Лекция 1. Аккумуляторные батареи

ТЕМА 1. СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Аккумуляторные батареи обеспечивают питанием потребителей при неработающем двигателе внутреннего сгорания (ДВС) или при недостаточной мощности, развиваемой генератором. При работающем ДВС батарея включается к потребителям параллельно с генератором. Такое включение устраняет перегрузки генератора и сглаживает пульсации его напряжения, а батарея исполняет роль резервного источника электрической энергии при отказе генератора, обеспечивает питание всех потребителей и возможность дальнейшего движения автомобиля.

Наиболее мощным потребителем энергии аккумуляторной батареи является электростартер. В зависимости от мощности стартера и условий пуска двигателя сила тока стартерного режима разряда может достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер. После разряда на пуск ДВС и питания других потребителей батарея подзаряжается от генераторной установки. Чередование режимов разряда и заряда (циклирование) – одна из характерных особенностей работы батарей на автомобилях.

Обычно аккумуляторные батареи на автомобилях после пуска двигателя работают в режиме подзаряда. Однако на некоторых видах автомобилей устанавливают электро и радиооборудование повышенного энергопотребления, работающее при включенном и выключенном ДВС. На таких автомобилях батареи могут подвергаться длительным разрядам токами большой силы и должны быть устойчивы к глубоким разрядам.

Условия, в которых работает аккумуляторная батарея, зависят от типа, назначения, климатической зоны эксплуатации автомобиля, а также от места установки ее на автомобиле. Режимы работы батареи определяются температурой электролита, уровнем вибрации и тряски, периодичностью, объемом и качеством обслуживания, параметрами стартерного разряда, силой токов и продолжительностью разряда и заряда при циклировании, продолжительностью работы и перерывов в эксплуатации.

Наибольшее влияние на работу аккумуляторных батарей оказывают место размещения и способ крепления на автомобиле, интенсивность и регулярность эксплуатации автомобиля, температурные условия эксплуатации (климатический район, время года и суток), соответствие характеристик генераторной установки, аккумуляторной батареи и потребителей электроэнергии.

2. ТРЕБОВАНИЯ К СТАРТЕРНЫМ БАТАРЕЯМ

К стартерным аккумуляторным батареям предъявляются следующие основные требования:

максимальное рабочее напряжение, которое определяется ЭДС одного аккумулятора батареи и их количеством в последовательном соединении;

минимальная общая масса;

минимальное внутреннее сопротивление (особенно при пониженных температурах);

малое изменение напряжения в процессе разряда;

максимальное количество энергии, отдаваемой с единицы массы;

быстрое восстановление емкости в процессе заряда;

малые габариты и большая механическая прочность;

надежность и простота обслуживания в эксплуатации;

малая стоимость при массовом производстве.

Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют свинцово-кислотные аккумуляторы. Они получили самое широкое распространение в качестве стартерных для автомобилей.

3. ПРИНЦИП РАБОТЫ СВИНЦОВО-КИСЛОТНОГО

АККУМУЛЯТОРА

Свинцовый аккумулятор – это химический источник тока. Он представляет совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Восстановитель (отрицательный электрод) в процессе токообразующей реакции отдает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восстанавливается. Восстановителем служит губчатый свинец Рb, а окислителем – двуокись свинца РbО₂. Электролит – водный раствор серной кислоты Н₂SО₄ с массовой концентрацией от 28 до 40 %. Активные вещества электродов представляют собой относительно жесткую пористую электронопроводящую массу. Средний диаметр пор положительного электрода лежит в пределах 1÷2 мкм, а отрицательного – 5÷10 мкм. Объемная пористость активных веществ в заряженном состоянии – около 50%.

Физические процессы, происходящие в аккумуляторе, связаны со свойством электролитического растворения металлов, которое заключается в переходе положительно заряженных ионов металла в раствор. Ионы свинца обладают этим свойством в большей степени, чем ионы других металлов. При погружении губчатого свинца в раствор электролита от свинца начинают отщепляться ионы и переходить в раствор. При этом электрод заряжается отрицательно, а раствор электролита – положительно. Возникающая разность потенциалов ∆ φ препятствует выделению ионов из свинца. При определенном значении разности потенциалов ∆ φ₀ наступает состояние равновесия между силами электролитической упругости растворения, с одной стороны, и силами электростатического поля, – с другой. Растворение свинца прекращается.

При погружении положительного электрода РbО₂ в раствор серной кислоты двуокись свинца в ограниченном количестве переходит в раствор, где соединяясь с водой ионизируется на четырехвалентные ионы свинца Рb⁴⁺ и одновалентные ионы гидроокисла ОН-. Четырехвалентные ионы свинца осаждаются на электроде и создают положительный потенциал относительно раствора.

При разряде аккумулятора процессы протекают в обратном порядке, т. е. расходуется серная кислота, образуется вода Н₂О, а на обоих электродах – сульфат свинца РbSО₄. Поэтому измерение плотности или концентрации электролита служит удобным и точным средством определения степени заряженности аккумулятора.

Вместе с образованием воды происходит выделение кислорода и водорода, причем, кислорода – на положительном электроде, а водорода – на отрицательном. Процесс выделения газов определяется разностью между потенциалом электрода и напряжением начала выделения газа (так называемое «перенапряжение газа»). Чем больше «перенапряжение», тем больше интенсивность выделения газа и наоборот. На величину напряжения начала выделения газа значительное влияние оказывают примеси в материалах электродов.

4. УСТРОЙСТВО СТАРТЕРНЫХ БАТАРЕЙ

Устройство стартерных свинцово-кислотных батарей показано на рис. 1.1. Батарея представляет совокупность из нескольких последовательно соединенных отдельных аккумуляторов. Все токоведущие детали изготавливаются из свинца или свинцовых сплавов. Электроды 1 с активными веществами конструктивно выполняются в виде пластин, представляющих собой профилированные решетки, в которые вмазана паста, образующая активную массу. Решетки отливают из свинцовых сплавов.

