ЭДС аккумулятора (Электродвижущая сила) это разность электродных потенциалов при отсутствии внешней цепи. Электродный потенциал складывается из равновесного электродного потенциала. Он характеризует состояние электрода в состоянии покоя, то есть отсутствии электрохимических процессов, и потенциала поляризации, определяющемуся как разность потенциалов электрода при зарядке (разрядке) и при отсутствии цепи.

Процесс диффузии.

Благодаря процессу диффузии, выравниванию плотности электролита в полости корпуса аккумулятора и в порах активной массы пластин, электродная поляризация может сохраняться в аккумуляторе при отключении внешней цепи.

Скорость прохождения диффузии напрямую зависит от температуры электролита, чем выше температура, тем быстрее проходит процесс и может сильно отличаться по времени, от двух часов до суток. Наличие двух составляющих электродного потенциала при переходных режимах привело к разделению на равновесную и не равновесную ЭДС аккумулятора .
На равновесную ЭДС аккумулятора влияет содержание и концентрация ионов активных веществ в электролите, а так же химические и физические свойства активных веществ. Главную роль в величине ЭДС играет плотность электролита и практически не влияет на неё температура. Зависимость ЭДС от плотности можно выразить формулой:

Где Е – ЭДС аккумулятора (В)

Р – плотность электролита приведённая к температуре 25 гр. С (г/см3) Эта формула истинна при рабочей плотности электролита в пределах 1,05 – 1,30 г/см3. ЭДС не может характеризовать степень разрежённости аккумулятора напрямую. Но если замерить его на выводах и сравнить с расчётным по плотности, то можно, с долей вероятности, судить о состоянии пластин и ёмкости.
В состоянии покоя плотность электролита в порах электродов и полости моноблока одинаковы и равны ЭДС покоя. При подключении потребителей или источника заряда, изменяется поляризация пластин и концентрация электролита в порах электродов. Это приводит к изменению ЭДС. При заряде значение ЭДС увеличивается, а при разряде уменьшается. Это связано с изменением плотности электролита, который участвует в электрохимических процессах.

Активные вещества положительных и отрицательных пластин обладают определенными потенциалами относительно электролита. Разность этих потенциалов определяет ЭДС аккумулятора, которая не зависит от количества активного вещества в пластинах. ЭДС аккумулятора зависит в основном от плотности электролита, эта зависимость определяется эмпирической формулой:

где d – плотность электролита в порах активной массы пластин. Напряжение аккумулятора при заряде больше, чем величина ЭДС, на величину внутреннего падения напряжения:

U З = E + I З ∙ r 0 ,

где r 0 – внутреннее сопротивление аккумулятора, а при разряде соответственно:

U Р = E – I Р ∙ r 0 .

У разряженного свинцового аккумулятора плотность составляет d = 1,17, тогда Е = 0,85 + 1,17 = 2,02 В. У заряженного аккумулятора d = 1,21, тогда Е = 0,85 + 1,21 = 2,06 В => ЭДС разряженного аккумулятора при отключенной нагрузке мало отличается от ЭДС заряженного аккумулятора. При заряде аккумулятора, его напряжение заряда составляет 2,3 – 2,8 В. Напряжение разряда составляет примерно 1,8 В.

Емкость свинцового аккумулятора

Номинальная емкость определяется при десятичасовом разряде до напряжения 1,8 В, при температуре электролита 25°С. Номинальная емкость свинцового аккумулятора составляет 36 А/ч. Этой емкости соответствует ток разряда I Р = Q/10 = 3,6 А.

Если изменить ток разряда I Р и температуру электролита, то изменится и его емкость. Повышение температуры окружающей среды способствует повышению емкости, но при температуре 40°С происходит коробление положительных пластин и резко увеличивается саморазряд аккумулятора, поэтому для нормальной эксплуатации аккумулятора должна поддерживаться температура + 35°С – 15°С.

Номинальная емкость при температуре 25°С и десятичасовом разряде определяется формулой:

где P t – коэффициент использования активной массы аккумулятора, %;

Т – фактическая температура электролита при разряде.

