Электрические характеристики аккумуляторов


СОДЕРЖАНИЕ:

Diplom Consult.ru

Основными электрическими характеристиками аккумуляторов являются: Э.Д.С., внутреннее сопротивление, напряжение, емкость, отдача, саморазряд.

1. Электродвижущая сила (Э.Д.С.), — это разность электродных потенциалов между положительным и отрицательным электролитами при разомкнутой внешней цепи Е= φ+ — φ

Э.Д.С. Е зависит от материала активных веществ электродов и электролита. У свинцовых аккумуляторов Э.Д.С. зависит также от плотности и в малой степени от температуры электролита. Значение Э.Д.С. при плотности электролита ρ = 1,285 г/см 3 и температуре 15° С равно 2,125 В. При разряде аккумулятора плотность электролита и Э.Д.С. уменьшаются. Когда Э.Д.С. достигает 1,82÷1,85 В, аккумулятор считается разряженным. Э.Д.С. никель-кадмиевого, только что заряженного аккумулятора равна 1,45 В и спустя 120 ч после заряда она снижается до 1,36÷1,38 В.. Э.Д.С. этого аккумулятора практически не зависит от температуры.

2. Полное внутреннее сопротивление — R — это сопротивление между внешними клеммами АБ;

Полное внутреннее сопротивление аккумулятора R складывается из сопротивления электродов и сопротивления электролита, причем большую часть R составляет сопротивление электролита.

У кислотных авиационных аккумуляторов оно весьма мало и составляет сотые доли Ома (R = 0,01÷0,02 Ом). Это позволяет получать от аккумуляторов большие токи при сравнительно малых потерях внутри аккумулятора. Сопротивление электролита зависит от его плотности и температуры и изменяется в процессе разряда и заряда. С уменьшением температуры оно возрастает и уменьшается при заряде аккумулятора.

Полное внутреннее сопротивление никель-кадмиевого аккумулятора с намазными пластинами сравнимо по величине с сопротивлением свинцовых аккумуляторов, что позволяет использовать их также в стартерном режиме. Существенное влияние на полное внутреннее сопротивление этих аккумуляторов оказывает также температура электролита.

3. Напряжение. Напряжение АБ бывает разряда и заряда .

Напряжение на зажимах аккумулятора при разряде UP и заряде U3 отличается от Э.Д.С. на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении:

Напряжение UP в сильной степени зависит от величины разрядного тока IP и от температуры окружающей среды. Для свинцовых аккумуляторов конечное допустимое напряжение при разряде номинальным током равно 1,7 В. При понижении температуры электролита напряжение при разряде уменьшается.

В процессе разряда напряжение аккумулятора изменяется. За среднее значение напряжения при разряде номинальным током принимают 2 В (для аккумуляторной батареи соответственно 212 = 24 В). Аккумулятор можно разряжать до конечного напряжения 1,7 В. Среднее значение напряжения НКБН равно 26 В.

4. Коэффициент отдачи аккумулятора по энергии — ηА. Он определяется отношением отдаваемой энергии к затрачиваемой для его полного заряда.

5. Емкость аккумулятора QP — количество электричества, которое отдает аккумулятор при разряде до наименьшего допустимого напряжения:

Разрядная емкость Q — количество электричества, которое можно получить от аккумулятора при заданных значениях температуры, разрядного тока и конечного разрядного напряжения. Разрядная емкость

Емкость аккумулятора зависит от количества активных веществ, коэффициента их использования и температуры электролита. На коэффициент использования активных веществ существенное влияние оказывают толщина и площадь пластин, их пористость и режим разряда аккумулятора. При одинаковом количестве активных веществ аккумулятор с тонкими пластинами имеет большую разрядную емкость, чем с толстыми, так как при этом электролит легче проникает в поры активных масс, а также омывает большее количество активных веществ, что обеспечивает лучшее их использование. Поэтому чем пористее активное вещество, тем большую емкость можно от него получить.

При разряде аккумулятора токами, значительно превышающими номинальные, вследствие отставания процесса диффузии от процесса разряда, используются главным образом активные вещества поверхностного слоя пластин. При разряде сульфат свинца, образующийся на поверхности, препятствует проникновению электролита в поры пластин, исключая глубоколежащие слои активного вещества. Количество активного вещества, используемого в процессе разряда, уменьшается, что приводит к уменьшению разрядной емкости.

За номинальную емкость авиационных кислотных аккумуляторов принимают емкость при 5÷10-часовом режиме до напряжения на зажимах элемента 1,7 В, при начальной плотности электролита 1,285 г/см 3 , при температуре +20° С. При уменьшении температуры на 1° С емкость аккумулятора уменьшается на 1%. Учитывая столь большое влияние температуры на емкость, аккумуляторные батареи на ЛА устанавливают в утепленных или обогреваемых контейнерах.

Зависимость разрядной емкости от разрядного тока батареи 20 НКБН-25 показана на рис. 1.1. В течение первых 15 ÷ 20 суток саморазряд составляет 1,5% в сутки, а затем уменьшается до 0,5%.- разрядная емкость QP — это количество электричества, отдаваемое источником во внешнюю цепь. QP = IP·dt выражается в [А·ч]. QP зависит от температуры электролита, разрядного тока, конечного разрядного напряжения. QP уменьшается с уменьшением температуры, увеличением разрядного тока и увеличением конечного напряжения разряда;

6. Саморазряд — бесполезная потеря емкости, обусловленная протеканием химических процессов при разомкнутой внешней цепи. Количественно он оценивается уменьшением емкости за сутки

где Q1 и Q2 — емкости химического источника тока до и после хранения; T — продолжительность хранения в сутках.

Саморазряд увеличивается с повышением температуры. Он считается нормальным, если не превышает 1% в сутки или 30% в месяц. Учитывая это, аккумуляторы необходимо периодически подзаряжать, если они длительное время находились в бездействии. В противном случае пластины аккумулятора могут засульфатироваться, т. е. произойдет практически необ­ратимый переход мелкозернистого сульфата свинца в крупно­зернистый (необратимая сульфатация) и аккумулятор выйдет из строя. — саморазряд — это потеря емкости АБ при разомкнутой внешней цепи. Причиной саморазряда являются примеси имеющиеся всегда в электрохимической системе. В свинцовых АБ саморазряд равен 1% в сутки. В никель-кадмиевых АБ составляет 1,5% в сутки в течение первых 15÷20 суток, затем 0,5% в сутки;

Саморазряд — потеря емкости при разомкнутой внешней цепи вследствие протекания тока под действием разности потенциалов между элементами активной массы и примесями, содержащимися в ней.

7. Сохранность, срок службы. Допустимый срок хранения свинцовых аккумуляторов в сухом виде не превышает 3 лет. С электролитом хранить аккумуляторы можно только в заряженном состоянии во избежание вредной сульфатации. Для восстановления емкости, утраченной в процессе саморазряда, аккумулятор не реже 1 раза в месяц требуется подзаряжать.

Срок службы бортовых аккумуляторных батарей составляет: для 12А-30 и 12САМ-28 — 2 года, для 12САМ-55 — 1,5 года. К истечению срока службы емкость аккумуляторных батарей снижается до 70—75%.

Гарантийный срок годности никель-кадмиевого аккумулятора 2,5 года, в этот срок входят хранение, транспортировка и работа его на самолете.

— срок службы для бортовых АБ — это время работы, за которое АБ потеряет 25% QН . РЛЭ предписывает на ВС проверять заряженность АБ на 75% QН . Для аэродромных АБ срок службы выражается в циклах разряда – заряда.

Свинцовые аккумуляторы (Pb)

Реагентами в свинцовых аккумуляторах служат диоксид свинца (PbO2) и свинец (Pb), электролитом — раствор серной кислоты. Они также называются свинцово-кислотными аккумуляторами. Их разделяют на четыре основные группы; стартерные, стационарные, тяговые и портативные (герметизированные). Наиболее распространенные из свинцовых аккумуляторов — стартерные аккумуляторы, предназначены для запуска двигателей внутреннего сгорания и энергообеспечения устройств машин. В последние годы в основном используются аккумуляторы, не требующие ухода. К недостаткам относят невысокую удельную энергию, небольшой срок наработки, плохую сохранность заряда, выделение водорода.

Стационарные аккумуляторы используются в энергетике, на телефонных станциях, в телекоммуникационных системах, в качестве аварийного источника тока и т.д. Обычно они работают в режиме непрерывного подзаряда. Относятся к недорогим аккумуляторам.

Тяговые аккумуляторы предназначены для электроснабжения электрокаров, подъемников, шахтных электровозов, электромобилей и других машин. Действуют в режимах глубокого разряда, имеют большой ресурс и низкую стоимость.

Портативные (герметизированные) свинцовые аккумуляторы используются для питания приборов, инструмента, аварийного освещения. К их достоинствам относятся более низкая стоимость по сравнению со стоимостью других портативных аккумуляторов, широкий интервал рабочих температур. Недостатками кислотных аккумуляторов являются невозможность хранения в разряженном состоянии, трудность изготовления аккумуляторов малых размеров.

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы

Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1859 г. французским ученым Гастоном Планте. Конструкция аккумулятора представляла собой электроды из листового свинца, разделенные сепараторами из полотна, которые были свернуты в спираль и помещены в сосуд с 10 % раствором серной кислоты. Недостатком первых свинцово-кислотных аккумуляторов была их невысокая емкость. Поначалу для ее увеличения проводили большое число циклов заряда-разряда. Для достижения существенных результатов требовалось до двух лет таких тренировок. Причина недостатка была явной — конструкция пластин. Поэтому дальнейшее совершенствование конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов было сосредоточено на совершенствование конструкции используемых в них пластин и сепараторов. В 1880 г. К. Фор предложил методику изготовления намазных электродов путем нанесения на пластины окислов свинца. Такая конструкция электродов позволила значительно повысить емкость аккумуляторов. А в 1881 г. Э. Фолькмар предложил применять в качестве электродов намазную решетку. В том же году ученому Селлону был выдан патент на технологию изготовления решеток из сплава свинца и сурьмы.

Первоначально практическое использование свинцово-кислотных аккумуляторов было затруднено из-за отсутствия зарядных устройств — для заряда применяли первичные элементы конструкции Бунзена. То есть химический источник тока заряжался от другого химического источника — батареи гальванических элементов. Положение кардинально поменялось с появлением недорогих генераторов постоянного тока.

Именно свинцово-кислотные батареи первыми в мире из аккумуляторных батарей нашли коммерческое применение. К 1890 году во многих промышленно развитых странах был освоен их серийный выпуск. В 1900 году немецкая фирма Varta произвела первые стартерные аккумуляторы для автомобилей.

В 70-х годах XX века были созданы необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, способные работать в любом положении. Жидкий электролит в них сменили гелиевым или адсорбированным (впитанным) сепараторами электролитом, батареи герметизировали, а для отвода газов, выделяющихся при заряде или разряде, установили клапаны. Строго говоря, абсолютная герметизация свинцово-кислотных аккумуляторов не может быть достигнута, так как нельзя обеспечить полную рекомбинацию кислорода и водорода, которые выделяются в них при заряде и хранении. Но специальными мерами выделение газов и потери воды в процессе эксплуатации удается свести к минимуму.

Были разработаны новые конструкции пластин на базе медно-кальциевых сплавов, покрытых оксидом свинца, а также на основе титановых, алюминиевых и медных решеток.

Свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными среди всех существующих в настоящее время химических источников тока. Их масштабное производство определяется как относительно низкой ценой, обусловленной сравнительной не дефицитностью исходных материалов, так и разработкой разных вариантов этих аккумуляторов, отвечающих требованиям широкого круга потребителей.

Ключевые электрохимические процессы в свинцово-кислотном аккумуляторе.

Активные вещества аккумулятора сосредоточены в электролите и положительных и отрицательных электродах, а совокупность этих веществ называется электрохимической системой. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях электролитом является раствор серной кислоты (H2SO4), активным веществом положительных пластин — двуокись свинца (PbO2), отрицательных пластин — свинец (Pb).

