К выполнению лабораторной работы №8

ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

ИНСТРУКЦИЯ

К выполнению лабораторной работы №8

на тему: «Исследование основных типов, методик зарядки и устройства зарядных схем свинцово-кислотных аккумуляторных батарей».

по дисциплине: « Узлы приборов систем безопасности ».

Минск 2014г

1 Цель и задачи работы.

1.1 Цель работы:

Исследование основных типов, методик зарядки и устройства зарядных схем свинцово-кислотных аккумуляторных батарей

1.2 Задачи работы:

Усвоить необходимый массив данных по схемам, алгоритмам узлов зарядных схем и зарядных устройств. Получить практические навыки проверки и использования аккумуляторных батарей.

1.3 Подготовка к работе:

Изучить теоретическую часть. Изучить технические описания и инструкции по эксплуатации применяемых в устройствах систем безопасности аккумуляторных батарей. Ответить на контрольные вопросы. Ознакомиться со своим вариантом задания.

Теоретическая часть.

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея.

Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор (СКА) был изобретен в 1859 г. французским ученым Гастоном Планте. Его конструкция представляла собой электроды из листо-вого свинца, разделенные сепараторами из полотна, которые были свернуты в спираль и помещены в сосуд с 10 % раствором серной кислоты. Недостатком первых свинцово-кислотных аккумуляторов была их низкая емкость. Первоначально для ее увеличения проводили большое число циклов заряда-разряда. Для достижения существенных результатов требовалось до двух лет таких тренировок. Причина недостатка была явной — конструкция пластин. Поэтому дальнейшее совершенствование конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов было направлено на совершенствование конструкции используемых в них пластин и сепараторов.

В результате плодотворной работы на протяжении более 100 лет и в целях безопасной и экологически более чистой эксплуатации в 70-е годы 20-го столетия были изобретены необслуживаемые герметичные СКА. Они нашли широкое применение в устройствах систем безопасности и жизнеобеспечения.

Рисунок. Основные типы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи до сих пор остаются самыми надежными, долговечными и не требующими высоких эксплуатационных затрат химическими источниками тока. В настоящее время производятся и активно эксплуатируются аккумуляторные батареи трех поколений:

1. Батареи первого поколения — батареи с жидким электролитом открытого или закрытого типа, имеющие емкость от 36 до 5328 Ач и срок службы от 10 до 20 и более лет. Батареи открытого типа не имеют крышек, и электролит непосредственно соприкасается с открытым воздухом. Основные затраты при их эксплуатации — это затраты на обслуживание, связанные с необходимостью частой доливки дистиллированной воды, и расходы на содержание хорошо вентилируемых помещений, в которых их устанавливают. Батареи закрытого типа имеют специальные пробки, обеспечивающие задержку аэрозоли серной кислоты. Пробки для заливки электролита и добавления воды при эксплуатации вывинчиваются. Батареи закрытого типа могут быть и необслуживаемыми: от производителя они поставляются залитыми и заряженными, и в течение срока службы нет необходимости доливки воды, т. к. конструкция пробок таких батарей обеспечивает удержание ее паров в виде конденсата. Кроме использования в качестве стационарных, батареи закрытого типа являются основным типом батарей, используемых в автотракторной технике в качестве стартерных и тяговых.

2. Батареи второго поколения, которыми являются герметизированные гелевые батареи. В них вместо жидкого электролита используется гелеобразный, представляющий собой желе, полученное в результате смешивания раствора серной кислоты с загустителем (обычно это двуокись кремния SiO2 — силикагель). Технология производства гелевых батарей получила название GEL. Гелевые батареи в течение всего срока эксплуатации не нуждаются в обслуживании, их нельзя вскрывать. Для их подзаряда необходимо использовать зарядные устройства, обеспечивающие нестабильность напряжения заряда не хуже ±1 % для предот-вращения обильного газовыделения. Такие аккумуляторные батареи критичны к температуре окружающей среды.

