Аккумуляторные батареи. Конспект лекций
конспект лекций
по теме
АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ
Аккумуляторная батарея была изобретена в 1860 году французом Гастоном Планте. С тех пор прошло почти 140 лет, однако ничего лучшего, чем свинцовая аккумуляторная батарея пока не изобретено. Усовершенствована только её конструкция. Щелочной аккумуляторный элемент (изобретённый в 1900 году Томасом Эдисоном) повышенное внутреннее сопротивление и поэтому характеристики их стартерного режима хуже. В настоящее время на автомобилях повсеместно применяются свинцовые аккумуляторные батареи.
Батарея состоит из набора последовательно включенных аккумуляторов с напряжением каждого из них около 2-х Вольт. Суммарное напряжение такой батареи составляет примерно 12 Вольт (в зависимости от степени зарядки). Каждый элемент батареи имеет положительные и отрицательные пластины, погруженные в сернокислый электролит. Активная масса, состоящая в полностью заряженном аккумуляторе на положительных пластинах из перекиси свинца, РЬО2, а на отрицательных - из чистого губчатого свинца РЬ, при разрядке элемента переходит в сернокислый свинец PbSO4. Эта схема показывает, что при разрядке в электролите поглощается серная кислота и выделяется вода, вследствие чего плотность электролита уменьшается. При зарядке, наоборот, благодаря поглощению воды и выделению серной кислоты плотность электролита повышается. Изменение плотности электролита при разрядке и зарядке служит одним из признаков, по которым в эксплуатации определяют степень разрядки аккумулятора.
Батареи набираются из пластин, основой которых является решетка, отлитая из свинца с примесью 6-7% сурьмы. Сурьма добавляется для повышения механической прочности и увеличения текучести сплава при заливке формы. Активная масса изготовляется из свинцового порошка, окисляющегося при размоле; в активную массу положительных и отрицательных пластин вводятся различные добавки, предназначенные для увеличения .files/image002.gif)
пористости готовых пластин. Порошкообразные составные части замешиваются с серной кислотой и образуют пасту, которая вмазывается в ячейки решетки. Намазанные пластины подсушиваются и затем «формируются» в электролитической ванне. При формировании активная масса пластин превращается на положительных пластинах в перекись свинца PbO2, на отрицательных - в металлический губчатый свинец РЬ. Готовые пластины сушатся, причем отрицательные пластины во избежание окисления губчатого свинца должны быть высушены быстро, лучше всего в вакууме. В зависимости от емкости в аккумуляторе применяется больше или меньше одноименных пластин
Напряжение свинцового аккумулятора, находящегося в покое, почти не зависит от степени разрядки пластин, но изменяется с изменением плотности электролита. Напряжение можно определить по упрощенной формуле:
Е0 = 0,84 + r,
где r - плотность электролита при 15° С. Для стартерных аккумуляторов, в которых плотность электролита обычно колеблется от 1,11 до 1,27 г/см3, э. д. с. покоя изменяется соответственно от 1,95 до 2,11 в.
Можно наоборот, по напряжению определить плотность, не пользуясь ареометром. Потребуется только достаточно точным вольтметром (лучше с цифровой шкалой) измерить напряжение на клеммах батареи при неработающем двигателе. Например, напряжение оказалось 12,66 вольт. Следовательно, на одну банку приходится в шесть раз меньше - 2,11 вольт. Теперь отнимаем 0,84 и получаем значение плотности, равное 1,27! Чем точнее вольтметр, тем точнее измерения. Этот способ измерения плотности я всегда использую при оценке состояния необслуживаемых батарей. В таких батареях подчас не делается заливных горловин и ареометром воспользоваться невозможно.
Сейчас для изготовления электродов батарей применяются различные материалы на основе свинцовых сплавов. Исследования батарей с такими решетками выявили их высокую чувствительность к глубоким разрядам. Позднее были разработаны батареи, в которых решетки катодов изготавливаются из свинца, легированного сурьмой (1,25%) и кадмием (1,5%), а анодов - из свинцово-кальциево-оловянистого сплава. Правда, эти сплавы являются очень непрочными при физических нагрузках. Применение новых сплавов приводит к необходимости изменения технологии производства, поэтому некоторые зарубежные фирмы разработали технологию изготовления решеток с уменьшенным содержанием сурьмы и легирующими добавками. Батареи, собранные на этих решетках, называются «малообслуживаемыми» - их срок службы выше обычного, но они не чувствительны к глубоким разрядам, а газовыделение в несколько раз меньше. В необслуживаемых и малообслуживаемых батареях, помимо замены материала решеток, есть следующие конструктивные изменения: положительные электроды помещены в сепаратор - конверт; блок электродов помещен на дно моноблока, тем самым увеличено количество электролита при сохранении габаритов батареи; толщина электродов не превышает 1,9 мм, что позволяет увеличить их количество, т. е. снизить удельные токи, не меняя габариты батареи; применены сепараторы с меньшим удельным сопротивлением и более тонкие; соединение аккумуляторов осуществлено через перегородки моноблока. Сопротивление батареи уменьшается за счет того, что удельное, сопротивление решеток из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов, а также малосурьмянистых сплавов меньше, чем у решеток из обычного свинцово-сурьмянистого сплава.
