Характеристики разрядки и зарядки

При разрядке постоянной силой тока I_р плотность электролита r изменяется прямолинейно, так как при постоянной силе разрядного тока ежесекундное количество прореагировавшей активной массы и серной кислоты замещенной водой будет одинаковым. Начальная плотность электролита в стартерных аккумуляторах обычно равна r = 1,27, а конечная зависит от количества израсходованной во время разрядки серной кислоты и от запаса электролита в сосуде, т. е. от конструкции аккумулятора. В современных стартерных аккумуляторах конечное значение плотности электролита r=1,11. Напряжение U_p в процессе разрядки изменяется по более сложному закону. На рис. 1 нанесена величина Э. Д. С. покоя E₀, подсчитанная по приведенной выше формуле в соответствии с изменением плотности электролита r. Однако, если подсчитать фактическую величину Э. Д. С. аккумулятора:

Е_б = U_p +I_pR_б,

то Э.Д.С. E_б будет меньше Э.Д.С. покоя E₀ на величину DE.

Здесь R_б - внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи;

I_р-величина разрядного тока.

Рис. 1. Характеристика разрядки и зарядки аккумулятора.

 

Изменение Э.Д.С. по сравнению с Э.Д.С. покоя связано с уменьшением плотности электролита, заключенного в порах активной массы пластин, вследствие малой скорости диффузии электролита в пластины. Действительно, если аккумулятор долго стоял при разомкнутой внешней цепи, диффузия выровняет плотность электролита, находящегося в порах пластин, и снаружи, следовательно, напряжение на зажимах неработающего аккумулятора будет равно его Э. Д. С. покоя, т. е. 2,11 в. После включения аккумулятора на разрядку в результате химических реакций разрядки плотность электролита, заключенного в порах пластин, уменьшается по сравнению с плотностью электролита в сосуде, в результате образуется разность концентраций, обеспечивающая диффузию свежего электролита внутрь пластин. По мере снижения плотности электролита в порах пластин разность концентраций и количество диффундирующего в пластины электролита увеличиваются; этот процесс продолжается до тех пор, пока не наступит равновесие между количеством серной кислоты, диффундирующей внутрь пластин и потребляемой в процессе химических реакций разряда. Снижение : DE = E₀ - E_б пропорционально образовавшейся разности концентраций электролита, находящегося в сосуде и заключенного в порах пластин. В соответствии с изменением Э.Д.С. аккумулятора изменяется и напряжение на его зажимах: в момент включения на разрядку оно скачком падает на некоторую величину, затем быстро снижается пропорционально уменьшению плотности электролита, заключенного в порах пластин, а когда наступит равновесие, устанавливается на некотором уровне, лишь слегка снижаясь по мере разрядки, пропорционально общему снижению плотности электролита в сосуде. В конце разрядки откладывающийся в порах пластин сернокислый свинец настолько сужает их сечение и замедляет диффузию электролита внутрь пластин, что равновесие нарушается, и плотность электролита, заключенного в порах, а вместе с ней Э.Д.С. и напряжение аккумулятора начинают резко падать, стремясь к нулю. Поэтому разряд доводится лишь до точки А, соответствующей перегибу кривой напряжения, так как за этой точкой напряжение аккумулятора становится неустойчивым. Напряжение, соответствующее этой точке, называется конечным напряжением разряда. Его величина зависит от силы разрядного тока и при 10-часовом разрядном режиме равна 1,7 в. Разрядка дальше точки А вредна для аккумулятора и бесполезна, так как напряжение в этой области резко падает и потребители не смогут нормально работать. После выключения нагрузки напряжение аккумулятора скачком повышается до величины Э.Д.С., а затем диффузия постепенно выравнивает концентрацию электролита в порах пластин и в сосуде, вследствие чего Э.Д.С. E_б медленно возрастает до величины Э.Д.С. покоя E_o, равной для разряженного аккумулятора 1,95 в. Последнее явление называется <отдыхом> аккумулятора и играет в эксплуатации большую роль. Так, между повторными 10-часовой разрядный режим-разряд таким током, при котором аккумулятор полностью разряжается за 10 ч разрядки (по новому ГОСТу 20 часовой режим).