3. Батареи третьего поколения — это герметизированные батареи с абсорбированным сепараторами электролитом. Часто их называют батареями, собранными по AGM-технологии. AGM — Absorbed in Glass Mat, т. е. технология, при которой электролит абсорбирован в сепараторах из стекловолокна, размещенных между электродами. Такой сепаратор представляет собой пористую систему, в которой капиллярные силы удерживают электролит. При этом количество электролита дозируется так, чтобы мелкие поры были заполнены, а крупные оставались свободными для свободной циркуляции выделяющихся газов. По своим свойствам AGM батареи подобны гелевым, за исключением того, что газообразование в них существенно меньше, и меньшее влияние на их работу оказывает температура окружающей среды. Как и для гелевых аккумуляторных батарей, для них требуются зарядные устройства, обеспечивающие нестабильность напряжения заряда не хуже +1 %.

В зависимости от глубины разряда и рабочей температуры ресурс или срок службы свинцово-кислотной батареи может составлять от 1 года до 20 и более лет. Кроме того, в значительной мере срок службы определяется конструкцией элементов батареи.

Существует несколько способов увеличения емкости и срока службы свинцово-кислотных батарей. Оптимальная рабочая температура для таких батарей составляет 25 °С, и ее увеличение на каждые 10 °С сокращает срок службы батареи наполовину. Например, VRLA батарея при температуре 25 °С может работать 10 лет, а при температуре 33 °С — только 5 лет, ну а при температуре 42 °С — всего лишь 1 год.

Преимущества свинцово-кислотных батарей:

• дешевизна и простота производства — по стоимости 1 Вт • ч энергии эти батареи являются самыми дешевыми;

• отработанная, надежная и хорошо понятная технология обслуживания;

• малый саморазряд самый низкий по сравнению с аккумуляторными батареями других типов;

• низкие требования по обслуживанию — отсутствует «эффект памяти», не требуется доливки электролита;

• допустимы высокие токи разряда.

Недостатки свинцово-кислотных батарей:

• не допускается хранение в разряженном состоянии;

• низкая энергетическая плотность — большой вес аккумуляторных батарей ограничивает их применение в стационарных и подвижных объектах;

• допустимо лишь ограниченное количество циклов полного разряда;

• кислотный электролит и свинец оказывают вредное воздействие на окружающую среду;

• при неправильном заряде возможен перегрев.

Свинцово-кислотные батареи имеют настолько низкую энергетическую плотность по сравне-нию с другими типами батарей, что это делает нецелесообразным использование их в качестве источников питания переносных устройств. Хотя примеры их применения в портативной элек-тронной технике есть. Кроме того, при низких температурах их емкость существенно снижается.

Метод плавающего заряда

Заряд называется плавающим в том случае, если аккумуляторная батарея подключена парал-лельно нагрузке, и он происходит постоянно. Упрощенная схема подключения батареи (не показано устройство контроля процесса заряда) представлена на рис. 3.11.

Рисунок 3.11. Система с зарядкой батареи методом плавающего заряда

При такой схеме включения особые требования предъявляются к выпрямителю источника питания. Его выходной ток складывается из тока заряда аккумуляторной батареи и тока нагрузки. Нагрузочная способность источника питания должна быть настолько высокой, чтобы его выходное напряжение при максимальном токе нагрузки оставалось практически неизменным. Напряжение плавающего заряда выбирают из расчета 2, 23...2, 3 В на элемент батареи при температуре 20 " С. При изменении температуры в пределах -30...50 °С оно может изменяться

от 2, 55 до 2, 15В соответственно. Источник питания должен быть стабилизированным, и колебания напряжения не должны превышать 30 мВ на элемент.

Восстановительный заряд

В случае, если произошел глубокий разряд батареи, необходимо срочно произвести ее восстановительный заряд. Сделать это следует как можно быстрее, т. к. хранение сильно разряженной свинцово-кислотной батареи приводит к сульфатации ее пластин и снижению емкости или вообще к ее выходу из строя. Восстановительный заряд проводят при постоянном напряжении заряда и начальном токе заряда, равном 0, 1...0, 25С в течение 24 часов. Вид его зарядной характеристики показан на рис. 3.12.

