на рис. 5.1. Така сульфатація - це нормальний процес, що не може служити джерелом ушкодження акумулятора.

Рис. 4.1 Вид позитивної пластини при збільшенні в 500 разів

Але є й інший вид сульфатації, електрохімічна сутність якої така ж, як і при нормальної сульфатації, але відрізняється вона тим, що структура сульфату свинцю, що утвориться при цьому, трохи інша. Вона відрізняється виникненням великих кристалів сульфату, які із часом ростуть й утворять щось начебто суцільної кірки (панцира), що покриває частину поверхні активної маси. Ця сульфатація шкідлива. Вона виникає при неправильно організованому режимі роботи акумуляторів або при поганому обслуговуванні. Глибока сульфатація дуже важко усувається й може привести до значної втрати ємності або до повного виходу з ладу акумуляторів.

Рис. 5.2 Поверхня позитивного електроду після 6 місяців зберігання

Рис. 5.3 Поверхня позитивного електроду після 2 років зберігання

Розглянемо трохи докладніше, чому глибока сульфатація може зробити акумулятор непрацездатним. Об'єм активної маси при розряді зростає на позитивній пластині в 1,85 рази, а на негативній в 2,66 рази. Це приводить до відповідного скорочення пор у шарі активної маси кожної пластини. У результаті цього утруднюється дифузія кислоти, і в процесі розряду в порах кількість кислоти зменшується настільки, що частина активної маси, зрештою, перестає брати участь у роботі.

5.1 Ознаки ненормальної сульфатації

Тому що сульфат займає значно більший об'єм, чим активна маса в нерозряджених пластинах, то зі збільшенням кількості сульфату (коли не приймаються міри до його усунення) виникає витріщання комірок негативних пластин, а позитивні пластини внаслідок виникаючих і нерівномірно прогресуючих механічних напруг усередині пластини починають жолобитися.

Сульфатація акумулятора викликає значне підвищення опору активної маси пластин й, отже, загального опору акумулятора. Внаслідок цього напруга засульфатованого акумулятора на початку заряду може підвищитися навіть до 15...16 В при нормальному зарядному струмі. При цьому акумулятор відразу починає "кипіти".

При дуже глибокій сульфатації, коли сульфат утворить суцільну кірку на поверхні пластин, акумулятор може повністю втратити провідність, оскільки сам сульфат - непровідник.

Для акумулятора, засульфатованого, але ще здатного проводити електричний струм, характерно, що висока величина напруги (після включення на заряд) із часом починає знижуватися. Якщо буде мати місце процес десульфатації, то напруга засульфатованого акумулятора може понизитися після закінчення декількох годин заряду до 2,15...2,20 В и потім почне поступово підвищуватися.

5.2 Причини виникнення сульфатації пластин

Як відомо, різні домішки в електроліті викликають прискорену сульфатацію пластин. Тому далі розглянемо тільки причини, які не пов'язані із забрудненням електроліту. Процес сульфатації збільшується, коли кілька причин діють одночасно. Спочатку розглянемо зовнішні причини. Це - температура, густина і рівень електроліту в акумуляторі.

5.2.1 Коливання температури

На свинцеві акумулятори не настільки шкідливий вплив робить знижена або підвищена (у межах припустимих границь) температура електроліту (а, отже, температура акумулятора в цілому), як її коливання. Сульфат свинцю має порівняно малу розчинність у розчині сірчаної кислоти. Інтенсивність цієї розчинності сильно підвищується разом з ростом температури. При підвищенні температури частина сульфату, що перебуває на пластинах, розчиняється, а при наступному охолодженні сульфат починає випадати з розчину й осідати на пластинах. Сульфат, що випадає з розчину, в основному буде осідати на тих місцях поверхні пластин, де вже є дрібні часточки кристалічного сульфату.

Для процесу утворення сульфату під впливом коливання температури розчину характерно, що великі кристали сульфату утворюються повільно й не стільки на поверхні пластин, скільки в глибині пор активної маси. Це особливо шкідливо відбивається на позитивних пластинах, зношування яких у зв'язку із цим прискорюється.

5.2.2 Підвищена густина електроліту

Установлено, що всі несприятливі явища, що сприяють сульфатації, підсилюються при підвищеній густині. Тим часом у деяких випадках при виявленні акумуляторів зі зниженою густиною електроліту, не замислюючись над причинами такого зниження, доливають в акумулятор розчин сірчаної кислоти замість води. Цього робити не можна, тому що зниження питомої ваги розчину в деяких акумуляторів найчастіше пов'язане з явищем часткової сульфатації й вимагає не долівки електроліту, а лікування акумулятора - усунення сульфатації, що почалася.