Необслуживаемые батареи имеют следующие достоинства: лучшие пусковые качества (более высокое напряжение при неизменном токе); увеличенный срок службы; улучшенные зарядные характеристики; меньший саморазряд; уменьшение коррозии положительных электродов; отсутствие необходимости доливки воды в процессе эксплуатации. Полностью необслуживаемые батареи выпускаются в герметичном исполнении. Они не имеют заливных горловин и оборудованы специальным индикатором заряженности. При достижении определенного минимального уровня заряженности меняется цвет индикатора.
Подведём итог: батареи старых типов требовали обслуживания, поскольку часто «выкипала» вода, современные батареи называются необслуживаемыми, поскольку никакого выкипания не происходит вообще и обслуживать её не надо. Малообслуживаемые батареи представляют собой промежуточный вариант конструкции.
Для того, батарея служила как можно дольше без коррозии пластин, плотность электролита должна быть как можно ниже (в идеальном случае 1,23). Но с другой стороны, для запуска холодного двигателя зимой нужна плотность намного выше -1,31. Именно поэтому приходится искать "золотую середину". Плотность батареи в южных районах должна быть 1,25, в нашей климатической зоне - 1,27, на севере -1,29, а то и 1,31.
Чтобы аккумуляторная батарея служила долго и получала зарядный ток не больше и не меньше требуемого, необходимо поддерживать в норме напряжение в бортовой сети автомобиля. Оно зависит от регулировки реле-регулятора. Именно реле-регулятор даёт команду автомобильному генератору, добавить, либо уменьшить напряжение в сети при работе двигателя вашей машины. Вреден и перезаряд, и недозаряд аккумуляторной батареи. Все необходимые регулировочные данные приведены в таблице. Для нашей климатической зоны напряжение для большинства автомобилей должно быть 14,0-14,2. Отклонение даже на 0,5 вольта в любую сторону может иметь катастрофические последствия. При напряжении, равном 13,2 Вольт в сети при работающем двигателе аккумуляторная батарея разрядится за 1 неделю ежедневных поездок! Многие японские автомобили настроены на напряжение зарядки для тропического климата. И здесь можно посоветовать только обратиться в хороший автосервис для решения этой проблемы. Либо чаще ставить батарею на подзарядку.
Таблица
Рекомендуемое напряжение в бортовой сети автомобиля
| Районы | При наружной установке батарей напряжением в В | При подкапотной установке батарей напряжением в В | ||
| 6 | 12 | 6 | 12 | |
| Северные районы с морозами выше 40° С зимой | 7.5 | 15 | 7.3 | 14.5 |
| То же летом | 7.0 | 14.0 | 6.9 | 13.7 |
| Центральные районы с морозами не выше 30° С круглый год | 7.1 | 14.2 | 6.9 | 13.7 |
| Южные районы круглый год | 6.8 | 13.5 | 6.8 | 13.5 |
Возможные неполадки в работе
Если вы заметили, что стартер вращает двигатель с трудом, то для начала проверьте степень заряженности батареи ареометром или вольтметром (см. выше). Бывает, что батарея в порядке, а в плохом запуске виноват стартер или окислившиеся провода. Если же батарея разрядилась, то проверьте напряжение в бортовой сети (т.е. на полюсах подключенной батареи) при работе двигателя. Подчас и оно бывает в норме, а причина другая - очень слабо натянут ремень привода генератора. Если напряжение выше нормы (перезаряд), - не торопитесь винить в этом реле-регулятор. Наиболее часто это происходит из-за плохого контакта в замке зажигания или разъёмах. Перезаряд тоже очень вреден и приводит к выходу из строя батареи по причине коробления и коррозии пластин. Практика показывает, что львиная доля проблем с аккумуляторной батареей возникает из-за неисправности других узлов автомобиля. Если этого не учитывать, то и другую батарею постигнет та же участь – она будет разряжена. Для наглядности расскажу несколько случаев из своей практики.
Напряжение бортовой сети при зарядке не превышает 13,5 В.