Включениями стартера при неудавшемся пуске двигателя рекомендуется делать перерыв 0,5-1 мин, чтобы дать аккумуляторной батарее <отдохнуть> и повысить напряжение. Итак, признаками конца разрядки являются:

1) уменьшение плотности электролита до некоторого минимального значения (заданного заводской инструкцией);

2) уменьшение напряжения до некоторого конечного значения (например, 1,70 в на элемент при 10-часовой разрядке).

Количество электричества, отданное аккумулятором в пределах допустимой разрядки, называется разрядной емкостью или просто емкостью аккумулятора Q, которая выражается произведением силы разрядного тока на время разрядки и измеряется в амперчасах (а×ч). В нашем примере (рис. 1, а) она изображена заштрихованной площадью и равна

Q = 5,4 × 10 = 54 а×ч

Характеристики зарядки изображены на рис. 1, б. Плотность электролита при зарядке изменяется в порядке, обратном этому изменению при разрядке, и происходит по линейному закону и между теми же пределами, восстанавливая в конце зарядки свое первоначальное значение. Характер изменения напряжения U_з и Э.Д.С. Е_б при зарядке обратен описанному и также обусловлен диффузией электролита. Однако при зарядке в порах пластин образуется серная кислота и плотность электролита, заключенного в порах пластин, становится выше, чем в сосуде; поэтому фактическая э. д. с. аккумулятора E_б при зарядке повышается на величину DЕ по сравнению с Э.Д.С. покоя Е_о, а напряжение на зажимах заряжаемого аккумулятора

U_з = Е_б + I_з×R_б

В конце зарядки наблюдается значительное повышение Э.Д.С. и напряжения, связанное с газообразованием в аккумуляторе. Когда зарядка заканчивается и активная масса пластин возвращается в первоначальное (заряженное) состояние, зарядный ток вызывает лишь электролиз воды электролита, т. е. разложение ее на водород и кислород, которые выделяются в виде пузырьков. Это явление на практике называется <кипением> аккумулятора и служит признаком близкого окончания зарядки. Положительные ионы водорода, приближающиеся к отрицательной пластине, разряжаются (т. е. присоединяют к себе имеющиеся в пластине электроны) медленно; накапливаясь в большом количестве около пластин, они создают добавочную разность потенциалов около 0,33 в (так называемое перенапряжение), которая и обусловливает повышение напряжения в конце зарядки.

Газообразование (кипение) начинается в аккумуляторе при повышении напряжения до 2,4 в. Как только началось газообразование, напряжение на зажимах заряжаемого аккумулятора резко повышается, а затем, дойдя до конечной величины 2,7 В, перестает возрастать (точка В на рис. 1, б). Этот момент в сущности является концом зарядки, но для того, чтобы убедиться, что заряд закончен и напряжение и плотность электролита перестали возрастать, продолжают заряжать аккумулятор еще в течение 3 ч; эти три часа относятся собственно уже к области перезаряда. После отключения аккумулятора от сети напряжение скачком падает до величины Э.Д.С., которая затем после <отдыха> (т. е. после выравнивания концентрации-электролита диффузией и рассасывания пузырьков газа) постепенно снижается до величины Э.Д.С. покоя E₀ = 2,11 в, соответствующей заряженному аккумулятору. Таким образом, признаками конца зарядки являются:

1) прекращение возрастания напряжения и плотности электролита 'и их постоянство в течение 3 ч;

2) интенсивное газообразование (кипение) в электролите. Количество электричества, сообщаемое аккумулятору при зарядке,

Q_з = I_з t_з

Вследствие дополнительного расхода электроэнергии на электролиз воды (газовыделение) при зарядке требуется на 10-15% больше электричества, чем емкость Q, отдаваемая аккумулятором при разрядке (дополнительный расход количества электричества на газообразование показан на рис. 1, б крестообразной штриховкой). Зависимость разрядных характеристик аккумулятора от величины разрядного тока. Напряжение и емкость при разрядке аккумулятора зависят от величины разрядного тока. Чем больше разрядный ток, тем большее количество активной массы подвергается химическим реакциям в единицу времени и тем большее количество серной кислоты должно продиффундировать из сосуда в поры пластин. Скорость диффузии зависит от разности концентрации электролита в порах и снаружи пластин, поэтому при разрядке большим током необходимое количество серной кислоты сможет поступать в пластины лишь при большей разности концентраций электролита, чем при разрядке малым током. В результате при увеличении разрядного тока уменьшается плотность электролита в порах пластин r, а следовательно, соответственно уменьшаются Э.Д.С. Е_б и напряжение U на зажимах аккумулятора.