Типы кислотно – свинцовых аккумуляторов

Стационарные аккумуляторы маркируются буквами С, СК, СЗ, СЗЭ, СН и другими:

С – стационарный аккумулятор;

К – аккумулятор, допускающий кратковременный разряд;

З – аккумулятор в закрытом исполнении;

Э – эбонитовый сосуд;

Н – аккумулятор с намазанными пластинами.

Число, которое ставится после буквенного обозначения, означает номер аккумулятора:

С-1 – 36 А/ч;

С-4 – 4 х 36 А/ч;

и другие...

Типы щелочных аккумуляторов

Маркировка Н–Ж (Никель – Железо), Н–К (Никель – Кадмий), С – Ц (Серебро – Цинк). Электродвижущая сила (ЭДС) Н–Ж аккумуляторов составляет: E З = 1,5 В; E Р = 1,3 В. ЭДС Н–К аккумуляторов составляет: E З = 1,4 В; E Р = 1,27 В. Среднее напряжение заряда составляет U З = 1,8 В; разряда U Р = 1 В.

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Общие положения

Питание стационарной аппаратуры автоматики и связи на же­лезнодорожном транспорте осуществляется от источников посто­янного тока с номинальными напряжениями, например, 24, 60, 220 В и др. Источники с номинальным напряжением 24 В ис­пользуют для питания аппаратуры на транзисторах, цепей сигна­лизации, релейных схем автоматики и др.; источники с номи­нальным напряжением 60 В - для автоматических телефонных стан­ций, телеграфной коммутационной аппаратуры; источники с на­пряжением 220 В - для питания аппаратуры связи, двигателей стре­лочных переводов и т.д. Источники тока, имеющие определенное номинальное напряжение, обычно выполняют в виде самостоятель­ного оборудования, входящего в общий комплекс электропитающей установки дома связи, поста ЭЦ или другого объекта, где раз­мещены централизованные источники электропитания.

К основным системам электропитания относятся автономная, буферная, безаккумуляторная и комбинированная системы питания (рис. 2.1). Автономная система предназначена для питания пере­носной и стационарной аппаратуры автоматики и связи, а ос­тальные - для питания стационарной аппаратуры.

Рис. 2.1. Структурная схема систем электропитания

Автономная система питания

Систему питания от первичных элементов в основном исполь­зуют для обеспечения работы переносной аппаратуры (радиостан­ций, измерительной аппаратуры и др.). Для питания стационарной аппаратуры автономную систему питания применяют в местах, где отсутствуют сети переменного тока. Система питания от акку­муляторов по способу «заряд-разряд» (рис. 2.2) предназначена для случаев, когда энергия от сетей переменного тока подается не­регулярно. Сущность этого способа питания заключается в том, что для каждой градации напряжения имеется отдельный выпрямитель и две (или более) аккумуляторные батареи . От одной батареи питается аппаратура, а другая заряжается от выпрямителя или находится в резерве заряженной. Как только батарея разрядится до определенного состояния, ее отключают и подсоединяют к выпрямителю для заряда, а для питания аппаратуры подключают заряженную батарею. При работе по этому способу аккумуляторы чаще всего заряжаются в режиме неизменяющегося тока. Емкость аккумуляторов определяется ис­ходя из продолжительности питания аппаратуры в течение 12 -24 ч, поэтому аккумуляторные батареи очень громоздкие и для их установки требуются специально оборудованные помещения боль­ших размеров. Срок службы таких аккумуляторов 6-7 лет, так как глубокие и частые циклы заряда и разряда приводят к быстрому разрушению пластин. Необходимость постоянного наблюдения за процессами заряда и разряда приводит к большим эксплуата­ционным расходам.

Рис.2.2. Схема системы питания от аккумуляторов по способу «заряд – разряд»:

Ф – фидер; ШПТ – шина переменного тока; ЗШ – зарядные шины; РШ–рязрядные шины; 1, 2, 3 – группы аккумуляторов

Перечисленные недостатки наряду с низким к. п. д. установки (30-45%) ограничивают использование этого режима. К достоинст­вам способа относятся отсутствие пульсации напряжения на на­грузке и возможность использования для заряда различных ис­точников тока.