При черговому зрівняльному або контрольному розряді у такого акумулятора густина електроліту звичайно виявляється значно вище, ніж в інших акумуляторів.

5.2.3 Знижений рівень електроліту в акумуляторах

Електроліт повинен завжди покривати пластини так, щоб їхня верхня частина не оголювалася. Якщо внаслідок недогляду рівень електроліту на тривалий час понизиться настільки, що верхня частина пластин виявиться на відкритому повітрі, то ця частина пластини через якийсь час може зробитися непридатною внаслідок глибокого саморозряду.

При тривалому знаходженні на повітрі особливо страждають мінусові пластини, активна маса яких перетворюється в рідку кашку, що виповзає через перфорацію й падає на дно посудини.

Розглянемо тепер причини сульфатації, викликані неправильним режимом роботи або утриманням акумуляторів.

5.2.4 Тривале перебування акумуляторів у вирядженому або недозарядженому стані

Заряд виряджених акумуляторів необхідно почати не пізніше як через 12 й у крайньому випадку 24 годин після закінчення розряду. Але якщо виряджені на 50% або, тим більше, повністю виряджені акумулятори залишати довгий час без заряду, то виникає сульфатація. Особливо інтенсивний процес сульфатації губчатого свинцю в негативних пластин. Тут безліч дрібних часточок цього свинцю (невикористаного при розряді) внаслідок великої поверхні зіткнення з кислотою поступово сульфатуються. При цьому відбувається зовні малопомітне виділення водню. Чим вище температура й густина електроліту, тим цей процес протікає з більшою інтенсивністю. Тривале, обчислювальне місяцями (при зберіганні) перебування акумуляторів не тільки у вирядженому, але й у недозарядженому стані, веде до втрати ємності через виникнення крупнокристалічного сульфату в активній масі пластин обох полярностей.

Способи боротьби з недозарядами прості - треба дотримувати найважливіше для акумуляторів правило: заряд акумуляторів повинен бути повним і повинен перевірятися по всіх ознаках - по кількості отриманої при розряді й повернутої при заряді ємності (з урахуванням коефіцієнта віддачі), по тривалій сталості напруги й густині розчину електроліту наприкінці заряду, а коли заряд ведеться до напруг вище 2,4 В на акумулятор - ще й по рівномірному "кипінню" пластин обох полярностей.

5.2.5 Часті глибокі розряди

При експлуатації акумуляторів у режимі заряд-розряд найкращі результати для запобігання сульфатації одержують, якщо ємність, що систематично знімається з них, не перевищує 75…80% від номінальної. З тих же міркувань в акумуляторній батареї, використовуваної в буферному режимі, ємність, знята при аварійному розряді, повинна бути по можливості скоріше відновлена, й батарея відразу переводиться в режим заряду.

5.2.6 Часті заряди струмом великої величини

При заряді акумуляторів струмом великої величини не весь сульфат на пластинах устигає розкластися, тому що електрохімічні реакції вимагають досить великого часу для їхнього здійснення. При великій силі зарядного струму ознаки кінця заряду (сталість напруги й питомої ваги електроліту) можуть наступити до того, як закінчиться повне відновлення сульфату на пластинах обох полярностей.

У порах активної маси пластин при великих зарядних струмах сильно й інтенсивно підвищується густина електроліту. У концентрованому розчині сульфат, не розкладаючись, легко розчиняється, а при наступному розряді у зв'язку зі зменшенням його концентрації в порах сульфат випадає з розчину у вигляді кристалів, які при звичайному заряді не переходять у губчатий свинець і двоокис свинцю. Таким чином, кількість активної маси зменшується, ємність акумулятора теж.

Питання для самоконтролю

1. Чому глибока сульфатація може зробити акумулятор непрацездатним?

2. Ознаки ненормальної сульфатації.

3. Причини виникнення сульфатації пластин.

4. Назвіть причини сульфатації, викликані неправильним режимом роботи або утриманням акумуляторів.

6. Способи усунення сульфатації

Акумулятори, які треба лікувати, щоб усунути ненормальну сульфатацію, повинні бути попередньо ретельно обстежені для встановлення того, що причина сульфатації не в забрудненні електроліту. Інакше всі описувані нижче способи усунення сульфатації можуть виявитися безрезультатними, а вся пророблена робота, що вимагає багато сил і великого часу, даремною. Потім попередньо варто переконатися, що в акумуляторів немає коротких замикань. Якщо такі будуть виявлені, то їх треба усунути до початку застосування будь-якого способу лікування.