Основные процессы, проходящие на электродах, описывают реакции:

На отрицательном электроде:

PbSO4 + H+ + 2e-> Pb + HSO4- (заряд)

На положительном электроде:

Суммарная реакция в свинцовом аккумуляторе имеет вид:

Таким образом, при разряде свинцового аккумулятора на обоих электродах формируется малорастворимый сульфат свинца (двойная сульфатация) и происходит сильное разбавление серной кислоты.

Напряжение разомкнутой цепи заряженного аккумулятора равно 2,05-2,15 В, в зависимости от концентрации серной кислоты. При разряде по мере разбавления электролита напряжение разомкнутой цепи аккумулятора понижается и после полного разряда становится равным 1,95-2,03 В.

При заряде свинцово-кислотного аккумулятора, как и в других аккумуляторах с водным электролитом, имеют место побочные реакции выделения газов. Выделение водорода начинается при полном заряжении отрицательного электрода. Кислород начинает выделяться гораздо раньше: в обычных условиях заряда при 50-80% заряженности (в зависимости от тока заряда), а при температуре 0°С уже после заряда на 30-40 %. Вследствие этого отдача положительного электрода по емкости составляет 85-90 %. Для получения полной разрядной емкости при заряде аккумулятору должен быть обеспечен перезаряд на 10-20 %.

Этот перезаряд сопровождается существенным выделением водорода на отрицательном электроде и кислорода — на положительном.

Выделение водорода имеет место и при хранении заряженного свинцово-кислотного аккумулятора. Саморазряд его определяется преимущественно скоростью растворения свинца согласно реакции:

Скорость этого процесса зависит от температуры, объема электролита и его концентрации, но более всего от чистоты компонентов. В отсутствие примесей реакция протекает медленно из-за большого перенапряжения выделения водорода на свинце. Но на практике, на поверхности свинцового электрода всегда много примесей, среди которых наибольшее влияние оказывает сурьма, количество которой в сплаве для решеток и токоведущих деталей доходит до 6 %.

На положительном электроде может также самопроизвольно проходить реакция восстановления диоксида свинца:

PbO2 + H2SO4 -> PbSO4 + 1/2O2 + H2O в результате которой выделяется кислород, но скорость ее незначительна.

В процессе эксплуатации саморазряд аккумулятора может увеличиваться из-за образования дендритных мостиков из металлического свинца. Потери емкости свежеизготовленного аккумулятора за счет саморазряда как правило не превышают 2-3 % в месяц. Но при эксплуатации они быстро увеличиваются.

Особенности герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора

Главные проблемы при создании герметичного варианта свинцово-кислотного аккумулятора связаны с необходимостью обеспечения условий для уменьшения выделения газа и содействия рекомбинации выделяющегося газа. При создании герметизированного аккумулятора, который в обычных условиях эксплуатации не требовал бы доливки воды в электролит в течение всего срока службы и не выделял бы газов, был предпринят ряд мер:

1. В аккумуляторе применяется иммобилизованный (обездвиженный) электролит, который сохраняет высокую электропроводность серной кислоты. Небольшое его количество позволяет обеспечить лучший транспорт кислорода от положительного электрода к отрицательному и высокий уровень его рекомбинации.

При одном методе иммобилизации электролита для его загущения применяется силикагель (SiO2), который обладает высокой пластичностью и заполняет и электроды, и сепаратор. Благодаря своей вязкости он хорошо удерживается в порах и способствует эффективному использованию активных веществ электродов. Транспортировка кислорода обеспечивается по трещинам, которые появляются при усадке твердеющего электролита.

При другом методе иммобилизации применяется сепаратор из стекловолокна с высокой объемной пористостью и хорошей смачиваемостью в растворе серной кислоты. Такой сепаратор не только осуществляет функцию разделения электродов, но и благодаря тонкой структуре волокон обеспечивает удержание электролита в порах и высокую скорость переноса кислорода. Применение стекловолокнистого сепаратора и плотная сборка блока электродов способствуют также уменьшению оплывания активной массы положительного электрода и разбухания губчатого свинца на отрицательном.

2. Для снижения вероятности выделения водорода свинцово-сурьмяные сплавы токоведущих решеток заменяются другими, обеспечивающими более высокое перенапряжение выделения водорода. Применяются сплавы свинца с кальцием (до 0,1% Ca), иногда легированного алюминием, сплавы свинца с оловом (0,5-2,5% Sn), которые имеют неплохие литейные характеристики, и другие.

3. В отрицательный электрод закладывается емкость больше, чем в положительный. В данном случае при полном заряде положительного электрода оставшаяся не дозаряженной часть активной массы отрицательного электрода практически исключает вероятность разряда ионов водорода. Кислород, выделяющийся на диоксиде свинца, достигает отрицательного электрода и окисляет губчатый свинец до оксида свинца, который в кислотном электролите переходит в сульфат свинца PbSO4 и воду. Следовательно, условия для герметизации аккумулятора улучшаются: газы не выделяются и вода не испаряется.

Снижению газовых выделений способствуют и рекомендуемые для герметизированных аккумуляторов режимы заряда, при которых ток понижается по мере их заряжения.

И все-таки все реализованные варианты безуходного свинцово-кислотного аккумулятора оснащены клапаном, который время от времени открывается для сброса излишнего количества газа, главным образом водорода. Именно поэтому аккумулятор называется не герметичным, а герметизированным.

Успехи исследователей и технологов, достигнутые за прошедшие два десятилетия, тщательный контроль процесса изготовления и сотрудничество с потребителями, которые научились понимать, что безуходность этих батарей не означает полной свободы от контроля за их работой, позволяют в настоящее время выпускать на рынок продукцию, которая в ряде случаев может конкурировать с более дорогими герметичными щелочными аккумуляторами.

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи емкостью до 10-20 Ач применяются как источники питания для разнообразной портативной аппаратуры и инструментов в тех случаях, когда масса не является определяющим критерием для выбора источника тока, а также в системах бесперебойного питания, телекоммуникаций, информационных системах, для аварийного оборудования и т.д., где они работают в буферном режиме.

Конструкция герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов

Портативные герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы выпускаются в виде батарей, которые собраны в едином призматическом контейнере из пластмассы или резины (моноблочная конструкция). Положительные и отрицательные электроды аккумуляторов делаются обычно намазкой на решетку сотовой структуры. Контейнер и крышка загерметизированы. Межэлементные соединения утапливаются в углублениях крышки и залиты мастикой. Выводы аккумуляторной батареи (в виде ушка или борна) также загерметизированы. Клапанное приспособление для сброса газа при излишнем давлении состоит из резинового клапана и отражателя, служащего для улавливания капель электролита. Воздух в аккумулятор через него не поступает.

На электрических и эксплуатационных характеристиках герметизированных свинцовых аккумуляторных батарей большой емкости значительно сказываются различия в конструкции электродов (поверхностного типа, панцирные или стержневые), а также различия в сплавах, используемых для изготовления токоведущих основ.

При выборе герметизированной свинцовой аккумуляторной батареи большой емкости следует внимательно отнестись к использованному в ней способу иммобилизации электролита, поскольку известно, что в высоких аккумуляторах со стекловолокнистым сепаратором (технология AGM) со временем отмечается расслоение электролита. Такие аккумуляторы стараются проектировать высотой не более 35 см.

Электрические и эксплуатационные характеристики герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов.

Напряжение разомкнутой цепи свинцово-кислотных аккумуляторов линейно возрастает с ростом степени заряженности аккумулятора (рисунок 1). По значению напряжения разомкнутой цепи можно судить о степени разряда свинцового аккумулятора.

Рис.1. Зависимость напряжения разомкнутой цепи свинцово-кислотного аккумулятора от уровня заряженности

Номинальной емкостью свинцово-кислотного аккумулятора считается емкость, полученная при разряде в течение 20 ч, т.е. током 0,05С. Отдаваемая аккумулятором емкость значительно зависит от тока разряда, который может достигать нескольких С. Типичные разрядные характеристики при различных токах нагрузки показаны на рисунке 2.

Из рисунка видно, что от тока разряда зависит также и конечное разрядное напряжение свинцового аккумулятора.

Рис.2. Разрядные характеристики герметизированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи

Герметизированные свинцовые аккумуляторные батареи работоспособны в интервале температур от -30 до +50°С, чаще гарантируется работоспособность при температуре не ниже -15°С. При более низких температурах возможности разряда мешает замерзание электролита. Работоспособность аккумуляторов при низких температурах может быть обеспечена увеличением концентрации электролита, как это и делается в специальных аккумуляторах.

Заряд свинцово-кислотного аккумулятора.

Заряд батарей, как было сказано ранее, должен осуществляться в режиме, при котором ток должен сильно понижаться к концу заряда. Используется несколько стратегий заряда, которые требуют оборудования различной сложности и стоимости. Наиболее простое и дешевое оборудование осуществляет заряд при постоянном напряжении 2,4-2,45В/ак (потенциостатический режим). Заряд считается законченным если ток заряда остается неизменным в течении 3-х часов.

Но чаще применяют комбинированный режим, при котором начальный ток ограничивают, а по достижении заданного напряжения, заряд проводится при стабилизации напряжения (рисунок 3). Заряд проводится при постоянном токе 0,1С на первом этапе и при постоянном напряжении источника тока на втором. Большинство производителей советуют проводить заряд циклируемых батарей при постоянном напряжении 2,4В на аккумулятор.

Рис.3. Зарядные кривые герметизированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи
при комбинированном режиме заряда нормированным током 0,1С и нормированным
напряжением 2,45В/ак: 1-напрядение, 2-зарядная емкость, 3-ток заряда

Ускорение процесса заряда достигается при повышении тока на первой стадии заряда, но в соответствии с советами производителей не более чем до 0,3С. В конце заряда для большей безопасности может быть применена еще одна ступень заряда: при снижении напряжения источника питания до напряжения подзаряда аккумулятора 2,30-2,35 В.

Заряд аккумуляторных батарей, используемых, для работы в буферном режиме, проводится как правило при более низком напряжении (2,23-2,275 В). Указанные напряжения заряда не требуют изменения при заряде в некотором интервале температуры (обычно от 5 до 35°С). За пределами указанного температурного интервала, требуется компенсация влияния температуры: повышение напряжения при пониженных температурах и снижение при более высоких.

Рис.4. Рекомендуемое напряжение заряда при разных
температурах для герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора.

Саморазряд свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Саморазряд в герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторах значительно уменьшен по сравнению с вентилируемыми аккумуляторами и составляет 40% в год при 20°С и 15% при 5°С. При более высоких температурах хранения саморазряд увеличивается: при 40 °С батареи лишаются 40 % емкости за 4-5 месяцев.

Рис.5. Действие температуры на остаточную емкость
герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора: 1-40°С, 2-20°С, 3-10°С, 4-0°С

При продолжительном хранении в заряженном состоянии батареи рекомендуют периодически подзаряжать. Если они хранились при температуре ниже -20°С, то подзаряд должен проводиться 1 раз в год в течение 48 ч при постоянном напряжении 2,275 В/ак. При хранении при комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев в течение 6-12 ч при постоянном напряжении 2,4 В/ак. Хранение при температуре выше 30°С не желательно. Продолжительное хранение батареи в разряженном состоянии приводит к быстрой потере ее работоспособности.

Изменения характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов при эксплуатации

Срок службы герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, как и вентилируемых, в большинстве случаев определяется деградацией положительного электрода, которая определяется коррозией его решетки и изменениями в активной массе.