На рис. 2 показана серия разрядных характеристик для одного из стартерных аккумуляторов. Из рассмотрения характеристик следует, что чем больше разрядный ток, тем меньшее напряжение развивает аккумулятор в течение всего времени разрядки. При разрядке большим током, кроме уменьшения Э.Д.С., также значительно снижается емкость аккумулятора. По мере разрядки электролит глубже проникает в активную массу пластин; когда диффузия ухудшится в такой степени, при которой необходимое количество серной кислоты уже не может быть подведено, глубина проникновения электролита будет предельной.

Момент достижения предельной глубины проникновения свежего электролита в пластины определяет конец разрядки, а глубина - количество использованной активной массы, т. е. емкость, отданную аккумулятором. Этому критическому состоянию соответствует резкий перегиб разрядной характеристики, после которого напряжение падает весьма быстро. Чем больше разрядный ток, тем большее количество серной кислоты в единицу времени должно подводиться диффузией электролита внутрь пластин. Следовательно, с увеличением разрядного тока критическое состояние будет наступать раньше, а предельная глубина проникновения свежего электролита в пластину будет меньшей. В результате при увеличении разрядного тока аккумулятор будет отдавать меньшую емкость, так как более интенсивная разрядка использует меньшую часть его активной массы. Например, при разрядке током 360 А (рис. 2) химическим превращениям подвергается лишь поверхностный слой активной массы толщиной около 0,1 мм, и емкость, отданная аккумулятором, составляет лишь 26,8% от номинальной емкости, соответствующей разрядке током 11,2 а. Точка, соответствующая концу разрядки, выбирается на перегибе разрядной характеристики и определяет конечное напряжение разрядки, которое, как видно из рис. 2, тем ниже, чем больше разрядный ток. Зависимость разрядных характеристик аккумулятора от температуры. При понижении температуры увеличивается вязкость электролита, и диффузия в поры пластин замедляется.

В результате снижаются напряжение при разрядке аккумулятора и его емкость, так же как и при увеличении разрядного тока. Кроме того, с понижением температуры возрастает электрическое сопротивление электролита, вследствие чего потеря напряжения во внутреннем сопротивлении аккумулятора также увеличивается. На рис. 3 приведены характеристики стартерной аккумуляторной батареи, разряжаемой большим током при температуря +25 и -18° С. Как видно из рисунка, при разрядке батарея при низких температурах очень сильно снижается ее напряжение и емкость. Поэтому конечное напряжение разрядки при низкой температуре выбирается еще ниже: при температуре -18° С оно равно в среднем 1 в на элемент. Изменение емкости на 1° С составляет при разряде малым током около 1%, а при разряде большим током - 2% и более. При повышении температуры емкость аккумулятора соответственно возрастает, но чрезмерное увеличение температуры (выше 45° С) ускоряет разрушение сепараторов и пластин и сокращает срок службы батареи.

Таким образом, характеристики аккумуляторной батареи не удовлетворяют требованиям, предъявляемым пуском двигателя зимой, так как зимой от стартера требуется большая мощность н более продолжительная работа, а аккумуляторная батарея дает в этих условиях пониженное напряжение (вследствие чего снижается мощность, развиваемая стартером) и пониженную емкость (уменьшается число пусков).

Рис.3. Разрядные характеристики стартерной аккумуляторной батареи.

 

Чтобы уменьшить этот недостаток, в стартерных аккумуляторах применяют тонкие пластины и возможно более пористую активную массу; этим облегчается диффузия электролита в пластины и уменьшается падение Э.Д.С. DЕ и емкости при разрядках. большим током при низкой температуре. Зимой необходимо следить за тем, чтобы аккумуляторная батарея была хорошо заряжена. В условиях сурового климата повышают плотность электролита (чтобы в том же объеме диффундирующего электролита содержалось большее количество серной кислоты), а иногда утепляют батареи. Необходимо отметить, что описанное уменьшение емкости при увеличении разрядного тока и понижении температуры объясняется лишь ухудшением использования активной массы пластин при данном режиме разряда. Характеристики рис. 2 и 3 относятся к непрерывной разрядке; при разрядке с перерывами для <отдыха> .аккумуляторная батарея отдаст большую емкость, чем указано на рис. 2 и 3, так как за время перерывов свежий электролит успевает продиффундировать во внутренние слои пластин.