Основные электрические и технические характеристики свинцовых стартерных аккумуляторных батарей.

15.1. Электрические характеристики:

Электродвижущая сила

Электродвижущая сила (ЭДС) аккумулятора - разность потенциалов положительной и отрицательной пластин при разомкнутой внешней цепи:

(15.1)

где и - соответственно потенциалы положительной и отрицательной пластин, В. ЭДС аккумуляторной батареи, состоящей из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов, равна сумме ЭДС этих аккумуляторов.

ЭДС аккумулятора зависит от физико-химических свойств веществ, принимающих участие в электрохимических процессах, и не зависит от размеров пластин и количества активных масс и электролита. При изменении плотности электролита в процессе разряда и заряда ЭДС аккумулятора также изменяется (рис. 1).

ЭДС свинцового аккумулятора приближенно определяется по эмпирической формуле:

(15.2)

где - плотность электролита при температуре +25°С, г/см³.

Рис. 15.1. Изменение ЭДС и потенциалов пластин свинцового аккумулятора в зависимости от плотности электролита

Напряжение при разряде и заряде

Напряжение аккумулятора - разность потенциалов положительной и отрицательной пластин при замкнутей внешней цепи, т.е. при разряде или заряде.

Напряжение аккумулятора при разряде составляет

где - сила тока разряда, А;

- внутреннее сопротивление аккумулятора при разряде, Ом.

Напряжение аккумулятора при заряде равно

где - сила тока заряда, А;

- внутреннее сопротивление аккумулятора при заряде, Ом.

Внутренне сопротивление аккумулятора – сопротивление, оказываемое аккумулятором прохождению внутри него электрического тока при заряде или разряде.

Внутренне сопротивление аккумулятора составляет

где - сопротивление пластин, сепараторов, электролита, токоведущих деталей, Ом;

- сопротивление поляризации, появляющееся при изменении потенциалов пластин при прохождении тока, Ом.

Внутреннее сопротивление свинцового аккумулятора в заряженном состоянии невелико и составляет тысячные доли Ома. В разряженном состоянии внутреннее сопротивление аккумулятора увеличивается более чем в два раза вследствие превращения губчатого свинца и диоксида свинца, имеющих удельное электрическое сопротивление соответственно и , в сульфат свинца с удельным сопротивлением . Изменение напряжения свинцового аккумулятора при разряде и заряде его постоянным током показано на рис. 2.

В начале заряда происходит скачок напряжения на величину омических потерь аккумулятора, а затем резкое повышение напряжения за счет повышения сопротивления поляризации из-за увеличения плотности электролита в порах активной массы. Далее происходит медленный рост напряжения, обусловленный в основном ростом ЭДС аккумулятора вследствие увеличения плотности электролита и превращения сульфата свинца в диоксид свинца на положительной пластине и губчатый свинец на отрицательной пластине.

В конце заряда происходит резкое повышение напряжения за счет увеличения разности потенциалов пластин при электролизе воды. Затем рост плотности электролита и напряжения при заряде практически прекращается, так как практически весь сульфат свинца прореагировал и подводимая к аккумулятору энергия расходуется только на электролитическое разложение воды (" кипение" ). После прекращения заряда напряжение на выводах аккумулятора снижается до значения его ЭДС.

Рис. 15.2. Изменение напряжения аккумулятора во времени при заряде и разряде.

В начале разряда напряжение аккумулятора резко падает на величину омических потерь и поляризации, обусловленной снижением плотности электролита в порах активной массы. Далее происходит постепенное снижение напряжения аккумулятора из-за уменьшения плотности электролита в процессе разряда и образования сульфата свинца на пластинах. При этом частицы сульфата свинца, имеющего примерно в 3 раза больший объем по сравнению с частицами свинца и диоксида его, закрывают поры активной массы и препятствует прохождению электролита в глубину пор пластин.

В конце разряда происходит резкое снижение напряжении из-за превращения свинца и диоксида свинца в сульфат свинца и резкого повышения сопротивления аккумулятора. При прекращении разряда напряжение на выводах аккумулятора быстро повышается до значения ЭДС.

На характер протекания кривой разрядного напряжения по времени влияют температура разряда и сила разрядного тока. При понижении температуры электролита, особенно ниже 0°С, резко увеличивается вязкость электролита и сопротивление его. С увеличением вязкости уменьшается скорость диффузии электролита из наружных слоев в поры активной массы. Кроме того, удельное сопротивление электролита при изменении температуры от 0°С до -30°С увеличивается в 2, 5 раза. Поэтому напряжение аккумуляторной батареи при разряде резке, снижается с понижением температуры электролита, при увеличении разрядного тока изменение напряжения во времени становится более резким (рис. 3). Особенно сказывается на понижении напряжения аккумулятора совместное действие температур ниже 0°С и большого разрядного тока, характерных для пуска двигателя стартером зимой.