Буферная система питания

При такой системе питания параллельно выпрямителю UZ и нагрузке включена аккумуляторная батарея GB (рис. 2.3). В случае аварии в сети переменного тока или повреждения выпрямителя дальнейшее питание нагрузки обеспечивает батарея без перерыва в подаче энергии. Аккумуляторная батарея обеспечивает надежное резервирование источников электрической энергии, и, кроме того, она совместно с фильтром питания осуществляет необходимое сглаживание пульсации. При буферной системе питания различают три режима работы: среднего тока, импульсного и непрерывного подзаряда.

При режиме среднего тока (рис. 2.4) выпрямитель UZ, вклю­ченный параллельно с аккумуляторной батареей GВ, обеспечивает постоянный ток I в независимо от изменения тока I н в нагрузке R н. Когда ток нагрузки I н мал, выпрямитель питает нагрузку и за­ряжает аккумуляторную батарею током I 3 , а когда ток нагрузки велик, выпрямитель совместно с батареей, которая разряжается током I р, питает нагрузку. Во время заряда напряжение на каждом аккумуляторе батареи увеличивается и может достигать 2,7 В, а во время разряда уменьшается до 2 В. Для осуществления данного режима могут быть использованы простейшие выпрямители без устройств автоматической регулировки. Ток выпрямителя рассчи­тывают исходя из количества электрической энергии (ампер-часы), затрачиваемой на питание нагрузки в течение суток. Это значение должно быть увеличено на 15-25% для компенсации потерь, ко­торые всегда существуют при заряде и разряде аккумуляторов .

К недостаткам режима относятся: невозможность точно опре­делить и установить необходимый ток выпрямителя, так как дей­ствительный характер изменения тока нагрузки никогда точно неизвестен, что приводит к недозаряду или перезаряду аккуму­ляторов; небольшой срок службы аккумуляторов (8-9 лет), вызы­ваемый глубокими циклами заряда и разряда; значительные коле­бания напряжения на нагрузке, так как напряжение на каждом аккумуляторе может изменяться от 2 до 2,7 В.

При режиме импульсного подзаряда (рис. 2.5) ток выпрямителя изменяется скачкообразно в зависимости от напряжения на акку­муляторной батарее GВ. При этом выпрямитель UZ обеспечивает питание нагрузки R н совместно с батареей GВ или питает нагрузку

Рисунок 2.3 – Схема буферной системы питания

Рисунок 2.4 – Режим среднего тока:

а – схема; б – диаграмма токов; в – зависимости токов и напряжений от времени; I З и I Р – соответственно токи заряда и разряда аккумуляторной батареи

Рисунок 2.5 – Режим импульсного подзаряда:

а – схема; б – диаграмма токов и напряжений; в, г – зависимости токов и напряжений от времени

и подзаряжает батарею. Максимальный ток выпрямителя устанавливают несколько больше тока, имеющего место в час наибольшей нагрузки, а минимальный ток нагрузки I В max - меньше минимального тока нагрузки I н.

Предположим, что в исходном положении выпрямитель отдает минимальный ток. Батарея аккумуляторов разряжается, и напря­жение на ней падает до 2,1 В на элемент. Реле Р отпускает якорь и контактами шунтирует резисторR. Ток на выходе выпрямителя возрастает скачкообразно до максимального. С этого момента вы­прямитель питает нагрузку и заряжает батарею. В процессе заряда напряжение на аккумуляторной батарее увеличивается и достигает 2,3 В на элемент. Вновь срабатывает реле Р, и ток выпрямителя падает до минимального; батарея начинает разряжаться. Далее циклы повторяются. Длительность интервалов времени максималь­ного и минимального тока выпрямителя изменяется в соответствии с изменением тока в нагрузке.

К достоинствам режима относятся: простота системы регули­рования тока на выходе выпрямителя; небольшие пределы изме­нения напряжения на аккумуляторной батарее и на нагрузке (от 2,1 до 2,3 В на элемент); увеличение срока службы аккумуляторов до 10-12 лет в связи с менее глубокими циклами заряда и разряда. Этот режим используют для питания устройств автоматики.