Каждый электрик должен знать:  Трехфазные тиристорные регуляторы напряжения с естественной коммутацией с фазовым управлением

Скорость коррозии решеток зависит как от состава сплава, конструкции и условий отливки, так и от температуры, при которой работают батареи. Коррозия решетки из сплава без сурьмы или с низким ее содержанием существенно медленнее по сравнению с коррозией традиционных решеток вентилируемых аккумуляторов. В качественно отлитых решетках из сплавов Pb-Ca-Sn скорость коррозии маленькая, но в плохо отлитых — отдельные участки подвергаются глубокой коррозии, что вызывает локальный ее рост и деформацию. Деформация решеток может привести к короткому замыканию разнополярных пластин. Коррозия решеток положительных пластин — самый частый дефект батарей, эксплуатируемых в буферном режиме.

При эксплуатации в циклическом режиме происходит также разрыхление активных масс положительного электрода, которое приводит к потере контакта между частицами PbO2. Емкость источника тока при этом уменьшается. Процесс разрыхления ускоряется при разряде большими импульсами тока.

В герметизированных аккумуляторах могут протекать и специфические коррозионные процессы на токоведущих деталях отрицательных пластин, которые находятся выше уровня электролита, и на борне. Так как продукты коррозии имеют больший объем, чем свинец, в результате может иметь место выдавливание компаунда, герметизирующего вывод, и повреждение борна, крышки и даже бака. Дефекты такого рода часто отмечались в аккумуляторах разных производителей на ранних этапах разработок и производства. Сейчас большая часть производителей решила эту проблему подбором сплавов для всех компонентов аккумулятора и контролем за металлургическим процессом их изготовления.

В течении эксплуатации герметизированных аккумуляторов из-за неизбежных потерь воды при открывании клапана для сброса излишнего давления газа происходит некоторое осушение сепаратора и повышение внутреннего сопротивления аккумулятора. При эксплуатации в буферном режиме количество отказов, спровоцированных высыханием аккумулятора, становится соизмеримым с отказами из-за коррозии решеток положительных электродов. В аккумуляторах с гелевым электролитом снижение количества электролита менее критично, чем в аккумуляторах с сепаратором из стекловолокна.

Факторы, влияющие на срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов

Самое большое влияние на срок службы герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора оказывают: рабочая температура, глубина разряда и величина перезаряда, а также периодичность срабатывания клапана для сброса газа.

На рисунках 6 и 7 изображено изменение срока службы в зависимости от глубины разряда и температуры окружающей среды.

Рис.6. Зависимость срока службы герметизированной свинцово-кислотной батареи от глубины разряда

Рис.7. Зависимость срока службы герметизированной
свинцово-кислотной батареи от температуры при работе в буферном режиме

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы очень чувствительны к перезаряду. На рисунке 8 изображено, как быстро уменьшается срок их службы при работе в режиме постоянного подзаряда при повышении напряжения (и тем самым — тока подзаряда) источника питания подключенного к аккумулятору.

Рис.8. Воздействие режима заряда на срок службы герметизированной
свинцово-кислотной аккумуляторной батареи при работе в буферном режиме

Следует помнить, что при заряде герметизированных аккумуляторов их температура может быть значительно выше температуры окружающей среды. Это связано как с разогревом аккумуляторов из-за реакции рекомбинации кислорода, так и с неудовлетворительным отводом тепла от плотноупакованной батареи. Разница температур особенно ощутима при ускоренном режиме заряда. Если нельзя избежать существенного увеличения температуры, то при заряде следует вводить корректировку напряжения источника питания.

Переразряд также вреден для свинцово-кислотных батарей, как и перезаряд. При многократных переразрядах уменьшается разрядная емкость и понижается срок службы аккумулятора. Такие же изменения могут происходить и при продолжительном хранении батарей в разряженном состоянии.

В связи с расширением сферы применения герметизированных свинцовых аккумуляторов до обитаемых комплексов специального назначения, где должны применяться мощные источники тока с большим напряжением, стало необходимым исследование последствий возникновения аварийных ситуаций в эксплуатации. Такие ситуации могут происходить как при разбалансировании характеристик аккумуляторов, составляющих батарею, так и в результате ошибочного обслуживания батарей или отказе управляющего оборудования. В этом случае при перезаряде или переразряде батарей, приводящем к переполюсованию наиболее слабых аккумуляторов, может произойти разгерметизация аккумуляторов или даже разрушение их баков.

Было показано, что повреждение корпуса приводит к снижению отдаваемой емкости, но более серьезных проблем не возникает. Даже при полном разрушении контейнера аккумулятора емкость его стала меньше только на 14 %, так как электролит не вытекает, а задерживается в порах электродов и сепаратора. При вскрытии 5 % площади контейнера, аккумуляторы оставались годными для циклирования при снижении разрядной емкости на 15-20 %.

При продолжительном перезаряде (током 0,25 Сн) как свежих аккумуляторов, так и после полтора года эксплуатации в режиме постоянного подзаряда, а также при заряде аккумуляторов при завышенном напряжении (2,6В), чрезвычайного разогрева аккумуляторов не происходило. Температура стабилизируется спустя 4-6 ч на уровне 50-70°С или затем медленно понижается. Но из-за выброса газов через аварийный клапан происходит осушение аккумуляторов и быстрая их деградация.

Современные герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи обладают достаточно высокими удельными энергетическими характеристиками (до 40 Втч/кг и 100 Втч/л). Они работоспособны в буферном режиме при нормальной температуре в течение продолжительного периода (более 10 лет), а при циклировании обеспечивают несколько сотен циклов до потери 20% емкости.

Свинцовые аккумуляторы

Свинцовый аккумулятор — это источник питания, конструкция которого осталась неизменной со времени его изобретения. Основное предназначение аккумуляторной батареи – оказать помощь при пуске двигателя и обеспечить питанием бортовую сеть автомобиля при неработающем двигателе. Сама аккумуляторная батарея электрический ток не вырабатывает – за счет химической реакции она его накапливает.

Иногда мы задаемся вопросом — что внутри автомобильного аккумулятора? А внутри — кислотный электролит, содержащий серную кислоту и свинцовые пластины. Это конечно упрощённо, далее расскажем поподробней.

Автомобильный аккумулятор является вторичным гальваническим элементом. Внимательное изучение его свойств и устройства поможет правильно выбрать необходимый нам продукт при покупке.

Что же такое гальванические элементы

Гальванический элемент — прибор, который преобразует химическую энергию в энергию электрическую. Главными составными частями любого гальванического элемента являются два электрода — катод и анод, размещенные в сосуде из не проводящего ток материала и заполненного электролитом.

Все многообразие применяемых гальванических элементов можно разделить на два главных типа: первичные элементы и вторичные элементы.

К числу первичных элементов относятся, например, всем известные так называемые «сухие» элементы. К вторичным элементам относятся аккумуляторные батареи всех типов. Различие между типами элементов обусловливается характером химических реакций, протекающих в них при эксплуатации.

Во вторичных элементах происходящие химические реакции обратимые. Отработавшая или разряженная АКБ может быть восстановлена (заряжена), если пропускать через неё постоянный электрический ток в обратном направлении. В процессе заряда электрическая энергия преобразуется в химическую. При следующем цикле разряда происходит обратная реакция.

Типы автомобильных аккумуляторов

Типы аккумуляторов бывают обслуживаемые и необслуживаемые.

У обслуживаемого аккумулятора можно:

  • физически просто выкрутить пробки с банок;
  • визуально определить уровень электролита и состояние свинцовых пластин;
  • замерить плотность, кипение электролита при заряде;
  • при необходимости добавить дистиллированную воду.

Если говорить языком автомобилиста – «добраться до внутренностей». Мы можем делать с аккумулятором все что захотим.

Но обслуживаемые АКБ имеют ряд недостатков:

  • из-за негерметичности батареи в процессе эксплуатации электролит может выкипать, что приводит к снижению его уровня и, как следствие, падает ёмкость, итог – проблемы с запуском автомобиля;
  • испарение воды приводит к повышению плотности электролита, следствием чего является разрушение пластин;
  • необходимо постоянно контролировать уровень электролита;
  • при нагревании электролита на внешней крышке аккумулятора (в местах расположения пробок) образуется специфический белый налет, что может привести к замыканию клемм и преждевременному частичному разряду.

Все эти недостатки – проблемы прошедших лет. Изобретатели долгие годы трудились над решением этих проблем и, наконец, нашли выход из положения – сделали аккумулятор необслуживаемым.

Отличительной чертой является отсутствие пробок на верхней крышке и как бы вы не хотели заглянуть внутрь – ничего не получится. Он стал полностью герметичным.

Какие достоинства у данного типа?

  • при нагревании электролита испаряемая жидкость в виде конденсата оседает на внутренних стенках батареи и стекает вниз.
  • АКБ можно кантовать как угодно, не боясь пролива электролита.
  • решена главная проблема – пластины всегда находятся в электролите.

Но без недостатков не бывает ни одного устройства.

На необслуживаемых батареях перемычки между банками расположены внутри корпуса. Проверить напряжение на банках практически невозможно.

На необслуживаемые аккумуляторы начали устанавливать так называемые «клапаны аварийного сброса давления». Срабатывает он в экстренных случаях, когда происходит сильный перезаряд. Наружу выходит часть испаряемого электролита, но вот обратно добавить его в батарею возможность отсутствует напрочь. Несколько перезарядов и как итог – батарея теряет ёмкость.

Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Наверняка более 90% автомобилистов знают об устройстве своего аккумулятора только из школьных уроков физики. Да в повседневной жизни это уже и не требуется. Купил – установил – забыл.

Характеристики аккумуляторных батарей, на которые обращают внимание автомобилисты при его выборе: тип батареи (обслуживаемая или безуходная), электрическая ёмкость батареи, номинальное напряжение батареи, саморазряд.

Термин «электрическая ёмкость АКБ» означает количество электричества, отдаваемого аккумулятором при разряде. Ёмкость определяется в ампер-часах.

Разрядная ёмкостью СР — количество электричества в ампер-часах, получаемое при разряде аккумулятора до допустимого напряжения. Разрядную ёмкость определяют исходя из формуле:

Ёмкость САБ существенным образом зависит от температуры электролита, особенно на стартерных режимах разряда.

Ёмкость аккумулятора может быть выражена двояко: в амперчасах или в ваттчасах. Термин «ёмкость» обозначает то количество электричества, которое можно получить от данного источника питания. Ёмкость же в ваттчасах есть мера энергии или способности производить работу.

При определении емкости какой-либо аккумуляторной батареи необходимо отмечать режим, при котором производится разряд, температуру и конечное напряжение. Ёмкость аккумулятора в основном определяется тремя факторами: разряд, температура и конечное напряжение, а при маркировке устанавливается в амперчасах.

Стандартной величиной номинального напряжения одного элемента аккумулятора является 2 вольта. Для легковых автомобилей выпускают аккумуляторы с напряжением 12в., а на грузовых применяют с напряжением 24в. Для специальной техники могут изготавливаться АКБ с напряжением, установленным производителем.

Самопроизвольный разряд аккумулятора – потеря емкости в процессе хранения, отключения внешних потребителей, температурного режима эксплуатации и качества ТО. При этом его рабочие характеристики снижаются.

Экспериментально установлено, что для свинцово-кислотных АКБ величина саморазряда варьируется от 1,5 до 3% в месяц.

Одной из причин повышенного саморазряда обслуживаемых аккумуляторов является применение не дистиллированной воды, содержащей примеси железа, хлора и различных солей.

Также при переворачивании батареи или сильной тряске происходит осыпание активного вещества с пластин.

Заглянем что внутри?

Принципиально конструкция аккумуляторов осталась неизменной со времени их изобретения: свинцовые пластины и кислота. Внутреннее пространство заполнено электролитом, состоящим из 38%-ной серной кислоты и дистиллированной воды. В каждой батарее отрицательные и положительные электроды чередуются. Между пластинами размещаются пластмассовые сепараторы. Все перемычки между элементами и батареями изготовлены из свинца.

Разберемся в конструкции АКБ подробней

Устройство автомобильного аккумулятора простое: ёмкость для размещения электродов, пластин, сепараторов и крышки. В обслуживаемых в крышке предусмотрены горловины для заливки электролита и закручивающиеся пробки. Они позволяют при необходимости доливать дистиллированную воду.