6.1 Спосіб перезаряду акумуляторів слабким струмом

Може бути застосований при незастарілій і неглибокій сульфатації. При такому заряді акумулятора першим етапом є перехід сульфату із пластин у розчин, де вже він піддається хімічному розкладанню. Інтенсивність розчинення тим слабкіше, чим менше поверхня кристалів у порівнянні з їхньою масою. У зв'язку із цим перехід сульфату в розчин й, отже, сам процес десульфатації - це процес відносно повільний, і тому його треба вести, посилаючи в акумулятор дуже тривалий час (обчислювальний багатьма добами) струм невеликої величини. При цьому способі десульфатації повинні виконуватися наступні операції.

Акумулятори доливають водою вище звичайного рівня й включають на заряд струмом 10-годинного заряду. У такому режимі заряд ведуть до початку помітного газоутворення (звичайно до 2,4 В на акумулятор). Потім акумулятори виключають і дають спокій на 1 годину, щоб дати можливість вийти газам з пор активних мас пластин. Повторне включення на заряд струмом, в 10 разів меншим, ведеться звичайно кілька діб. Зниження струму майже повністю усуває виділення газів у порах активної маси пластин і полегшує поступовий перехід сульфату в губчатий свинець і двоокис свинцю на пластинах.

Коли весь сульфат на плюсових і мінусових пластинах буде переведений в активну масу, виникне "кипіння" акумулятора, що підсилюється, а напруга його буде рости до деякої величини. Припинення росту напруги й питомої ваги електроліту (протягом останніх 10 годин) свідчить про закінчення процесу десульфатації.

Цим способом практично удається перевести весь сульфат в активну масу протягом декількох діб, кількість яких визначалася ступенем сульфатації. Ефективність способу залежить не стільки від кількості сульфату, скільки від його застарілості. При застарілій сульфатації він може не дати очікуваних позитивних результатів.

6.2 Усунення ненормальної сульфатації за допомогою глибокого розряду акумуляторів малим струмом

Цей спосіб принципово відрізняється від всіх відомих способів тим, що базується на тривалому розряді акумуляторів малими струмами при наступному заряді струмом нормальної величини. Всі інші способи, які дотепер були відомі, передбачають як основний засіб тривалий заряд акумуляторів малими струмами.

При тривалому глибокому розряді "хворого" акумулятора малими струмами з наступним зарядом створюються умови, що сприяють введенню в дію більш глибоких шарів активної маси. Одночасно із цим відбувається на початку повільне, а потім формування, що підсилюється, шарів тієї частини активної маси пластин, що лежить під кіркою сульфату. Зазначений процес починається з боків кірки й поступово поширюється під нею. Він приводить до відпадання застарілого сульфату, у результаті чого оголюється нова частина поверхні пластин, що формується й включається в роботу; ємність акумулятора зростає.

Шляхом проведення декількох циклів розряду малим струмом і нормальним зарядом з перезарядом ємність акумуляторів може бути повністю відновлена. Такі "лікувальні" цикли заряд - розряду повинні проводитися в наступному порядку.

Спочатку хворий акумулятор стандартно заряджають до напруги 2,4 В, потім струм заряду знижують в 5 разів. Після того, як напруга акумулятора, а також густина електроліту досягнуть стабільних значень і збережуть їх протягом години, заряд припиняють і залишають акумулятор у спокої на одну годину. Потім знову його заряджають малим струмом доти, поки електроліт не "закипить", а напруга акумулятора не перестане підвищуватися. Далі ще раз роблять перерву на 1 годину і повторюють заряд малим струмом. Число таких зарядів з перервами звичайно не перевищує трьох. Припиняють їх тоді, коли при черговому включенні акумулятора на заряд малим струмом електроліт починає "кипіти" не пізніше чим через 30...40 с, а напруга незабаром досягає величини, що спостерігалася наприкінці попереднього заряду (до останньої перерви).

По закінченні заряду акумулятор розряджають струмом, рівним 0,01...0,02 ємності. Розряд ведуть доти, поки напруга акумулятора не знизиться до 1,75 В. Потім розряд припиняють, а після 1 години перерви акумулятор знову починають заряджати, як було зазначено вище.

Число лікувальних циклів залежить від величини втрати ємності акумуляторами. Вдавалося після 7...8 таких циклів повністю відновити працездатність акумуляторів, які втратили 40...50% своєї номінальної ємності. Ознакою, що показує, що "лікування" акумулятора закінчене, може служити фактична ємність, що віддається їм під час останнього лікувального розряду малим струмом.

Характерним для даного способу є те, що, чим більше втрата ємності, тим більший ефект виходить від першого циклу лікування. Якщо в акумуляторів, що втратили 60% ємності, перший цикл лікування збільшував їхню фактичну ємність на 8...10%, то наступні цикли давали вже деяке зменшення росту ємності, який до кінця лікування становив 3...5%.

...