Рис. 15.3. Изменение напряжения аккумуляторной батареи 6СТ-190 в течение разряда стартерным током 500 А при различных температурах электролита

Емкость при разряде и заряде

Емкость аккумулятора при разряде - количество электричества, выраженное в ампер-часах, которое можно получить от аккумулятора при данных условиях разряда (температура, сила тока разряда, плотность электролита) до определенного значения напряжения аккумулятора.

Разряд аккумулятора при определении емкости не допускается до нулевого значения напряжения, так как при глубоком разряде сульфат свинца закупоривает поры пластин, электролит не проникает в глубину пор, в активной массе пластин появляются трещины.

При определении емкости аккумуляторов разряд проводится обычно при постоянной силе тока. Емкость рассчитывается по следующей формуле:

(15.3)

где - емкость аккумулятора при разряде, ;

- время разряда, ч.

Емкость аккумуляторной батареи при последовательном соединении аккумуляторов равна емкости одного аккумулятора.

Емкость аккумулятора в первую очередь зависит от количества активной массы и электролита, а также от степени их использования, Теоретически необходимое количество активных материалов для получения одного ампер-часа емкости составляет 4, 46 г диоксида свинца, 3, 87 г губчатого свинца и 3, 66 г серной кислоты. В действительности из-за низкой степени использования активных материалов их количество в реальном аккумуляторе превышает более чем в 2 раза теоретически необходимое.

Кроме того, на емкость аккумулятора влияет режим разряда, температура электролита, разреженность, толщина и пористость пластин, степень их износа, плотность электролита и другие факторы.

С повышением силы тока время разряда, а следовательно и емкость, отдаваемая батареей, уменьшаются. Связь между силой разрядного тока и временем разряда батареи выражается зависимостью, предложенной Пейкертом:

где к – постоянная величина, не зависящая от емкости и характеризующая тип аккумулятора: для свинцового аккумулятора к = 1, 4.

При стартерном режиме разряда образующийся на пластинах мелкокристаллический сульфат свинца закупоривает поры наружного слоя активной массы, внутренние слои активной массы не участвуют в реакции. Концентрация электролита в порах резко снижается, так как процесс диффузии электролита затрудняется. В результате значительного увеличения внутреннего сопротивления аккумулятора напряжение его резко падает, что ограничивает отдаваемую емкость (рис. 15.1).

С понижением температуры разрядная емкость аккумулятора падает, так как увеличивается вязкость электролита, поступление его к пластинам становится недостаточным и, кроме того, при низких температурах скорость окислительно-восстановительных реакций значительно замедляется. Емкость положительных и отрицательных пластин изменяется в зависимости от температуры не в одинаковой степени: при низких температурах емкость отрицательной пластины падает резче, чем положительной, при положительной температуре емкость аккумулятора ограничивается емкостью положительной пластины. При низкой температуре происходит усадка губчатого свинца, снижается, пористость отрицательной пластины, поэтому падает ее отдаваемая емкость.

На разрядную емкость аккумулятора влияет также плотность электролита, которая определяет потенциал пластин, сопротивление электролита и его вязкость, влияющую всвою очередь на способность электролита проникать в глубокие слои активной массы пластин. В процессе разряда плотность электролита уменьшается и вконце разряда к активной массе пластин поступает недостаточное для реакции количество серной кислоты, в результате напряжение аккумулятора резко падает, тем больше разница между концентрациями электролита впорах пластин и межэлектродном пространстве, тем интенсивнее процесс диффузии кислоты в поры активной массы. С этой точки зрения применение электролита повышенной плотности привело бы к увеличению разрядной емкости. Но с увеличением плотности электролита увеличивается его вязкость и уменьшается скорость диффузии, что дает отрицательный эффект иснижает напряжение аккумулятора. Установлено, что наибольшую емкость имеет аккумуляторная батарея с плотностью элек тролита 1, 27...1, 29 г/см3.

Рис.15.4. Зависимость емкости аккумуляторной батареи 6СТ-110А от силы разрядного тока при разных температурах

Разрядная емкость зависит от пористости активной массы электродов, количественно определяющейся объемом пор в единице объема активной массы. Пористость электродов различна в зависимости от состава и структуры активной массы и степени разряженности аккумулятора. Образующийся при разряде сульфат свинца менее плотен, чем свинец или двуокись свинца, и занимает больше пространства по сравнению с ними. Объем пластин остается практически тем же, увеличение объема активного материала во время разряда происходит па счет уменьшения сечения пор. При этом происходит ухудшение диффузии электролита, увеличение внутреннего сопротивления и, как результат, снижение отдаваемой емкости.

Емкость аккумулятора при разряде небольшими токами возрастает при увеличении толщины активного материала электродов при условии достаточной пористости, обеспечивающей доступ электролита в глубину активной массы. При токах стартерного режима разряда использование активной массы ограничивается слоями, которые, находятся в непосредственном контакте с электролитом в межэлектродном пространстве. Емкость при таком режиме зависит от площади электродов, а не от толщины их.