Корпуса батарей изготавливают из прочного полипропилена.

Материал корпуса не токопроводящий и химически стоек к серной кислоте. По нижнему краю корпуса предусмотрена отбортовка для жесткого крепления в автомобиле, чтобы исключить удары и падения.

Вентиляционные (лабиринтные) пробки используются в обслуживаемых батареях. Они предохраняют от выноса и выплескивания электролита, но обеспечивают свободный выход газа. В качестве лабиринтного наполнителя могут использоваться гранулы полиэтилена.

Чтобы исключить неправильное подключение батареи к бортовой сети автомобиля, свинцовые клеммные выводы отличаются по размерам, и чём вкратце описано в статье про виды аккумуляторов.

Практически все виды свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторов неремонтопригодны.

Принцип работы автомобильного аккумулятора

Принцип работы аккумулятора в автомобиле основан на процессах двух видов. При подключении к батарее потребителей (стартер, фары, приборы панели управления автомобили и др.) происходит её разряд.

При этом химическая энергия превращается в электрическую, которая, в свою очередь, может быть превращена в тепловую, механическую и световую.

Если к такому источнику питания подключить электродвигатель, то часть электроэнергии превратится в механическую, а какая-то — в тепловую.

При заряде происходит обратный процесс — электрическая энергия преобразуется в химическую.

Во время заряда на пластинах- катоде, аноде и в электролите образуются те вещества, которые вступают в электрохимическую реакцию при разряде. Химические реакции при заряде идут в обратном направлении по сравнению с химическими реакциями при разряде. Этим и объясняется то, что АКБ называют обратимым источником тока, его работа носит циклический характер: разряд-заряд.

Как заряжать аккумулятор автомобиля?

Способов зарядки существует великое множество.

Зарядка аккумуляторных батарей производится постоянно при работающем двигателе или специальным зарядным устройством.

Для заряда аккумулятора заводской готовности его нужно залить электролитом и выдержать требуемое для пропитки время, после чего подключить к зарядному устройству. Положительный полюс батареи необходимо соединить с положительным полюсом ЗУ, а отрицательный — с отрицательным. Начать заряд можно при условии, что температура электролита в банках не выше 30°С в холодной и не выше 35°С в жаркой и теплой влажной зонах, в противном случае ему надо дать остыть.

Сам процесс заряда подробно расписан в инструкциях к зарядным устройствам. О зарядке кальциевых батарей Вы можете почитать тут.

В заключение можно отметить, что практически все виды свинцово-кислотных автомобильных АКБ не ремонтопригодны.

В настоящее время вышедшие из строя АКБ, в лучшем случае, умельцы выжигают на кострах с целью получения свинца. А в основном отработавшие батареи сдают в пункты приема цветных металлов или обменивают на новые с доплатой.

Аккумулирование электрической энергии

Дата публикации: 26 марта 2020

Типы аккумуляторов электрической энергии

Аккумуляторы являются неотъемлемой частью любой системы, ориентированной на получение альтернативных видов энергии.

Наибольшее распространение к настоящему времени получили электрохимические аккумуляторы электрической энергии, в которых преобразование химической энергии в электрическую при разряде аккумулятора происходит посредством химической реакции. При зарядке аккумулятора химическая реакция протекает в обратном направлении.

Кроме электрохимических аккумуляторов электроэнергию можно запасать в конденсаторах и соленоидах (катушках индуктивности).

В заряженном конденсаторе энергия хранится в виде энергии электрического поля диэлектрика. Ввиду того что удельная энергия, запасаемая конденсатором, очень невелика (практически от 10 до 400 Дж/кг), а длительность возможного хранения энергии вследствие имеющейся ее утечки небольшая, этот тип аккумулятора энергии применяется только в тех случаях, когда надо отдать электроэнергию потребителю за очень короткое время при кратком сроке ее хранения.

В соленоиде электрическая энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля. Поэтому этот тип накопителя именуется электромагнитным. Но время выдачи энергии электромагнитными аккумуляторами обычно измеряется даже не секундами, а долями секунды.

Для зарядки аккумулятора нужен внешний источник энергии, причем в процессе зарядки могут возникать потери энергии. После зарядки аккумулятор может оставаться в состоянии готовности (в заряженном состоянии), но и в этом состоянии часть энергии может теряться из-за произвольного рассеяния, утечки, саморазряда или других подобных явлений. При отдаче энергии из аккумулятора также могут возникать ее потери; кроме того, иногда невозможно получить обратно всю аккумулированную энергию. Некоторые аккумуляторы устроены так, что в них должна оставаться некоторая остаточная энергия.

Характеристики аккумуляторов

Основной характеристикой аккумулятора является его электрическая ёмкость. Единицей измерения этой ёмкости является ампер-час (А·ч) — внесистемная единица измерения электрического заряда.

Исходя из физического смысла, 1 ампер-час — это электрический заряд, который проходит через поперечное сечение проводника в течение одного часа при наличии в нём тока силой в 1 ампер. Теоретически заряженный аккумулятор с заявленной ёмкостью в 1 А·ч способен обеспечить силу тока 1 ампер в течение одного часа (или, например, 0,1 А в течение 10 часов, или 10 А в течение 0,1 часа).

На практике же емкость аккумулятора рассчитывают исходя из 20-часового цикла разряда до конечного напряжения, которое для автомобильных аккумуляторов составляет 10,8 В. Например, надпись на маркировке аккумулятора «55 А·ч» означает, что он способен выдавать ток 2,75 ампер на протяжении 20 часов, и при этом напряжение на клеммах не опустится ниже 10,8 В.

Слишком большой ток разряда аккумулятора приводит к менее эффективной отдаче электроэнергии, что нелинейно уменьшает время его работы с таким током и может приводить к перегреву.

Производители аккумуляторов иногда в качестве емкости указывают в технических характеристиках запасаемую энергию в Вт·ч. Поскольку 1 Вт = 1 А * 1 В, то если запасаемая энергия равна 720 Вт·ч мы можем поделить это значение на величину напряжения (скажем 12 В) и получим емкость в ампер-часах (в нашем примере 720 Вт·ч / 12 В = 60 А·ч.).

Свинцово-кислотные аккумуляторы

В заряженном состоянии анод (отрицательный электрод) такого аккумулятора состоит из свинца, а катод (положительный электрод) — из двуокиси свинца РbO2 . Оба электрода изготовлены пористыми, чтобы площадь их соприкосновения с электролитом была как можно больше. Конструктивное исполнение электродов зависит от назначения и емкости аккумулятора и может быть весьма разнообразным.

Химические реакции при заряде и разряде аккумулятора представляются формулой

РbO2 + Рb + 2Н2SO4 2РbSO4 + Н2О

Для заряда аккумулятора теоретически требуется удельная энергия 167 Вт/кг. Этим же числом выражается, следовательно, и теоретический его предел удельной аккумулирующей способности. Однако фактическая аккумулирующая способность намного меньше, вследствие чего из аккумулятора при разряде обычно получается электрическая энергия приблизительно 30 Вт/кг. Факторы, обусловливающие снижение аккумулирующей способности, наглядно представлены на рис. 1. Кпд аккумулятора (отношение энергии, получаемой при разряде, к энергии, расходуемой при заряде) обычно находится в пределах от 70 % до 80 %.


Рис.1. Теоретическая и фактическая удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора

Различными специальными мерами (повышением концентрации кислоты до 39 %, использованием пластмассовых конструкционных частей и медных соединительных частей и др.) в последнее время удалось повысить удельную аккумулирующую способность до 40 Вт•ч/кг и даже немногим выше.

Из вышеприведенных данных вытекает, что удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора (а также, как будет показано в дальнейшем, и других типов аккумуляторов) существенно ниже, чем первичных гальванических элементов. Однако этот недостаток обычно компенсируется

  • возможностью многократного заряда и, как результат, приблизительно десятикратным снижением стоимости получаемой из аккумулятора электроэнергии,
  • возможностью составлять аккумуляторные батареи с очень большой энергоемкостью (при необходимости, например, до 100 МВт•ч).

Каждый цикл заряда-разряда сопровождается некоторыми необратимыми процессами на электродах, в том числе медленным накапливанием невосстанавливающегося сернокислого свинца в массе электродов. По этой причине через определенное число (обычно приблизительно 1000) циклов аккумулятор теряет способность нормально заряжаться. Это может случиться и при длительном неиспользовании аккумулятора, так как электрохимический разрядный процесс (медленный саморазряд) протекает в аккумуляторе и тогда, когда он не соединен с внешней электрической цепью. Свинцовый аккумулятор теряет из-за саморазряда обычно от 0,5 % до 1 % своего заряда в сутки. Для компенсации этого процесса в электроустановках используется постоянный подзаряд при достаточно стабильном напряжении (в зависимости от типа аккумулятора, при напряжении от 2,15 В до 2,20 В).

Другим необратимым процессом является электролиз воды («закипание» аккумулятора), возникающий в конце зарядного процесса. Потерю воды легко компенсировать путем доливки, но выделяющийся водород может вместе с воздухом привести к образованию взрывоопасной смеси в аккумуляторном помещении или отсеке. Во избежание опасности взрыва должна предусматриваться соответствующая надежная вентиляция.

Другие типы аккумуляторов

В последние 20 лет появились герметически закрытые свинцовые аккумуляторы, в которых применяется не жидкий, а желеобразный электролит. Такие аккумуляторы могут устанавливаться в любом положении, а кроме того, учитывая, что во время заряда они не выделяют водорода, могут размещаться в любых помещениях.

Кроме свинцовых выпускается более 50 видов аккумуляторов, основанных на различных электрохимических системах. В энергоустановках довольно часто находят применение щелочные (с электролитом в виде раствора гидроокиси калия КОН) никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы, ЭДС которых находится в пределах от 1,35 В до 1,45 В, а удельная аккумулирующая способность — в пределах от 15 Вт•ч/кг до 45 Вт•ч/кг. Они менее чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды и менее требовательны к условиям эксплуатации. Они обладают также большим сроком службы (обычно от 1000 до 4000 циклов заряда-разряда), но их напряжение изменяется во время разряда в более широких пределах, чем у свинцовых аккумуляторов, и кпд у них несколько ниже (от 50 % до 70 %).

В литий-ионных аккумуляторах анод состоит из углерода, содержащего в заряженном состоянии карбид лития LiхC6, а катод — из окиси лития и кобальта Li1-хCoO2. В качестве электролита применяются твердые соли лития (LiPF6, LiBF4, LiClO4 или другие), растворенные в жидком органическом растворителе (например, в эфире). К электролиту обычно добавляют сгуститель (например, кремнийорганические соединения), благодаря чему он приобретает желеобразный вид. Электрохимические реакции при разряде и заряде заключаются в переходе ионов лития с одного электрода на другой и протекают по формуле

По внешней форме элементы литий-ионных аккумуляторов могут быть плоскими (похожими на четырехугольные пластины) или цилиндрическими (с рулонными электродами). Выпускаются также аккумуляторы, в которых применяются другие материалы анода и катода. Одним из важных направлений развития является разработка быстрозаряжаемых аккумуляторов.

Существует много других видов аккумуляторов (всего около 100). Например, в системах электроснабжения самолетов, где масса оборудования должна быть как можно меньше, находят применение серебряно-цинковые аккумуляторы с удельной аккумулирующей способностью, в среднем, 100 Вт•ч/кг. Наивысшую ЭДС (6,1 В) и наибольшую удельную аккумулирующую способность (6270 Вт•ч/кг) имеют фторо-литиевые аккумуляторы, серийного производства которых, однако, еще нет.

Первичные гальванические элементы хорошо подходят для работы в длительном режиме, а аккумуляторы могут использоваться как для длительной работы, так и для покрытия кратковременных и толчковых нагрузок. Конденсаторы и катушки индуктивности используются, главным образом, для покрытия импульсных нагрузок и для выравнивания мощности при быстрых изменениях нагрузок. Для выравнивания мощности, отдаваемой в энергосистему ветряными и солнечными электростанциями, могут применяться комбинации аккумуляторов с ультраконденсаторами.