Рисунок 3.12. Вид характеристики восстановительного заряда

Если батарея сульфатирована, она плохо «берет» заряд. При незначительной сульфатации с ней можно бороться. Для этого используют метод заряда асимметричным током. Принцип его прост: параллельно аккумуляторной батарее подключают нагрузку, и заряд происходит импульсами тока. Во время действия импульса зарядного тока происходит заряд батареи, а когда он не действует, батарея разряжается на нагрузку

Задание по лабораторной работе.

3.1 Ознакомиться с задачами, изучить теоретическую часть;

3.2 Изучить особенности функционирования схемы лабораторной установки;

3.3 В соответствии со своим вариантом задания (таблица 3.8) рассчитать параметры

пассивных элементов зарядного устройства и сопротивление Rн при работе устройства

на нагрузку от резервной аккумуляторной батареи в течение заданного времени;

3.4 Составить отчет где сделать свои выводы.

3.5 Исходные данные для расчета:

· Uсети = 220В +10\-15%; Uвх.ном. = +20В; Uвых.1 = 14, 5В; Uвых.2 = 13, 5В;

· Uд пр. = 1, 2В; Uс порог. = 4В; Iуст = 1мА; Uаб = 12, 7В; Uаб мин. = 10, 4В;

· R1 = 240 Ом; R9 = 1 Ом; Uоп = 5В; R5 = R6 = 100kOm; Uсд = 2В; Iсд = 0, 01А;

3.6 Общие указания по лабораторной работе:

1 Взяв за основу метод многоступенчатого (двухступенчатого) заряда, используя указания и формулы из теоретической части рассчитать номиналы следующих резисторов:

· R2, R3, R4, R5, R6, R7, R11, R12, R13, R14, Rн;

· Uвых.1 = Uоп _*(1 + R₁/ R₂) + Iуст._*R2;

· Uвых.2 = Uоп _*(1 + R₁/ R₃) + Iуст._*R3;

· R4 = Uаб / Iразр.; Iразр.= Саб / Трез.;

· R7 = Uс порог./ I_R_5-_R₆;

· R11 = 100kOm; R12 = Udd / I_R11-R12;

· R13 = R14 = (Udd – Uсд) / Iсд;

· Rн = Uаб / Iразр.

2 По справочникам выбрать типы резисторов, реле и супервизор;

3 Полученные результаты записать в таблицу.

Таблица 3.8

№вар.
Саб А/ч	0, 2	0, 3	0, 4	0, 5	0, 6	0, 7	0, 8	0, 9	1, 0	1, 1	1, 2
Трез, ч
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R11
R12
R13
R14
Rн

Контрольные вопросы:

1. Основные типы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (СКАБ);

2. Преимущества и недостатки свинцово-кислотной аккумуляторной батареи;

3. Зарядные и разрядные характеристики (кривые) СКАБ;

4. Основной алгоритм заряда СКАБ;

5. Алгоритм метода заряда СКАБ постоянными токами и напряжениями;

6. Алгоритм двухступенчатого метода заряда СКАБ;

7. Алгоритм компенсационного метода заряда СКАБ;

8. Алгоритм плавающего метода заряда СКАБ;.

9. Особенности эксплуатации СКАБ;

10. Простое зарядное устройство СКАБ;

11. Зарядка СКАБ асимметричным током;

12. Зарядные устройства СКАБ на основе специализированных микросхем.

Содержание отчета по лабораторной работе.

4.1 Цели и задачи лабораторной работы;

4.2 Схема лабораторной установки;

4.3 Ответ на контрольный вопрос в соответствии со своим вариантом;

4.4 Таблица расчета и расчеты элементов источника электропитания;

4.5 Выводы.

Литература

1. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы, - Москва, Изумруд, 2003, 224с.: ил.