Емкость аккумулятора при заряде - количество электричества, выраженное в ампер-часах, полученное аккумулятором при заряде:

при

где - время заряда, ч.

Энергия, мощность и отдача аккумулятора

Энергия аккумулятора – произведение ее разрядной (или зарядной) емкости на среднее напряжение разряда (или заряда):

где и - энергия при разряде и заряде, Втч;

и - среднее значение разрядного и зарядного напряжения, В.

Среднее значение напряжения определяется как среднее арифметическое значение напряжений, измеренных через равные интервалы времени:

где n – число замеров напряжения при разряде или заряде аккумулятора.

Для сравнения различных аккумуляторных батарей используются удельные характеристики, т.е. величины энергии, отнесенные к единице массы или объема аккумуляторной батареи.

Для современных свинцовых стартерных аккумуляторных батарей удельная энергия в длительном режиме разряда составляет 25...40 Втч/кг и 50...90 Втч/дм3.

Мощность аккумулятора - количество энергии, отдаваемое аккумулятором в единицу времени и выраженное в ваттах:

Отдача по емкости (электрохимический КПД) – отношение емкости, полученной при разряде аккумулятора, к емкости, сообщенной ему при заряде:

Отдача по энергии (энергетический КПД):

Отдача по энергии определяет способность аккумулятора возвращать при определенных условиях сообщаемую ему при заряде энергию. При увеличении силы тока разряда и снижении температуры электролита отдача аккумулятора уменьшается.

15.2. Технические характеристики свинцовых стартерных аккумуляторных батарей:

Технические характеристики отечественных свинцовых стартерных аккумуляторных батарей приведены в соответствии с ГОСТ Р 53165-2008 «Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники».

Основными техническими характеристиками являются номинальная и резервная емкости, ток холодной прокрутки, срок службы батареи.

Номинальная емкость батареи является одним из контрольных параметров состояния батареи. Номинальная емкость – количество электричества в ампер-часах, которое получено при разряде полностью заряженной батареи током, равным 0, 05С₂₀ (где С₂₀ – номинальная емкость при 20-часовом режиме разряда, указанная в маркировке батареи), при температуре +25⁰С до достижения конечного напряжения на полюсных выводах 12-вольтовой батареи 10, 5В.

Если температура электролита отличается от +25⁰С, то полученная емкость должна быть приведена к емкости при температуре +25⁰С по формуле:

(15.4)

где C_t – емкость, полученная при разряде, Ач;

t⁰ _э– температура электролита при разряде, ⁰С.

Резервная емкость аккумуляторных батарей характеризует запас энергии батареи для питания потребителей в случае выхода из строй генератора на транспортном средстве. Резервная емкость – продолжительность разряда (в минутах) полностью заряженной батареи постоянным током 25А при температуре 25⁰С до достижения конечного напряжения на полюсных выводах 10, 5В.

Ток холодной прокрутки является показателем, оценивающим стартерные свойства свинцовых батарей. Разряд током холодной прокрутки, которой указывается изготовителем батареи, проводится в течении 30 секунд при температуре -18⁰С регистрацией напряжения на полюсных выводах на 10-й и 30-й секундах разряда, которое должно составлять не менее 7, 5 и 7, 2В соответственно.

Для свинцовых стартерных батарей, работающих в условии холодного климата, испытание током холодной прокрутки производится при температуре -30⁰С.

В настоящее время на моноблоках или крышках отечественных батарей дополнительно указываются параметры в соответствии с европейским стандартом EN 50342+А1: номинальная емкость, резервная емкость и ток холодной прокрутки. Если два первых параметра соответствуют отечественному стандарту, то ток холодной прокрутки по европейскому стандарту – это ток разряда батареи при -18⁰С на 10-й секунде разряда при напряжении на полюсных выводах 7, 5В.

Срок службы аккумуляторных батарей определяется продолжительностью эксплуатации (пробег или моточасы) до момента снижения емкости ниже 40% от номинальной или снижения продолжительности стартерного разряда током менее 1, 5 мин при температуре +25⁰С до конечного напряжения на полюсных выводах 9, 0В.

В соответствии с ГОСТ Р 53165-2008 срок службы традиционных батарей в эксплуатации должен составлять не менее 24 месяцев при пробеге не более 90 тыс. км или наработке 3000 моточасов. Срок службы малообслуживаемых батарей в эксплуатации должен составлять не менее 48 месяцев при пробеге не более 100 тыс. км.

Реальный срок службы свинцовых стартерных аккумуляторных батарей зависит от исправности работы системы электрооборудования, условий и режимов эксплуатации транспортного средства, периодичности и качества технического обслуживания изделий электрооборудования и аккумуляторной батареи.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