Каждый электрик должен знать:  Схема подключения звонка в квартире с одной и двумя кнопками

Область применения некоторых аккумулирующих устройств по длительности нагрузки и по отдаваемой мощности характеризует рис. 2.

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

ВАЖНЕЙШИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АККУМУЛЯТОРОВ

Электродвижущая сила. Электродвижущей силой (э. д.с.) Е аккумулятора называется разность его электродных потенциалов при разомкнутой цепи, т. е. при отсутствии тока в цепи;

Где ф+ и ф_—соответственно равновесные потенциалы положитель­ного и отрицательного электродов.

Величину э. д.с. измеряют вольтметром’ с большим внутренним сопротивлением или потенциометром. Э. д. с. батареи состоящей из п источников тока, соединенных последовательно, равна сумме э. д.с. отдельных аккумуляторов

Внутреннее сопротивление. Внутренним сопротивле­нием аккумулятора г называется сопротивление, оказываемое им при прохождении внутри него постоянного тока

Первое из этих слагаемых г0 называется омическим сопротивлением и представляет собой сумму сопротивлений электродов и электро­лита. Появление второго слагаемого гп обусловлено изменением электродных потенциалов при прохождении тока. Поэтому оно называется сопротивлением поляризации. Величина его зависит от силы тока.

В процессе разряда аккумулятора внутреннее сопротивление увеличивается, так как обе его составляющие г0 и гп возрастают из-за изменения состава электролита и электродов (главным обра­зом поверхностного слоя). Величина внутреннего сопротивления зависит также от размеров и конструкций аккумулятора: чем боль­ше размеры аккумулятора и чем меньше расстояние между пла­стинами, тем меньше его внутреннее сопротивление. Значения г
при разряде и заряде аккумулятора выражаются формулами

Где и3 — зарядное напряжение; ир — разрядное напряжение; Е — э. д.с., 1 — ток.

Разрядное и зарядное н а п р я ж е н и я. Разрядное (ир) и зарядное (и3) напряжения связаны с э. д.с. аккумулятора Е урав­нениями

Средние значения напряжения аккумулятора при заряде и раз­ряде могут быть определены как средние арифметические из ряда значений напряжения, измеренных через равные интервалы вре­мени.

Емкость, энергия и отдача. Емкость аккумулятора представляет собой меру электрохимических реакций, происходя­щих в аккумуляторе, и выражается в ампер-часах. Различают за­рядную и разрядную емкость аккумуляторов.

Емкостью при заряде Q3 называют количество электричества, которое требуется израсходовать при заряде аккумулятора в дан­ных условиях. Значение Q3 при постоянной силе тока находят ум­ножением зарядного тока на продолжительность заряда

Разрядной емкостью Qp называется то количество электричест­ва, которое может быть получено от аккумулятора при данных ус­ловиях работы, т. е. при данной температуре, данных величинах разрядного тока и конечного разрядного напряжения. Разрядную емкость при постоянной силе тока находят умножением силы тока на продолжительность разряда:

Емкость аккумулятора зависит от количества заложенных в не­го активных маіериалов и степени их использования. Использова­ние активных материалов тем лучше, чем слабее ток разряда и чем выше температура электролита. Увеличение температуры имеет не­который предел, выше которого нормальной работе аккумулятора препятствуют побочные явления.

Кроме указанных емкостей существует номинальная или гаран­тированная емкость. Номинальной называется минимально допусти­мая емкость источника тока, которую тот должен отдавать в режи­ме работы, указанном заводом-изготовителем (нормальный ре­
жим). Фактическая емкость источника тока обычно на 10—20% превосходит величину его номинальной емкости.

Разрядная емкость аккумулятора зависит от температуры и плотности тока.

Для вычисления емкости при различных температурах поль­зуются уравнением

Где Qf, — емкость, найденная при tu Qt% — емкость, рассчитанная при t2; а — температурный коэффициент емкости, равный 0,007— 0,008 для аккумуляторов с толстыми пластинами и 0,01—для аккумуляторов с тонкими пластинами.

Для определения емкости при других плотностях тока приме­няется формула Пейкерта

Где /—разрядный ток, А; Т—время разряда, ч; z и k — посто­янные.

Значения г и k определяются следующим образом. Для двух различных режимов, для которых токи и продолжительность разря­да соответственно равны /ь Ті и Т2, очевидно, можно записать

/*7’1 = /з7’3=Л или после логарифмирования

Z=MlzlIMLL, lg/i— Ig h ‘

Постоянная k может быть определена из предыдущего уравнения. Зная k для данного аккумулятора и г для всех аккумуляторов аналогичного типа, можно вычислить емкость при любой другой силе тока. Величина z колеблется для различных типов свинцовых аккумуляторов в пределах от 1,35 до 1,72, причем для стационар­ных типов она равна 1,35.

Если обозначить через Qi известную емкость аккумулятора при разряде током h в течение Т, то искомую емкость Q2 при разряде током h можно определить по формуле Пейкерта следующим об­разом

Энергия аккумулятора W выражается произведением его емко­сти на среднее напряжение

Для аккумуляторов различают величины отдачи по емкости t]q, по энергии т)^ и по напряжению т)и-

Значения этих величин при постоянной силе тока находят по формулам

При равенстве и постоянстве зарядного и разрядного токов можно показать, что

Для сравнения различных типов аккумуляторов пользуются удельными величинами: емкостью, энергией или мощностью, отне­сенными к единице массы или объема источника тока.

Удельную емкость выражают в ампер-часах на 1 кг или на 1 л, удельную энергию — в ватт-часах на 1 кг или 1 л, удельную мощ­ность— в ваттах на 1 кг или 1 л.

Саморазряд и срок службы. Саморазрядом называется бесполезная самопроизвольная потеря емкости аккумулятора при разомкнутой внешней цепи. Этот процесс вызван главным образом взаимодействием активных масс электродов и электролита. Само­разряд С обычно выражается в процентах потери емкости за сутки.

Где Qi и Q2 — емкости аккумулятора до и после хранения; t — про­должительность хранения в сутках.

В тех случаях, когда саморазряд сопровождается заметным вы­делением газов на электродах, что имеет место, например, в случае саморазряда отрицательного электрода свинцового аккумулятора скорость саморазряда может быть определена измерением объема газа, выделившегося за определенное время. Расчет скорости само­разряда для каждого из электродов производится согласно фор­мулам

Где У0 — объем выделившегося газа при нормальных условиях; 0,209 и 0,418 — объемы кислорода и водорода, выделившиеся при саморазряде, равном 1 А-ч.

Для аккумуляторов важной эксплуатационной характеристикой является также срок их службы. Срок службы выражают либо во
времени, в течение которого аккумулятор пригоден для разрядов и зарядов, либо числом циклов заряда и разряда, в течение кото­рых аккумулятор способен отдавать емкость не ниже предусмот­ренной для данного типа.

Как устроены и работают аккумуляторы

В широком смысле слова в технике под термином «Аккумулятор» понимается устройство, которое позволяет при одних условиях эксплуатации накапливать определенный вид энергии, а при других — расходовать ее для нужд человека.

Их применяют там, где необходимо собрать энергию за определенное время, а затем использовать ее для совершения больших трудоемких процессов. Например, гидравлические аккумуляторы, используемые в шлюзах, позволяют поднимать корабли на новый уровень русла реки.

Электрические аккумуляторы работают с электроэнергией по этому же принципу: вначале накапливают (аккумулируют) электричество от внешнего источника заряда, а затем отдают его подключенным потребителям для совершения работы. По своей природе они относятся к химическим источникам тока, способным совершать много раз периодические циклы разряда и заряда.

Во время работы постоянно происходят химические реакции между компонентами электродных пластин с заполняющим их веществом — электролитом.

Принципиальную схему устройства аккумулятора можно представить рисунком упрощенного вида, когда в корпус сосуда вставлены две пластины из разнородных металлов с выводами для обеспечения электрических контактов. Между пластинами залит электролит.

Работа аккумулятора при разряде

Когда к электродам подключена нагрузка, например, лампочка, то создается замкнутая электрическая цепь, через которую протекает ток разряда. Он формируется движением электронов в металлических частях и анионов с катионами в электролите.

Этот процесс условно показан на схеме с никель-кадмиевой конструкцией электродов.

Здесь в качестве материала положительного электрода используют окислы никеля с добавками графита, которые повышают электрическую проводимость. Металлом отрицательного электрода работает губчатый кадмий.

Во время разряда частицы активного кислорода из окислов никеля выделяются в электролит и направляются на отрицательные пластины, где окисляют кадмий.

Работа аккумулятора при заряде

При отключенной нагрузке на клеммы пластин подается постоянное (в определенных ситуациях пульсирующее) напряжение большей величины, чем у заряжаемого аккумулятора с той же полярностью, когда плюсовые и минусовые клеммы источника и потребителя совпадают.

Зарядное устройство всегда обладает большей мощностью, которая «подавляет» оставшуюся в аккумуляторе энергию и создает электрический ток с направлением, противоположным разряду. В результате внутренние химические процессы между электродами и электролитом изменяются. Например, на банке с никель кадмиевыми пластинами положительный электрод обогащается кислородом, а отрицательный — восстанавливается до состояния чистого кадмия.

При разряде и заряде аккумулятора происходит изменение химического состава материала пластин (электродов), а электролита не меняется.

Способы соединения аккумуляторов

Величина тока разряда, которую может выдержать одна банка, зависит от многих факторов, но в первую очередь от конструкции, примененных материалов и их габаритов. Чем значительнее площадь пластин у электродов, тем больший ток они могут выдерживать.

Этот принцип используется для параллельного подключения однотипных банок у аккумуляторов при необходимости увеличения тока на нагрузку. Но для заряда такой конструкции потребуется поднимать мощность источника. Этот способ используется редко для готовых конструкций, ведь сейчас намного проще сразу приобрести необходимый аккумулятор. Но им пользуются производители кислотных АКБ, соединяя различные пластины в единые блоки.

В зависимости от применяемых материалов, между двумя электродными пластинами распространенных в быту аккумуляторов может быть выработано напряжение 1,2/1,5 или 2,0 вольта. (На самом деле этот диапазон значительно шире.) Для многих электрических приборов его явно недостаточно. Поэтому однотипные аккумуляторы подключают последовательно, причем это часто делают в едином корпусе.

Примером подобной конструкции служит широко распространенная автомобильная разработка на основе серной кислоты и свинцовых пластин-электродов.

Обычно в народе, особенно среди водителей транспорта, принято называть аккумулятором любое устройство, независимо от количества его составных элементов — банок. Однако, это не совсем правильно. Собранная из нескольких последовательно подключенных банок конструкция является уже батареей, за которой закрепилось сокращенное название «АКБ» . Ее внутреннее устройство показано на рисунке.

Любая из банок состоит из двух блоков с набором пластин для положительного и отрицательного электродов. Блоки входят друг в друга без металлического контакта с возможностью надежной гальванической связи через электролит.

При этом контактные пластины имеют дополнительную решетку и отдалены между собой разделительной пластиной — сепаратором.

Соединение пластин в блоки увеличивает их рабочую площадь, снижает общее удельное сопротивление всей конструкции, позволяет повышать мощность подключаемой нагрузки.

С внешней стороны корпуса такая АКБ имеет элементы, показанные на рисунке ниже.

Из него видно, что прочный пластмассовый корпус закрыт герметично крышкой и сверху оборудован двумя клеммами (обычно конусной формы) для подключения к электрической схеме автомобиля. На их выводах выбита маркировка полярности: «+» и «-». Как правило, для блокировки ошибок при подключении диаметр положительной клеммы немного больше, чем у отрицательной.