При режиме непрерывного подзаряда (рис. 2.6) нагрузка R н пи­тается полностью от выпрямителя UZ. Заряженная аккумуляторная батарея GБ получает от выпрямителя небольшой постоянный ток подзаряда, компенсирующий саморазряд. Для осуществления ука­занного режима необходимо на выходе выпрямителя установить напряжение из расчета (2,2 ± 0,05) В на каждый аккумулятор и поддерживать его с погрешностью не более ±2%. При этом ток подзаряда для кислотных аккумуляторов I п = (0,001-0,002) С н и для щелочных аккумуляторов I п = 0,01С Н. Следовательно, для вы-

Рисунок 2.6 – Режим непрерывного подзаряда:

а – схема; б – диаграмма токов; в – зависимости токов и напряжений от времени

полнения этого режима выпрямители должны иметь точные и надежные устройства стабилизации напряжения. Невыполнение этого требования приводит к перезаряду аккумуляторов или к их глубокому разряду и сульфатации.

К достоинствам режима относится: достаточно высокий к. п. д. установки, определяемый только выпрямителем (η = 0,7÷0,8); большой срок службы аккумуляторов, достигающий 18-20 лет благодаря отсутствию циклов заряда и разряда; высокая стабиль­ность напряжения на выходе выпрямительного устройства; умень­шение эксплуатационных расходов благодаря возможности автома­тизации и упрощению обслуживания аккумуляторов.

Нормально аккумуляторы находятся в заряженном состоянии и не требуют непрерывного наблюдения. Отсутствие циклов заряда и разряда и правильно выбранный ток подзаряда уменьшают сульфатацию и позволяют увеличить периоды между перезарядами и контрольными разрядами.

Недостатком режима является необходимость усложнения пи­тающих устройств за счет элементов стабилизации и автомати­зации. Режим используют в устройствах для питания аппаратуры связи.

Давайте рассмотрим основные параметры аккумулятора, которые понадобяться нам при его эксплуатации.

1. Электродвижущая сила (ЭДС) аккумуляторной батареи - напряжение между выводами аккумуляторной батареи при разомкнутой внешней цепи (и, конечно-же, при отсутствии каких-либо утечек). В «полевых» условиях (в гараже) ЭДС можно измерить любым тестером, перед этим сняв одну из клемм («+» или «-») с аккумулятора.

ЭДС аккумулятора зависит от плотности и от температуры электролита и совершенно не зависит от размеров и формы электродов, а также от количества электролита и активных масс. Изменение ЭДС аккумулятора от температуры весьма мало и при эксплуатации им можно пренебречь. С повышением плотности электролита ЭДС повышается. При температуре плюс 18°С и плотности d = 1,28 г/см 3 аккумулятор (имеется в виду одна банка) обладает ЭДС рав­ной 2,12 В (АКБ - 6 х 2,12 В = 12,72 В). Зависимость ЭДС от плотности электролита при изме­нении плотности в пределах 1,05 ÷ 1,3 г/см 3 вы­ражается эмпирической формулой

Е=0,84+d , где

Е - ЭДС аккумулятора, В;

d - плотность электролита при температуре плюс 18°С, г/см 3 .

По ЭДС нельзя точно судить о степени разряженности ак­кумулятора. ЭДС разряженного аккумулятора с большей плот­ностью электролита будет выше, чем ЭДС заряженного акку­мулятора, но имеющего меньшую плотность электролита.

Путём измерения ЭДС можно только быстро обнаружить серьезную неисправность аккумуляторной батареи (замыкание пластин в одной или нескольких банках, обрыв соединительных проводников между банками и тому подобное).

2. Внутреннее сопротивление аккумулятора представляет собой сумму сопротивлений выводных зажимов, межэлементных соеди­нений, пластин, электролита, сепараторов и сопротивления, во­зникающего в местах соприкосновения электродов с электро­литом. Чем больше емкость аккумулятора (число пластин), тем меньше его внутреннее сопротивление. С понижением темпера­туры и по мере разряда аккумулятора его внутреннее сопротив­ление растет. Напряжение аккумулятора отличается от его ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении ак­кумулятора.