В полностью заряженном свинцовом аккумуляторе диоксид свинца положительного электрода имеет темно-коричневый цвет, а губчатый свинец отрицательного электрода – серый. Масса решетки составляет до 50% массы пластины. Решетки положительных пластин, более подверженные коррозии, имеют более толстое сечение. Среднее значение толщины пластин для батарей, устанавливаемых на легковых автомобилях, составляет 1,5÷2 мм. Решетки стартерных батарей изготавливают в форме, близкой к квадратной. Обычно их ширина равна 143 мм, а высота – 119 или 133,5 мм. Такая форма обеспечивает равномерное распределение тока по всей массе активных материалов.

С помощью бареток 2 собираются полублоки положительных 3 и отрицательных 4 пластин. Баретка имеет борн и мостик 5. К мостику припаиваются ушки пластин, и он определяет расстояние между ними. Борн является токоотводом полублока пластин.

Пластины в полублоке соединены параллельно. Число пластин зависит от требуемой емкости аккумуляторной батареи. Полублоки пластин объединяются в блок 6. Число отрицательных пластин в блоке обычно на одну больше, чем положительных, и они являются в блоках крайними.

Между пластинами в блоках устанавливаются сепараторы 7 – разделители из кислотостойкого материала (мипора, минпласта, поровинила). Они исключают соприкосновение разноименных электродов и исключают короткое замыкание между ними.

Блоки пластин в сборе с сепараторами устанавливаются в ячейки моноблока 8. Моноблок – это единый корпус батареи, разделенный герметичными изоляционными перегородками на три или шесть ячеек (соответственно на 6 или 12 В). Дно моноблока снабжается донными призмами 9, на которые опираются пластины блоков. Благодаря призмам в нижней части моноблока образуется шламовое пространство, в котором накапливается постепенно осыпающаяся с электродов активная масса. Корпус моноблока изготавливают из термопласта (наполненного полиэтиленом), полипропилена или полистирола. Эти материалы обеспечивают необходимую прочность, достаточно малую массу моноблока, морозоустойчивость и стойкость к воздействию кислоты.

На современных батареях применяют единые крышки, привариваемые или приклеиваемые к моноблоку. Крышки имеют отверстия для вывода борнов и заливки электролита. Заливные горловины закрываются пробками 10 с вентиляционными отверстиями. Специальные отражатели в пробках и предохранительный щиток 11 препятствуют выплескиванию электролита через вентиляционные отверстия при наклоне батарей от нормального рабочего положения на угол 45º.

Отдельные аккумуляторы соединяются в батарею с помощью перемычек 12. перемычки изготавливают из свинцово-сурмянистого сплава и, как правило, устанавливают снаружи над крышкой. В новых конструкциях моноблоков межэлементные соединения пропускаются через отверстия в перегородках.

Большая часть недостатков, присущих свинцово-кислотным аккумуляторам (снижение уровня электролита, ускоренная коррозия решетки положительного электрода, саморазряд др.), обусловлена наличием сурьмы (4,5÷7 %) в сплаве свинца, используемого для изготовления решеток электродов. Исследования, направленные на устранение недостатков, привели к созданию необслуживаемых батарей.

Появление необслуживаемых батарей стало возможным благодаря применению решеток из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов и свинцово - сурьмянистых сплавов с уменьшенным содержанием сурьмы.

Необслуживаемые батареи со свинцово-кальциево-оловянистыми и мало - сурьмянистыми сплавами имеют малое газовыделение и саморазряд, меньшие размеры, меньшую вероятность выхода из строя, их можно устанавливать в труднодоступных местах. Срок эксплуатации таких батарей без добавления электролита достигает 400÷500 тыс. км пробега автомобиля.

Из-за технологических трудностей изготовления решеток из сплава свинца, кальция и олова применение нашли батареи с ограниченным объемом обслуживания. Решетки таких батарей имеют пониженное содержание сурьмы (до 2,5÷3 %). В отечественных необслуживаемых батареях по сравнению с обычными батареями содержание сурьмы в сплаве решеток электродов уменьшено в 2÷3 раза. Для улучшения технологических и эксплуатационных свойств малосурьмянистых сплавов в них добавляют медь (0,02÷0,05 %), серу и селен (до 0,01 %).

Необслуживаемые батареи могут выпускаться в герметичном исполнении и не иметь пробок заливных горловин. Для определения степени разряженности такие батареи снабжаются индикатором заряженности. Цвет такого индикатора изменяется при уменьшении заряженности ниже определенного уровня. В зимнее время возникает опасность замерзания электролита разряженной батареи.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.1. Какими причинами обусловлено применение аккумуляторных батарей и режим их работы на автомобилях?

1.2. Перечислите основные требования, предъявляемые к аккумуляторным батареям.

1.3. Почему в качестве электродов свинцово-кислотного аккумулятора используются губчатый свинец и двуокись свинца?

1.4. Поясните физические процессы заряда и разряда аккумулятора.

1.5. Почему плотность электролита определяет степень заряженности аккумулятора?

1.6. Какой цвет имеют решетки положительного и отрицательного электродов заряженного аккумулятора?

1.7. Каким параметром аккумулятора определяется число пластин в полублоках электродов?

1.8. Для чего моноблок аккумулятора снабжается донными призмами?

1.9. Какие конструктивные элементы препятствуют выплескиванию электролита через вентиляционные отверстия пробок?

1.10. Чем обусловлено и к каким недостаткам приводит применение сурьмы при изготовлении решеток электролитов?

Дата добавления: 2015-05-06