У обслуживаемых аккумуляторных батарей сверху каждой банки размещена заливная горловина для контроля уровня электролита или доливки дистиллированной воды при эксплуатации. В нее вворачиваются пробка, которая предохраняет внутренние полости банки от попадания загрязнений и одновременно не дает выливаться электролиту при наклонах АКБ.

Поскольку при мощном заряде возможно бурное выделение газов из электролита (а этот процесс возможен при интенсивной езде), то в пробках делаются отверстия для предотвращения повышения давления внутри банки. Через них выходят кислород и водород, а также пары электролита. Подобные ситуации, связанные с чрезмерными токами заряда, желательно избегать.

На этом же рисунке показано соединение элементов между банками и расположение пластин-электродов.

Стартерные автомобильные АКБ (свинцово-кислотные) работают по принципу двойной сульфатации. На них во время разряда/заряда происходит электрохимический процесс, сопровождающийся изменением химического состава активной массы электродов с выделением/поглощением в электролит (серную кислоту) воды.

Этим объясняется повышение удельной плотности электролита при заряде и снижение при разряде батареи. Другими словами, величина плотности позволяет оценивать электрическое состояние АКБ. Для ее замера используют специальный прибор — автомобильный ареометр.

Входящая в состав электролита кислотных батарей дистиллированная вода при отрицательной температуре переходит в твердое состояние — лед. Поэтому, чтобы автомобильные аккумуляторы не замерзали в холодное время, необходимо применять специальные меры, предусмотренные правилами эксплуатации.

Какие существуют типы аккумуляторов

Современное производство для различных целей выпускает более трех десятков разнообразных по составу электродов и электролиту изделий. Только на основе лития работает 12 известных моделей.

В качестве металла электродов могут встретиться:

Основные характеристики аккумуляторов

Существует множество устройств использующих источник сохранённой электрической энергии — аккумулятор. Он применяется везде, от сотовых телефонов, электронных часов, калькуляторов, фонариков, систем жизнеобеспечения и до систем запуска двигателей автотранспорта. Об электрических накопителях, чем отличаются разные виды таких источников питания, какие нужно знать важные характеристики аккумулятора, правила безопасности его использования будет рассказано далее.

Аккумулятор

Для понимания принципа работы аккумулятора необходим небольшой исторический экскурс появления химических элементов питания. Первый прообраз батарейки датирован 1800 годом. Его создал Аллесандро Вольта. Погрузив две пластины разных металлов в кислоту (цинк и медь), он получил постоянный ток на них. Проводя опыт наблюдалось постепенно растворение цинковой пластины, а медная покрывалась пузырьками газа. Название подобного элемента питания — «Вольтов столб».

Устройства хранения энергии работают похожем методом, только химические реакции частично обратимы, пущенный обратно движению тока разряда электрический ток восстанавливает химический состав металлов пластин.

Основа любого сохраняющего заряд устройства — две пластины химически разных металлов соединённых прослойкой электролита. Такая прослойка бывает жидкой (к примеру, свинцовые варианты), бывает пористой массой пропитанной электропроводящим составом. Материал изготовления пластин электродов батареи определяет характеристики аккумулятора. Для свинцовых накопителей, использующихся для автотранспорта одна пластина из свинца, вторая состоит из его диоксида. Такие устройства помечаются, символами Pb на корпусе. Для самых распространённых среди бытовой техники ионно-литиевых источниках питания (Li-Ion) используется один алюминиевый электрод, а второй медный.

Несколько таких сборок пластин, электрически соединённых между собой называются батареей. Сборка необходима для получения необходимого вольтажа. Характеристики аккумуляторных батарей непосредственно зависят от того какие характеристики аккумулятора присутствуют на каждой паре металлических пластин.

Все распространенные виды накопителей энергии:

Таблица не является абсолютно полной, так как постоянно разрабатываются новые виды батарей.

Технические характеристики

На сферу применения элемента питания сильно влияют технические характеристики аккумулятора. Наиболее важнейшие из них:

  • ёмкость,
  • плотность выдаваемой энергии,
  • напряжение батареи,
  • насколько её можно разрядить до момента невозможности последующего заряда,
  • срок службы,
  • рабочая температура,
  • скорость саморазряда,
  • выдаваемая сила тока,
  • габариты и вес,
  • вид исполнения.

Ёмкость, напряжение и сила тока

Основные характеристики АКБ:

  1. Ёмкость батареи — сколько энергии она может сохранить. Измеряется ампер-часами (зачастую помечается mAh). Другими словами, 2000 мА/ч к примеру, означает, что батарея будет работать 2000 часов, тратя 1 миллиампер за час, при токе 12В. При потреблении 100 миллиампер, 12В работать накопитель будет только 20ч.

Объяснить работу батареи можно аналогично баку воды. Есть бак (аккумулятор), от него идёт труба фиксированного диаметра (вольты), чем сильнее напор или по-другому давление исходящей струи по трубе (амперы), тем быстрее закончится бак (АКБ).

Чрезмерная перезарядка батареи может вызвать саморазрушение.

  1. Напряжение батареи — сколько максимально вольт выдаёт аккумулятор при полной зарядке. По мере того, как батарея разряжается – вольтаж выхода уменьшается.
  2. Сила тока – максимальное значение тока разряда аккумулятора, которое может выдать батарея за определённый период времени. Если превысить его, например, коротким замыкания между клеммами, то последствия непредсказуемы. Например, ион-литьевые батареи сильно перегреваются и могут попросту взорваться.

Рабочий диапазон температур

Любой производитель указывает срок жизни, количество выдаваемого тока, вольтаж для идеального температурного режима. Привязка происходит непосредственно к скорости прохождения химических реакций. Ниже температура — медленнее проходят, быстрее накопитель разряжается. При нагреве – наоборот скорость разрядки снижается.

Саморазряд аккумуляторов

Любое устройство сохранения энергии подвержено саморазряду. Полностью заряженное, оно постепенно теряет заряд, даже будучи отключенным от источников потребления тока. Обусловлено происходящим внутри химическим процессам, которые даже если потребление тока нет — продолжаются. Только идут медленнее. Даже аккумулятор без нагрузки содержит электрическую связь через электролит между электродами. Все равно происходит внутренний обмен ионами веществ, вызывающий саморазряд.

Разные химические виды устройств хранения электрической энергии по-разному подвержены подобному процессу. Лидируют никелево-железные, которые теряют 15% своего заряда на протяжении месяца хранения без нагрузки. Наиболее долго сохраняют запасённую энергию – ионно-литиевые модели, у них уходит около 2%.

Допустимая глубина разряда

Любая хранящая электроэнергию батарея состоит из множества последовательно электрически связанных пар пластин. Если полностью, до нуля разрядить какую-либо пару, то она поменяет полюса и начнёт передавать ток обратно (конечно сила тока будет намного меньше). Происходит это из-за течения химических реакций, ведь принцип работы любого источника питания — ионный обмен. Когда катодная пластина соберёт достаточно ионов, а анодная их чересчур много потеряет, то начнётся процесс обратной передачи, другими словами анод станет катодом, а катод анодом. Чем это грозит для всего аккумулятора? Электрическая цепь разрывается, после чего накопитель перестает выдавать ток. Соответственно вся батарея перестанет работать.

Что бы не допустить подобной ситуации современные источники питания содержат микросхему, ограничивающую ток полного разряда аккумулятора, отсекая потребителя когда достигнут определенный пороговый уровень. Особенно распространены подобные аккумуляторы, поставляемые с различными высокотехнологичными устройствами (например, смартфонами, сотовыми телефонами).

Примечание! Возможно, некоторым знакомо состояние, когда аккумулятор сотового телефона «умер». Так вот причина этому – контроллер питания. Если оставшейся энергии слишком мало для работы микросхемы, то устройство питания останется заблокированным, так как контроллер просто не даст сигнал, открывающий схемы подключения потребителя.

Срок службы

Аккумулятор — химический элемент, срок службы которого ограничен. Со временем восстановительные химические реакции, которые происходят под воздействием тока, ослабевают, элементы начинают терять ёмкость, полностью истощаясь. Наиболее показательны устройства, содержащие жидкий электролит. Собственно, их проводящая жидкость — щелочной или кислотный раствор, который также разрушает структуру металлов пластин. Кроме всего прочего, идущие химические реакции понижают плотность раствора, уменьшая силу воздействия. Свинцово — кислотные служат максимально 7 лет. Ионно-литиевые 7-20. Наиболее живучие — никель-кадмиевые. Срок службы — 25 лет.

Есть маленький нюанс. Срок службы обычно указан для идеальных условий, при правильных циклах разряда — перезаряда, работе в комнатной температуре с равномерными расходами тока. Реальный срок жизни намного ниже. Особенно у Li-Ion накопителей. Носимые устройства постоянно меняют температурные среды (улица, дом), неправильно заряжаются (никто не ждёт разрядки 25%, чтобы зарядить). Автомобильные системы запуска двигателя тоже постоянно подвергаются перепадам температур. Правда, свинцовые элементы питания не настолько сильно подвержены влиянию окружающей среды.

Форм-факторы

Сохраняющие заряд элементы бывают различных видов форм-факторов. Бывают отдельными, бывают встраиваемыми вариантами. Все зависит от срока жизни химического типа элемента. Если производитель решил, что срок эксплуатации какого-либо прибора будет равен сроку жизни батареи, — элемент питания будет встроенным. Остальные случаи подразумевают замену истощивших свой ресурс батарей.

Габариты и вес

Немаловажная характеристика аккумуляторной батареи – её вес. Зачастую ёмкость, включая количество выдаваемого тока (ампер), его вольты напрямую зависят от размера самой связки пар электродов. Кроме того, вес с объёмом привязаны к виду химических процессов с материалами изготовления пластин. К примеру, свинцовые пластины, причем погруженные электролит при общем корпусе, будут намного тяжелее, чем сборка алюминиевой — медной фольги с влажной прослойкой между ними.

Причина, почему нет производства автомобильных литьевых батарей — высокая цена относительно ёмкости. Ещё фактор — чувствительность температурных перепадов.

Техника безопасности

Не стоит забывать, что любой элемент питания содержит достаточно активные химические вещества, которые могут представлять определённую опасность для человека. Особенно касается бытовых вариантов накопителей, содержащих литий. Это очень активный металл, который нельзя перегревать. Сборки, содержащие его, при определённой температуре нагрева могут попросту взорваться. Это случается очень редко, поэтому использование его относительно безопасно. Перегрев может стать результатом короткого замыкания полюсов батареи. Замыкающий проводник проведёт через себя максимальное количество тока накопителя, вызывая перегрев.

Вообще никакой аккумулятор нельзя замыкать между полюсами накоротко. Химические реакции, происходящие в нем в этот момент, начнут идти с повышенной скоростью. Результат этого непредсказуем. Кроме перегрева может произойти разрушение корпуса батареи при выделении газов.

Никакое устройство накопления электрического разряда нельзя перегревать. Стоит электролиту, даже относительно безопасных щелочных аккумуляторов закипеть — корпус батареи просто разорвёт. А щёлочь или кислота — это тоже очень вредные вещества для человека. Будь они хоть жидкие (ожоги), хоть в виде пара (ожоги слизистых, лёгких).

Заключение

С развитием технических возможностей происходит развитие всей элементарной базы техники, включая аккумуляторные батареи. Появляются новые виды, включая экзотические, например, начинается производство полимер-углеродных гибких батарей, заменяющих традиционные ионно-литиевые. Поэтому информация описанная статьей не окончательна, она только рассказывает об основных, используемых сейчас, видах аккумуляторов.

Подробно о характеристиках и видах автомобильных аккумуляторов

В какой-то момент автолюбители сталкиваются с проблемой выбора автомобильного аккумулятора. Те, кто совсем не понимает в аккумуляторах, идут несколькими путями. Некоторые просто покупают точно такую модель, другие обращаются за помощью к знающим друзьям. Есть и те, кто консультируется в сервисах технического обслуживания и автомобильных магазинах. В этом материале мы попытаемся объяснить основные характеристики автомобильных аккумуляторов и разберём основную терминологию.