При заряде U 3 = Е + I х R ВН ,

а при разряде U Р = Е - I х R ВН , где

I - ток, протекаю­щий через аккумулятор, A;

R ВН - внутреннее сопротивление акку­мулятора, Ом;

Е - ЭДС аккуму­лятора, В.

Изменение напряже­ния на аккумуляторной батарее при ее заряде и разряде показано на Рис. 1.

Рис.1. Изменение напряжения аккумуляторной батареи при её заряде и разряде.

1 - начало газовыделения, 2 - заряд, 3 - разряд.

Напряжение автомобильного генератора, от которого производится заряд батареи, составляет 14,0÷14,5 В . На автомобиле батарея, даже в лучшем случае, при полностью благоприятных условиях, остается недозаряженной на 10÷20% . Виной всему - работа автомобильного генератора.

Достаточное для зарядки напряжение генератор начинает выдавать при 2000 об/мин и более. Обороты холостого хода 800÷900 об/мин . Стиль езды в городе: разгон (длительность меньше минуты), торможение, остановка (светофор, пробка - длительность от 1 минуты до ** часов). Заряд идёт только во время разгона и движения на довольно высоких оборотах. В остальное время идёт интенсивный разряд АКБ (фары, прочие потребители электроэнергии, сигнализация - круглосуточно ).

Ситуация улучшается при движении за городом, но не критическим образом. Длительность поездок не так велика (полный заряд батареи - 12÷15 часов ).

В точке 1 - 14,5 В начинается газовыделение (электролиз воды на кислород и водород), увеличивается расход воды. Другой неприятный эффект при электролизе - увеличивается коррозия пластин, поэтому не следует допускать длительного превышения напряжения 14,5 В на клеммах АКБ.

Напряжение автомобильного генератора (14,0÷14,5 В ) выбрано из компромиссных условий - обеспечение более-менее нормальной зарядки батареи при уменьшении газообразования (снижается расход воды, понижается пожароопасность, уменьшается скорость разрушения пластин).

Из вышесказанного можно сделать вывод, что батарею нужно периодически, хотя бы раз в месяц, полностью дозаряжать внешним зарядным устройством для уменьшения сульфатации пластин и увеличения срока службы.

Напряжение аккумуляторной батареи при ее разряде стартерным током (I Р = 2÷ 5 С 20) зависит от силы раз­рядного тока и темпе­ратуры электролита. На Рис.2 показаны вольт-амперные харак­теристики аккумуля­торной батареи 6СТ-90 при различной темпе­ратуре электролита. Если разрядный ток будет постоянным (например, I Р = 3 С 20 , линия 1), то напряжение батареи при разряде будет тем меньше, чем ниже ее температура. Для сохранения по­стоянства напряжения при разряде (линия 2) необходимо с пониже­нием температуры ба­тареи снижать силу разрядного тока.

Рис.2. Вольт-амперные характеристики АКБ 6СТ-90 при различной температуре электролита.

3. Емкостью аккумулятора (С) называется количество электри­чества, которое аккумулятор отдает при разряде до наименьшего допустимого напряжения. Ёмкость аккумулятора выражается в Ампер-часах (А ч ). Чем больше сила разрядного тока, тем ниже напряжение, до которого может разряжаться аккумулятор, например при определении номинальной емкости аккумуляторной батареи разряд ведется током I = 0,05С 20 до напряжения 10,5 В , температура электролита должна быть в интервале +(18 ÷ 27)°С , а время разряда 20 ч . Считается, что конец срока службы батареи наступает, когда ее емкость составляет 40% от С 20 .

Емкость батареи в стартерных режимах определяется при температуре +25°С и разрядном токе ЗС 20 . В этом случае время разряда до напряжения 6 В (один вольт на аккумулятор) дол­жно быть не менее 3 мин .

При разряде батареи током ЗС 20 (температура электро­лита -18°С ) напряже­ние батареи через 30 с после начала разряда должно быть 8,4 В (9,0 В для необслужи­ваемых батарей), а после 150 с не ниже 6 В . Этот ток иногда называют током холодной прокрутки или пусковым током , он может отличаться от ЗС 20 Этот ток указывается на корпусе батареи рядом с ее емкостью.

