Устройство стартерных аккумуляторных батарей

Как и у большинства других типов аккумуляторных батарей, устройство стартерных свинцово-кислотных батарей основано на последовательном соединении отдельных аккумуляторов. Используемые конструкционные материалы должны быть стойки к длительному воздействию серной кислоты. Одним из немногих стойких к такому воздействию металлов является свинец, поэтому все токоведущие детали изготавливаются из свинца или свинцовых сплавов. В стартерных батареях электроды с активными веществами конструктивно выполняются в виде пластин, состоящих из профилированных решеток, в которые вмазана паста, образующая при формировании пластины активную массу. Решетки отливают из свинцовых сплавов. Масса решетки составляет до 50 % массы пластины. Решетки положительных пластин, более подверженные коррозии, имеют более толстое сечение. Общая толщина пастированных пластин зависит от режимов работы и установленного срока службы аккумуляторных батарей и составляет 1.5¸2 мм для аккумуляторных батарей, устанавливаемых на легковых автомобилях, и 2,4¸2,6 мм для батарей, устанавливаемых на грузовых автомобилях, автобусах и тракторах.

Пластины в блоке соединены параллельно. Число пластин зависит от требуемой емкости батареи. Число отрицательных пластин в блоках обычно на одну больше, чем положительных, и они являются в блоках крайними. Это связано с тем, что активное вещество положительных пластин относительно в большей степени участвует в химических превращениях. Поэтому при симметричном двустороннем изменении активной массы в процессе заряда и разряда они меньше деформируются. Между пластинами в блоках устанавливаются сепараторы - разделители из кислотостойкого пористого материала. Они предназначены для предотвращения соприкосновения разноименных электродов и короткого замыкания между ними. Благодаря высокой пористости и хорошей смачиваемости сепараторы не препятствуют свободному доступу электролита к активной поверхности пластин. От качества сепараторов в значительной степени зависят эксплуатационные характеристики батареи. Сепараторы должны обладать механической прочностью, эластичностью, сохранять свои свойства в широком диапазоне температур в течение всего срока службы батареи. В качестве материала сепараторов в современных конструкциях стартерных батарей используется мипор, мипласт и поровинил. Мипор, или микропористый эбонит, получают в результате сложного технологического процесса вулканизации смеси натурального каучука с различными добавками. Промышленность выпускает сепараторы из мипора толщиной 1,1; 1,5 и 1,9 мм. Мипласт, или микропористый полихлорвинил, получают из полихлорвиниловой смолы методом спекания. Выпускаемые промышленностью сепараторы из мипласта имеют толщину 1,1; 1,3; 1,5; 1,7 и 1,9 мм. Высокими эксплуатационными свойствами обладают сепараторы из поровинила, которые изготавливают из полихлорвиниловой смолы с использованием циклогексана и крахмала. Применение, поровинила позволяет на 10¸15 % повысить мощность батареи при низких температурах. Блоки пластин в сборе с сепараторами устанавливаются в ячейки моноблока 15 (см. рис. 4). Моноблок - это единый корпус батареи, разделенный герметичными изоляционными перегородками на 3 или 6 ячеек (по числу аккумуляторов, соответственно для батарей на 6 и 12 В). Моноблоки стартерных батарей изготавливаются из эбонита, термопласта (наполненного полиэтилена), полипропилена и полистирола. Эти материалы обеспечивают тепло- и морозоустойчивость, кислотостойкость и механическую прочность, особенно в условиях вибрации. Пластины блока имеют в нижней части <ножки>, которые после сборки опираются на специальные выступы на дне моноблока - донные призмы 16. В результате в нижней части батареи образуется так называемое шламовое пространство, в котором накапливается постепенно осыпающаяся- с электродов активная масса. Это предотвращает преждевременный выход из строя аккумулятора из-за короткого замыкания этими частицами разноименных пластин. Крышки 10 из эбонита или пластмассы могут закрывать отдельные аккумуляторные отсеки. На современных, батареях применяют единые крышки, привариваемые или приклеиваемые к моноблоку. Крышки имеют отверстия 11 для вывода борнов и заливки электролита, Заливные горловины закрываются пробками с вентиляционными отверстиями. Специальные отражатели в пробках препятствуют выплескиванию электролита через вентиляционные отверстия. Электролит не должен выплескиваться при наклоне батарей от нормального рабочего положения на угол 45°. Герметизация индивидуальных крышек производится заливкой специальной битумной мастикой. При применении пластмассовых моноблоков на 20¸25% повышается удельная энергия аккумуляторной батареи. Моноблоки из полипропилена и полиэтилена в несколько раз прочнее эбонитовых моноблоков. Конструкция аккумуляторной батареи 6 СТ-55П с прозрачным корпусом из полипропилена изображена на рис. Она устанавливается на автомобилях ВАЗ. Отдельные аккумуляторы соединяются в батарею с помощью перемычек, которые могут иметь различную конструкцию (рис.5 ). В батареях с индивидуальными крышками перемычки проходят сверху, как это показано на рис.5а. В случае применения общей крышки (монокрышки) перемычки располагаются над перегородками моноблока. При изготовлении новых конструкций моноблоков из пластмасс (полиэтилен, полипропилен) межэлементные соединения пропускаются сквозь отверстия в перегородках (рис. 5в). Укороченные межэлементные соединения, кроме уменьшения омического сопротивления, позволяют сократить расход свинца при изготовлении батареи, а следовательно, ее массу. Расстояние между верхними кромками пластин и крышкой составляет не менее 20 мм. Это расстояние необходимо для компенсации колебания уровня электролита и для отделения капель электролита при сильном газовыделении в конце заряда. Большая часть недостатков, присущих обычным, аккумуляторным батареям (снижение уровня электролита, ускоренная коррозия решетки положительного электрода, саморазряд и некоторые другие), обусловлена наличием 4,5¸6 % сурьмы в сплаве свинца, используемого для изготовления решеток электродов. Согласно требованиям по уходу за стартерными аккумуляторными батареями через каждые 2500 км пробега необходимо проверять уровень электролита при его уменьшении доливать дистиллированную воду.