Назначение аккумуляторных батарей и основные типы

Автомобильный аккумулятор обеспечивает питание различных потребителей в автомобиле в тот момент, когда двигатель заглушён или работает с малой частотой вращения коленчатого вала (холостой ход). При работе мотора на высокой частоте вращения питание потребителей идёт от генератора. Аккумулятор также вступает в дело, когда генератор не справляется с нагрузкой.

Среди свинцово-кислотных аккумуляторов можно выделить класс гелевых батарей, обладающих более продвинутыми характеристиками по сравнению с жидким электролитом. Кислота в них находится в гелеобразном состоянии. Подробнее о том, что такое аккумуляторная кислота, читайте в материале по ссылке. Есть и другие модификации кислотных батарей. В основном различия в них сводятся к добавлению разных легирующих элементов в свинцовые пластины. Это может быть кальций, серебро. Кстати, в пластины большинства стандартных аккумуляторов добавляется сурьма. В результате увеличивается стойкость пластин к нагреву и охлаждению.

Большинство легирующих добавок увеличивают стойкость пластин к коррозии и сульфатации, но имеют и свои недостатки.

Есть ещё аккумуляторы, которые выполняются по технологии «никель-металлогидрид», а также литиевые батареи. Последние, в свою очередь, подразделяются на ионные, фосфатные и полимерные. Никель-металлогидридные и литиевые аккумуляторы имеют специфические характеристики и используются в автомобилях с гибридными двигателями. Такие АКБ не могут работать в сети питания стандартного авто.

Каждый электрик должен знать:  Наведенное напряжение и меры защиты от него

Автомобильные аккумуляторы можно классифицировать по такой характеристике, как напряжение. Вы можете посмотреть эту классификацию в таблице ниже.

Номинальное напряжение, В Вид транспортного средства
Номинальное напряжение, В Вид транспортного средства
6 мопеды, квадроциклы, скутеры и т.п.
12 легковые автомобили, мотоциклы
24 грузовые автомобили, спецтехника

  • Ёмкость;
  • Ток холодной прокрутки;
  • Электродвижущая сила (ЭДС);
  • Внутреннее сопротивление и напряжение;
  • Полярность;
  • Степень заряженности;
  • Особенности конструкции: масса, типоразмер;
  • Срок эксплуатации;
  • Срок хранения;
  • Саморазряд.

Теперь пройдёмся по ним подробнее.
Вернуться к содержанию

Ёмкость

Ёмкость аккумулятора – это характеристика, показывающая количество электричества, которое он отдаёт, разряжаясь до минимально допустимого напряжения. Измеряется ёмкость в Ампер-часах (А-ч). Подробно о том, что такое ампер-час, читайте по ссылке. Номинальную ёмкость автомобильного аккумулятора проверяют следующим образом. Ведётся разрядка аккумулятора до напряжения 10,5 вольта силой тока, составляющей 0,05 от указанной ёмкости АКБ, в течение 20 часов. Температура электролита при этом должна находиться в интервале 18–27 градусов Цельсия.

Формула расчета тока разряда аккумулятора

На практике проверка ёмкости АКБ выглядит так. К примеру, у вас батарея номиналом 50 А-ч. К выводам АКБ подключается такая нагрузка, чтобы ток был 2 ампера (к примеру, лампочка 24 ватт, 12 Вольт). Разряд ведётся до напряжения на клеммах 10,5 вольта. Время разрядки на исправной батарее вычисляется, как 50 А-ч / 2 ампера = 25 часов. При эксплуатации аккумулятора ёмкость постоянно уменьшается и концом службы батареи считается ёмкость примерно 40 процентов от номинала.

Если вы будете таким способом проверять ёмкость нового аккумулятора, будьте готовы к тому, что время разряда сначала будет меньше. Такую характеристику, как ёмкость, аккумулятор набирает после трёх – пяти циклов заряда – разряда.

Для определения ёмкости аккумуляторной батареи можно использовать такой прибор, как нагрузочная вилка. В состав этого устройства входят вольтметр, нагрузочное сопротивление, контактные клеммы (площадки), корпус, рукоятка. Нагрузочное сопротивление выбирается так, чтобы ток был равен:

Формула расчета ёмкости аккумулятора

Ёмкость аккумулятора зависит от многих параметров. Это:

  • Количество пластин и их конструкция;
  • Температура;
  • Сила разрядного тока и режим разряда;
  • Изношенность.

И это неполный перечень характеристик. Ёмкость – это единственный параметр автомобильного аккумулятора, который наиболее полно характеризует его состояние. Чтобы продлить срок службы свинцово-кислотной батареи, лучше всего использовать небольшую часть от её ёмкости до процесса зарядки. При глубоких разрядах срок службы аккумулятора автомобиля значительно сокращается.

В таблице ниже можно посмотреть таблицу примерного соответствия ёмкости аккумулятора типу транспортного средства (объёму двигателя).

Ёмкость аккумулятора, А-ч Транспортное средство Объем двигателя, л
Ёмкость аккумулятора, А-ч Транспортное средство Объем двигателя, л
55 легковые автомобили 1 — 1,6
60 легковые автомобили 1,3 — 1,9
66 легковые автомобили (кроссоверы, внедорожники) 1,4 — 2,3
77 грузовые автомобили малой грузоподъемности 1,6 — 3,2
90 грузовые автомобили средней грузоподъемности 1,9 — 4,5
140 грузовые автомобили 3,8 — 10,9
190 спецтехника (экскаваторы, бульдозеры) 7,2 — 12
200 грузовые автомобили (фуры, автопоезда) 7,5 — 17

Вернуться к содержанию

Ток холодной прокрутки

Этот параметр, который ещё называется пусковым током, указывается на батарее рядом со значением ёмкости. Подробнее о маркировке автомобильных аккумуляторов. Ток холодной прокрутки определяется следующим образом.

Аккумуляторная батарея охлаждается до – 18 градусов Цельсия и разряжается пусковым током в течение 30 секунд. По ГОСТу напряжение после этого должно составить не менее 8,4 вольта. А после 150 секунд разряда не менее 6 В. При постоянном токе разряда ёмкость можно вычислить по следующей формуле.

Формула для расчета стартерного тока

Электродвижущая сила (ЭДС)

Электродвижущая сила батареи – это характеристика, которая показывает напряжение на клеммах аккумулятора без внешней нагрузки и утечек. Величина измеряется вольтметром или мультиметром. На ЭДС оказывают влияние два параметра: плотность электролита и его температура. Электродвижущая сила увеличивается с ростом плотности электролита.

При температуре 18 градусов Цельсия и плотности 1,27 грамма на сантиметр кубический ЭДС одной банки составляет 2,12 В. У аккумуляторной батареи из 6 банок ЭДС будет 12,7 В.
Ниже приведена зависимость величины ЭДС от плотности электролита, выведенная эмпирическим (опытным путём). Она работает для плотности в интервале 1,05–1,3 гр/см. куб.

Эмпирическая формула расчета ЭДС в зависимости от плотности электролита

В отличие от ёмкости, по величине электродвижущей силы нельзя достоверно судить о состоянии аккумулятора. ЭДС позволяет найти критичные неисправности АКБ, к примеру, замыкание пластин. Подробнее о напряжении аккумулятора автомобиля читайте в материале по ссылке.

Внутреннее сопротивление

Этот параметр автомобильного аккумулятора включает в себя сопротивление пластин, электролита, сепараторов, крепёжных элементов и т. п. Внутреннее сопротивление понижается при увеличении ёмкости АКБ. Оно увеличивается при понижении температуры и уменьшении заряда аккумулятора. Ниже можно посмотреть формулу зависимости напряжения и ЭДС в процессе заряда-разряда.

Зависимость напряжения и ЭДС при зарядке аккумулятора

Зависимость напряжения и ЭДС при разряде аккумулятора

Ниже можно посмотреть зависимость напряжения АКБ от степени зарядки.

Формула зависимости напряжения от степени заряженности аккумулятора

Генератор на легковом автомобиле вырабатывает напряжение 14–14,5 В. Достаточное для зарядки напряжение он выдаёт при оборотах коленчатого вала в районе 2 тысяч в минуту.

Получается, что зарядка происходит только в момент разгона в городе и при движении на большой скорости по загородной трассе. Для полного заряда требуется около 12 часов в таком режиме.

Напряжение, вырабатываемое генератором, увеличивать нельзя, поскольку при 14,5 вольт начинается процесс электролиза воды на кислород и водород. Из-за такой специфики работы аккумуляторная батарея находится в состоянии неполной зарядки.

На изображении ниже можно посмотреть вольт – амперные характеристики АКБ в процессе разрядки стартерным током, то есть потребляемым стартером в момент запуска двигателя автомобиля.

Вольт – амперные характеристики аккумуляторной батареи

Степень заряженности

На степень заряженности АКБ оказывает влияние большое количество параметров и её точное значение определить довольно сложно. Это позволяют сделать только дорогие зарядные устройства со сложной электроникой. Но при эксплуатации АКБ вам вполне хватит оценочных значений. Степень заряженности аккумулятора можно узнать по напряжению и плотности электролита (для свинцово-кислотных АКБ соответствующего типа).

Напряжение полностью заряженной аккумуляторной батареи с жидким электролитом составляет около 12,7 В. Для гелевых аккумуляторов это значение находится в интервале от 13 до 13,4 В.

Ниже можно посмотреть таблицу плотности электролита и взаимосвязь с ней характеристик аккумулятора.

Плотность электролита, г/см. куб. (+15 гр. Цельсия) Напряжение, В (в отсутствии нагрузки) Напряжение, В (с нагрузкой 100 А) Степень заряда АКБ, % Температура замерзания электролита, гр. Цельсия
Плотность электролита, г/см. куб. (+15 гр. Цельсия) Напряжение, В (в отсутствии нагрузки) Напряжение, В (с нагрузкой 100 А) Степень заряда АКБ, % Температура замерзания электролита, гр. Цельсия
1,11 11,7 8,4 -7
1,12 11,76 8,54 6 -8
1,13 11,82 8,68 12,56 -9
1,14 11,88 8,84 19 -11
1,15 11,94 9 25 -13
1,16 12 9,14 31 -14
1,17 12,06 9,3 37,5 -16
1,18 12,12 9,46 44 -18
1,19 12,18 9,6 50 -24
1,2 12,24 9,74 56 -27
1,21 12,3 9,9 62,5 -32
1,22 12,36 10,06 69 -37
1,23 12,42 10,2 75 -42
1,24 12,48 10,34 81 -46
1,25 12,54 10,5 87,5 -50
1,26 12,6 10,66 94 -55
1,27 12,66 10,8 100 -60

Вернуться к содержанию

Особенности конструкции: масса, типоразмер

Масса большинства аккумуляторов для легковых автомобилей лежит в интервале от 14 до 20 килограмм. Масса практически всегда указывается на этикетке с прочими характеристиками автомобильных аккумуляторов. Возможно, вам пригодится таблица веса аккумуляторов.

С типоразмером ситуация несколько сложнее. Сейчас в продаже можно встретить различные исполнения батарей. Но практически все можно отнести к одному из следующих типоразмеров:

  • Европейский. Европейский тип – корпус высотой 190 миллиметров и клеммы, расположенные в углублениях корпуса;
  • Азиатский. Азиатский тип – корпус высотой от 220 до 225 миллиметров и клеммы, выступающие за габариты корпуса АКБ;
  • Американский. Американский тип – боковое расположение клемм. На отечественном рынке встречается редко.

По технологическому исполнению аккумуляторы делятся на:

  • Необслуживаемые. Этот тип аккумуляторов стали выпускать около 30 лет назад. Они имеют более высокий пусковой ток и длительное время эксплуатации, чем у обслуживаемых АКБ. Чувствительны к напряжению в сети и не требуют обслуживания;
  • Мало обслуживаемые. Большинство батарей на современном рынке являются мало обслуживаемыми. Они имеют оптимальное соотношение цена / эксплуатационные характеристики. Требуют периодического обслуживания;
  • Обслуживаемые. Это полностью обслуживаемые аккумуляторные батареи, в которых можно заменить банки. Требуют регулярного обслуживания. На данный момент уже не продаются.