Напряжение бортовой сети при зарядке превышает 14,7 В.
Очень слабое натяжение ремня привода генератора.
Напряжение и ток зарядки в норме, но батарея за ночь разряжается
Утечка тока в автомобиле).
Напряжение в норме, но нет полноценной зарядки (реле-регулятор).
Батарея в норме, но при включении стартера раздаются щелчки,
Либо гаснут лампы приборной панели.
ВыводыВведение
Основной особенностью режима работы аккумуляторной батареи на автомобиле или тракторе, которая определяет ее тип и конструкцию, является питание стартера при пуске двигателя. Стартер при пуске потребляет ток 200-500 а и выше, поэтому автомобильные и тракторные аккумуляторные батареи должны выдерживать большие разрядные токи без чрезмерного падения напряжения на зажимах и существенного снижения срока их службы. Аккумуляторные батареи, конструкция которых приспособлена к разряду большими токами, называются стартерными. Такие батареи имеют тонкие пластины и междуэлементные соединения большого сечения. В промышленности получили широкое применение два типа аккумуляторов: свинцовый (или кислотный) и щелочной. Свинцовый аккумуляторный элемент имеет электродвижущую силу (Э.Д.С.) около 2 в, вес около 40 кг на 1 квт×ч запасенной энергии и сравнительно высокий к. п. д.; чтобы получить аккумуляторную батарею напряжением 6 или 12 в, соединяют последовательно три или шесть аккумуляторных элементов. Они были изобретены в 1860 году французом Г.Планте. Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи имеют весьма малое внутреннее сопротивление, так что падение напряжения на зажимах батареи при включении стартера относительно невелико. Благодаря этому свинцовые стартерные батареи по своим характеристикам лучше всего отвечают стартерному режиму работы и являются практически единственными аккумуляторными батареями применяемыми на автомобилях и тракторах, несмотря на то, что их механическая прочность невелика, а срок службы ограничен. Щелочной аккумуляторный элемент (изобретённый в 1900 году Томасом Эдисоном) имеет Э. Д. С. около 1,25 в, вес также около 40 кг на 1 квт×ч запасенной энергии. Из-за низкой Э. Д. С. для получения аккумуляторной батареи напряжением 6 или 12 в необходимо соединить последовательно пять или соответственно десять щелочных аккумуляторных элементов. Щелочные аккумуляторные батареи имеют повышенное внутреннее сопротивление и поэтому характеристики их стартерного режима хуже: при одинаковом разрядном токе напряжение на зажимах щелочных аккумуляторных батарей падает ниже, чем у свинцовых, и, следовательно, стартер развивает меньшую мощность. Стартерные щелочные аккумуляторные батареи выпускаются с пониженным внутренним сопротивлением, но вес этих батарей при одинаковых стартерных характеристиках в 1,5 раза выше, чем свинцовых. Кроме того, щелочные батареи в 2--3 раза дороже, чем свинцовые. Их можно отличить от свинцовых по присутствию в названии словосочетания alkaline battery - щелочная батарея. Однако преимуществами щелочных батарей являются высокая механическая прочность, малый саморазряд и большой срок службы, превышающий срок службы свинцовых стартерных батарей в 4-5 раз. Поэтому применять щелочные батареи в качестве стартерных целесообразно тогда, когда на первый план выдвигается требование высокой надежности и долговечности их, например в сельскохозяйственных и промышленных тракторах, работающих в отдаленных районах.