Рис. 4. Аккумуляторная батарея - 6СТ-55П: моноблок; 2 -крышка; 3- положительный полюсный вывод; 4 -межэлементное соединение; 5 - отрицательный полюсный вывод; 6-пробка; 7-индикатор уровня жидкости; 8- сепаратор; 9- положительная пластина; 10 - отрицательная пластина.

Рис. 5. Способы соединения аккумуляторов а-с наружным расположением перемычек; б - через перегородку под общей крышкой; д - сквозь отверстие в перегородке под общей крышкой

Указанные недостатки привели к появлению так называемых <необслуживаемых> батарей. Основной задачей при разработке необслуживаемых батарей является ограничение электролиза воды в аккумуляторе и, как следствие, газовыделения. Наличие сурьмы в сплавах решеток приводит к значительному снижению перенапряжения, иначе говоря, интенсивному газовыделению задолго до полного заряда батареи. Таким образом, для создания необслуживаемых батарей необходимо заменить материал, применяемый при изготовлении решеток. В настоящее время для изготовления решеток применяются следующие материалы: свинцово-кальциево-оловянистый сплав; модифицированный свинцово-сурьмянистый сплав с уменьшенным содержанием сурьмы; сплав с малым содержанием сурьмы и кадмия для положительных электродов и свинцово-кальциево-оловянистый сплав для отрицательных. Исследования батарей с решетками из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов показали их высокую чувствительность к глубоким разрядам. По этой причине были разработаны батареи, в которых решетки положительных электродов изготавливаются из свинца, легированного , сурьмой (1,25%) и кадмием (1,5%), а решетки отрицательных - из свинцово-кальциево-оловянистого сплава. Применение свинцово-кальциевых 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, получили название <малообслуживаемых> - их срок службы соответствует сроку службы обычных, но они не чувствительны ктлубоким разрядам, а газовыделение в несколько раз меньше. На рис.6 представлена графическая иллюстрация скорости <выкипания> воды электролита в течение времени (t, ч) функционирования на автомобилях батарей различных типов. По оси ординат отложен уровень электролита над верхними кромками пластин.

Рис.6 Снижение уровня электролита в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи на автомобиле: 50°С 1-батарея с обычными свинцово-сурьмянистыми решетками; 2 - малообслуживаемая батарея; 3 - необслуживаемая батарея с решетками из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов

В необслуживаемых и малообслуживаемых батареях, помимо замены материала решеток, проведены 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. К борнам крайних блоков решеток аккумуляторов привариваются конусные полюсные выводы (см. поз. 14 рис.4 ; поз. 3, 5 рис. 5). На выводах или рядом с ними на крышке отмечена полярность. В эксплуатации необходимо полностью исключить возможность неправильного включения батареи в систему электрооборудования и, кроме того, обеспечить унификацию этого узла. Поэтому размеры положительного и отрицательного выводов стандартизированы, и различны. Конструкция и параметры каждой стартерной батареи должны удовлетворять соответствующим ГОСТам или техническим условиям, в соответствии с которыми производится маркировка батарей. Первая цифра маркировки (3 или 6) характеризует число последовательно соединенных аккумуляторов (блоков пластин) в батарее, определяющее ее номинальное напряжение (6 или 12 В).