Если вы подбираете новую АКБ, то можете прочитать обзорную статью про аккумулятор Титан.

Полярность

Эта характеристика влияет на расположение аккумулятора под капотом авто. Батареи выпускаются с прямой и обратной полярностью. Различить их просто. Если повернуть аккумулятор к себе клеммами, то в случае прямой полярности минусовая клемма должна быть справа, а плюсовая слева. При обратной полярности наоборот. Отечественные производители выпускают модели с прямой полярностью, европейские с обратной.

Клеммы у аккумуляторов также бывают разных стандартов.

  • Европейский Type 1. Клемма «плюс» имеет диаметр 19,5 миллиметров, клемма «минус» — 17,9;
  • Азиатский Type 3. Клемма «плюс» имеет диаметр 12,7 миллиметров, клемма «минус» — 11,1.

Срок хранения

Срок хранения аккумуляторных батарей невелик. Батарея в сухозаряженном состоянии может храниться до двух лет. При этом гарантийный срок хранения составляет 1 год.
Вернуться к содержанию

Срок эксплуатации

При соблюдении основных правил эксплуатации АКБ увеличивается срок её службы в среднем 4 года. Хотя, если грамотно подходить к обслуживанию аккумулятора, он может прослужить 7–8 лет.
Вернуться к содержанию

Саморазряд батареи

Саморазряд – это процесс падения ёмкости аккумулятора в процессе простоя. Он происходит из-за окислительно-восстановительных процессов на электродах разной полярности. Но отрицательный электрод страдает от этого больше, поскольку свинец с отрицательных пластин взаимодействует с серной кислотой из электролита. При этом происходит выделение водорода. Активность растворения свинца возрастает при увеличении плотности электролита.

Процесс саморазряда также провоцируется загрязнениями на поверхности аккумулятора. Электролит, вода и прочие жидкости создают благоприятные условия для разряда АКБ через проводящую плёнку между выводами батареи.

Здесь нужно отметить некоторые особенности процесса саморазряда:

  • При понижении температуры он снижается и при 0 С практически прекращается. Так, что хранить батарею нужно в заряженном состоянии при низкой температуре;
  • Процесс саморазряда становится более активным к концу срока службы аккумулятора. Глубокий разряд значительно усиливает саморазряд при последующей зарядке;
  • Саморазряд можно снизить, используя более чистые серную кислоту и дистиллированную воду для приготовления электролита;
  • Саморазряд идёт наиболее активно в течение суток с момента заряда АКБ;
  • Нормальным считается саморазряд, когда в сутки идёт потеря 1 процента ёмкости аккумулятора.

Безопасность

Помимо характеристик автомобильного аккумулятора, не менее важным является знание техники безопасности при эксплуатации и обслуживании АКБ. В первую очередь обратите внимание на следующие моменты:

  • Аккумулятор должен быть надёжно закреплён в подкапотном пространстве автомобиля;
  • При измерении плотности электролита и его замене необходимо использовать средства индивидуальной защиты (очки, резиновые перчатки). Держите рядом пищевую соду и воду на случай, если электролит попадёт на кожу;
  • Нельзя замыкать клеммы аккумулятора;
  • Перед тем как заряжать аккумулятор, выверните пробки из банок обслуживаемого аккумулятора.

Вот, что может случиться, если не соблюдать правила техники безопасности.

Трудности выбора

Выбор аккумулятора – непростое дело. На первый взгляд может показаться, что это совсем простое устройство. Но на деле получается, что у него полно характеристик, имеющих важное значение. Но не стоит впадать в отчаяние. Вам по большому счету нужно определиться с типоразмером АКБ, видом, ёмкостью и пусковым током. В принципе все эти параметры вы можете узнать осмотреть свой старый аккумулятор.

Ёмкость и пусковой ток, как правило, написаны большими буквами на видном месте. К примеру, 55 А-ч 450 Ампер. Это и есть они. Выше приводилась таблица с ёмкостью в зависимости от транспортного средства. По ней может дополнительно сориентироваться. Также в статье приводились размеры отечественных, европейских и азиатских аккумуляторов, по которым вы можете понять, к какому типу относится ваша батарея. На российском рынке продаются в основном только эти АКБ.

Опрос

Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Исправления и дополнения к материалу, а также ваши рекомендации по выбору автомобильного аккумулятора, оставляйте в комментариях ниже. Голосуйте в опросе и оценивайте статью.
Вернуться к содержанию

Аккумуляторы и принцип их работы (стр. 1 из 2)

Министерство науки и образования Республики Казахстан

Актюбинский государственный университет им. К. Жубанова

По дисциплине: Физическая химия.

На тему: Аккумуляторы и принцип их работы.

Выполнил: студент Тихонов Тимур

1. Свинцово-кислотный аккумулятор

4. Физические характеристики

5. Эксплуатационные характеристики

7. Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

9. Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

10. Электри́ческий аккумуля́тор

11. Принцип действия

12. Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор

14. Области применения

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартерные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде. Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.

Химическая реакция (слева-направо — разряд, справа-налево — заряд):

В итоге получается, что при разрядке аккумулятора расходуется серная кислота с одновременным образованием воды (и плотность электролита падает), а при зарядке, наоборот, вода «расходуется» на образование серной кислоты (плотность электролита растет). В конце зарядки, при некоторых критических значениях концентрации сульфата свинца у электродов, начинает преобладать процесс электролиза воды. При этом на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. При зарядке не стоит допускать электролиза воды, в противном случае необходимо ее долить.

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из положительных и отрицательных электродов, сепараторов (разделительных решеток) и электролита. Положительные электроды представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является перекись свинца (PbO2 ). Отрицательные электроды также представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является губчатый свинец (Pb). На практике в свинец решёток добавляют сурьму в количестве 1-2 % для повышения прочности. Сейчас в качестве легирующего компонента используются соли кальция, в обеих пластинах, или только в положительных (гибридная технология). Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной серной кислоты (H2 SO4 ). Наибольшая проводимость этого раствора при комнатной температуре (что означает наименьшее внутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) достигается при его плотности 1,26 г/см³. Однако на практике, часто в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29 −1,31 г/см³. (Это делается потому, что при разряде свинцово-кислотного аккумулятора плотность электролита падает, и температура его замерзания, т.о, становится выше, разряженный аккумулятор может не выдержать холода.)

В новых версиях свинцовые пластины (решетки) заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовой пленкой, а жидкий электролит может быть желирован силикагелем до пастообразного состояния. Используя меньшее количество свинца и распределив его по большой площади, батарею удалось сделать не только компактной и легкой, но и значительно более эффективной — помимо большего КПД, она заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов. [1]

· Теоретическая энергоемкость: около 133 Вт·ч/кг.

· Удельная энергоемкость (Вт·ч/кг): 30-60 Вт·ч/кг .

· Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): около 1250 Вт·ч/дм³.

· ЭДС заряженного аккумулятора = 2,11 В, рабочее напряжение = 2,1 В (6 секций в итоге дают 12,7 В).

· Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.

· Рабочая температура: от минус 40 до плюс 40

· КПД: порядка 80-90%

Напряжение

Заряд

12.70 V 100 %
12.46 V 80 %
12.24 V 55 %
12.00 V 25 %
11.90 V 0 %

· Номинальная ёмкость , показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной емкости, выраженной в а/ч).

· Стартерный ток (для автомобильных). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев замеряется при -18°С (0°F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются, главным образом, допускаемым конечным напряжением.

· Резервная емкость (для автомобильных). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25А. Обычно составляет порядка 100 минут.

Ареометр может быть использован для проверки удельного веса электролита каждой секции

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми крышками над банками) на автомобиле при движении по неровностям неизбежно происходит просачивание проводящего электролита на корпус акуумулятора. Во избежание сильного саморазряда необходимо периодически нейтрализовывать электролит протиранием корпуса, например слабым раствором пищевой соды. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита, что увеличивает его плотность и может оголить свинцовые пластины. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и своевременно доливать дистиллированную воду.

Такие нехитрые операции вместе с проверкой автомобиля на утечку тока и периодической подзарядкой аккумулятора могут на несколько лет продлить срок эксплуатации батареи.

Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры, параметры аккумулятора ухудшаются, однако в отличие от прочих типов аккумуляторов, свинцово-кислотные снижают их относительно медленно, что не в последнюю очередь обусловило их широкое применение на транспорте. Очень приблизительно можно считать, что емкость снижается вдвое при снижении окружающей температуры на каждые 15°С начиная от +10°С, то есть, при температуре -45°С свинцово-кислотный аккумулятор способен отдать лишь несколько процентов первоначальной емкости.
Снижение емкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита, который уже не может в полном объеме поступать к электродам, и вступает в реакцию лишь в непосредственной близости от них, быстро истощаясь.
Еще быстрее снижаются зарядные параметры. Фактически, начиная с, примерно -15°С, заряд свинцово-кислотного аккумулятора почти прекращается, что приводит к быстрой прогрессирующей разрядке аккумуляторов при эксплуатации в режиме коротких частых поездок (так называемый, «режим доктора»). В этих поездках аккумулятор практически не заряжается, его необходимо регулярно заряжать внешним зарядным устройством.
Считается, что не полностью заряженный аккумулятор в мороз может растрескаться из-за замерзания электролита. Однако раствор серной кислоты в воде замерзает совсем не так, как чистая вода — он постепенно густеет, плавно переходя в твердую форму. Такой режим замерзания вряд ли способен вызвать разрыв стенок незамкнутого сосуда (а банка аккумулятора — незамкнутый объем). Электролит, в массовой литературе называемый «замерзшим» фактически еще можно перемешивать.
Растрескивание стенок аккумулятора при морозах действительно бывает, но в основном является следствием изменения свойств применяемого для стенок материала, а не расширением электролита при замерзании.

Свинцово-кислотные аккумуляторы необходимо хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C заряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,275 В/секцию, 1 раз в год, в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/секцию в течение 6-12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи и накипи на поверхности аккумулятора создает проводник для тока от одного контакта к другому и приводит к саморазряду аккумулятора, после чего начинается преждевременная сульфатизация пластин и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте (то есть его надо мыть перед хранением) Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные (лечебные) циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины. [2]

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазрядка, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение емкости аккумуляторной батареи.

Электрические характеристики аккумулятора

Электродвижущая сила аккумулятора.

Она обусловлена лишь химическим составом активной массы пластин и электролита. Размеры и количество пластин не влияют на величину э. д. с.

Напряжение аккумулятора.

Напряжение меньше э.д.с. (за счет потерь на внутреннее сопротивление); у полностью заряженного аккумулятора оно равно 2,1—2,0 В. По мере разрядки напряжение уменьшается, и когда оно достигнет 1,7 В, разрядка должна быть прекращена во избежание порчи пластин.

Емкость аккумулятора

Емкость аккумулятора показывает количество электричества (в ампер-часах), которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при разрядке его до допустимого предела. Чем больше размеры пластин и пористость их активной массы, тем больше емкость.

При параллельном соединении аккумуляторов в батарею емкости их складываются. При последовательном соединении емкость батареи равна емкости одного аккумулятора, в этом случае складываются их напряжения.

Емкость одного и того же аккумулятора непостоянна, она зависит от условий, при которых происходит разряд. Емкость уменьшается при большом разрядном токе, понижении температуры, загрязнении активной массы пластин и электролита. Нормальный саморазряд аккумулятора (за сутки) не превышает 2% его емкости. Если же электролит или активная масса пластин содержат посторонние примеси (в особенности железо, медь и их соединения), саморазряд аккумулятора сильно ускоряется и может достигать 10% его емкости в сутки.

Добавить комментарий