Химические процессы и характеристики свинцового аккумулятора
Химические процессы
Таблица 1. Химические процессы в свинцовом аккумуляторе Состояние аккумулятора …Э.Д.С. свинцового аккумулятора
Э.Д.С. свинцового аккумулятора, как и любого другого химического источника тока, зависит только от химических и физических свойств веществ,… Э.Д.С. одного аккумулятора определяется как разность равновесных потенциалов… Теория и опыт показывают, что Э. Д. С. свинцового аккумулятора, находящегося в покое, почти не зависит от степени…Характеристики разрядки и зарядки
Еб = Up +IpRб, то Э.Д.С. Eб будет меньше Э.Д.С. покоя E0 на величину DE. Здесь Rб - внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи;Номинальная емкость
Конструкция и типы свинцовых стартерных аккумуляторных батарей
Конструкция батарей
Батареи набираются из пластин, основой которых является решетка, отлитая из свинца с примесью 6-7% сурьмы (для повышения механической прочности и… 4.1.2 Сепаратор Сепаратор должен быть тонким и пористым, чтобы не препятствовать циркуляции электролита и прохождению электрического…Физико-химические процессы в свинцово-кислотном аккумуляторе
Большое значение для работы электродов имеет их пористая структура, обеспечивающая доступ электролита в глубину электрода. Средний диаметр пор.…Устройство стартерных аккумуляторных батарей
Пластины в блоке соединены параллельно. Число пластин зависит от требуемой емкости батареи. Число отрицательных пластин в блоках обычно на одну… Рис. 5. Способы соединения аккумуляторов а-с наружным расположением перемычек; б - через…Типы стартерных батарей отечественного производства
С 1971 года были внесены изменения в ГОСТ. Последующие цифры определяют номинальную емкость в 20 часовом режиме разряда, а буквы -- материал…Установка батареи на автомобиле
Технические требования и нормы на стартерные аккумуляторные батареи
1) питание освещения и остальных потребителей на остановках; 2) питание стартера при пуске двигателя. В автомобилях мощность потребителей, работающих на стоянке, относительно невелика; поэтому наиболее важным режимом,…Щелочные аккумуляторные батареи
Таблица 2. Химические реакции в щелочном аккумуляторе Состояние аккумулятора …Зарядка аккумуляторных батарей
Методы зарядки
Зарядка при постоянном напряжении. Заряжаемые батареи включаются параллельно шинам, между которыми поддерживается постоянное напряжение около 2,3 в… Существует несколько методов заряда: при постоянном токе, при постоянном… При зарядке необходимо тщательно контролировать температуру электролита и при достижении 45 °С дальнейший заряд…Параллельная работа генератора и аккумуляторной батареи
Зарядный баланс на автомобиле
При учете падения напряжения в соединительных проводах между генератором и батареей напряжение генератора будет линейно уменьшаться с увеличением…Выбор пределов регулируемого напряжения
Таблица 3. Климатическая зона Время года Рекомендуемые значения регулируемого напряжения. В, при установке батареи … При рассмотрении аккумуляторных батарей отмечалась зависимость срока службы батарей от тока подзаряда, который…Эксплуатация стартерных аккумуляторных батарей
Правила ухода за стартерными аккумуляторными батареями
1) обтирать досуха крышки элементов и зажимы, чтобы грязь и сырость не вызывали утечки тока и постепенной разрядки батареи; прочищать вентиляционные… 2) поддерживать батарею в достаточно заряженном состоянии (не менее чем на… 3) периодически, раз в 10-15 дней, доливать батарею дистиллированной водой, поддерживая нормальный уровень электролита…Выбор плотности электролита в зависимости от климатических условий
Таблица 4. Рекомендуемая плотность электролита для различных климатических условий (при…Допускаемый разрядный и зарядный ток
Контроль аккумуляторных батарей в эксплуатации
Плотность электролита определяется небольшим ареометром, помещенным в пипетке. Не следует измерять плотность электролита вскоре после включения…Неисправности батареи
При замыкании разноименных пластин внутри аккумуляторного элемента последний разряжается быстрее исправных элементов, а после разрядки до нуля… 6.6.2 Коррозия решеток Зарядный ток постепенно окисляет и превращает в перекись свинца РЬО2 прутья (жилки) свинцовых решеток, являющихся…Хранение батарей
По окончании хранения и перед пуском в эксплуатацию батарею следует полностью зарядить, как указано выше. Консервация батарей, т. е. приведение их в… 1. Взрыв выделяющегося из аккумулятора в конце зарядки гремучего газа (смесь… 2. Ожоги при обращении с серной кислотой. При составлении электролита необходимо серную кислоту вливать в воду, а не…Ситуации, приводящие к возврату батареи по вине покупателя:
Напряжение бортовой сети при зарядке не превышает 13,5 В
Напряжение бортовой сети при зарядке превышает 14,7 В
Очень слабое натяжение ремня привода генератора
Напряжение и ток зарядки в норме, но батарея за ночь разряжается (утечка тока в автомобиле)
Напряжение в норме, но нет полноценной зарядки (реле-регулятор)
Батарея в норме, но при включении стартера раздаются щелчки, либо гаснут лампы приборной панели
Выводы 1. Наибольший процент рекламаций приходится именно на дорогие аккумуляторные батареи «Bosch» и им подобных марок. Это…Последовательность действий по проверке автомобильного электрооборудования
1. Проверить нагрузочной вилкой состояние батареи. Правила пользования нагрузочной вилкой кратко изложены на боковой стенке прибора. 2. Если батарея сильно разряжена, то поставить её на зарядку (как именно, см.… 3. Если после зарядки батарея не проходит тест нагрузочной вилкой, то батарея к дальнейшему использованию…Литература
1. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей: Учебн. Для ВУЗов. - М.: Транспорт, 1989. - 287 с.