Если разряд происходит при постоянной силе тока, то ем­кость аккумуляторной батареи определяется по формуле

С = I х t где,

I - ток разряда, A;

t - время разряда, ч.

Емкость аккумуляторной батареи зависит от ее конструкции, числа пластин, их толщины, материала сепаратора, пористости активного материала, конструкции решетки пластин и других факторов. В эксплуатации емкость батареи зависит от силы разрядного тока, температуры, режима разряда (прерывистый или непрерывный), степени заряженности и изношенности акку­муляторной батареи. При увеличении разрядного тока и степени разряженности, а также с понижением температуры емкость ак­кумуляторной батареи уменьшается. При низких температурах падение емкости аккумуляторной батареи с повышением разряд­ных токов происходит особенно интенсивно. При температуре −20°С остается около 50% от емкости батареи при температуре +20°С.

Наиболее полно состояние аккумуляторной батареи показывает как раз её ёмкость. Для определения реальной емкости достаточно полностью заряженную исправную батарею поставить на разряд током I = 0,05 С 20 (например, для батареи с ёмкостью 55 Ач, I = 0,05 х 55 = 2,75 А). Разряд следует продолжать до достижения величины напряжения на батарее 10,5 В . Время разряда должно составить не менее 20 часов .

В качестве нагрузки при определении ёмкости удобно использовать автомобильные лампы накаливания . Например, чтобы обеспечить разрядный ток 2,75 А , при котором потребляемая мощность составит Р = I x U = 2,75 А x 12,6 В = 34,65 Вт , достаточно соединить параллельно лампу на 21 Вт и лампу на 15 Вт . Рабочее напряжение ламп накаливания для нашего случая должно быть 12 В . Конечно, точность установки тока подобным образом - «плюс-минус лапоть», но для приблизительного определения состояния аккумуляторной батареи вполне достаточно, а так-же дёшево и доступно.

При проверке таким образом новых батарей, время разряда может оказаться меньше 20 часов. Это обусловлено тем, что номинальную ёмкость они набирают после 3÷ 5 полных циклов заряд-разряд.

Ёмкость АКБ можно оценить также с помощью нагрузочной вилки . Нагрузочная вилка состоит из двух контактных ножек, рукоятки, переключаемого нагрузочного сопротивления и вольтметра. Один из возможных вариантов показан на Рис.3.

Рис.3. Вариант нагрузочной вилки .

Для проверки современных батарей, у которых доступны только выходные клеммы, надо использовать 12-ти вольтовые нагрузочные вилки . Нагрузочное сопротивление выбирается таким, чтобы обеспечить нагрузку аккумулятора током I = ЗС 20 (например, при ёмкости батареи 55 Ач, нагрузочное сопротивление должно потреблять ток I = ЗС 20 = 3 х 55 = 165 А). Нагрузочная вилка подсоединяется параллельно выходным контактам полностью заряженной батареи, замечается время, в течение которого выходное напряжение снизится от 12,6 В до 6 В . Это время у новой, исправной и полностью заряженной батареи должно быть не менее трёх минут при температуре электролита +25°С .

4. Саморазряд аккумулятора. Саморазрядом называют снижение емкости аккумуляторов при разомкнутой внешней цепи, то есть при бездействии. Это явление вызвано окислительно-восстановительными процессами, самопроизвольно протекающими как на отрицательном, так и на положительном электродах.

Саморазряду особенно подвержен отрицательный электрод вследствие самопроизвольного растворения свинца (отрицательной активной массы) в растворе серной кислоты.

Саморазряд отрицательного электрода сопровождается выделением газообразного водорода. Скорость самопроизвольного растворения свинца существенно возрастает с повышением концентрации электролита. Повышение плотности электролита с 1,27 до 1,32 г/см 3 приводит к росту скорости саморазряда отрицательного электрода на 40 %.

Саморазряд может возникать также, когда аккумулятор снаружи загрязнен или залит электролитом, водой или другими жидкостями, которые создают возможность разряда через электропроводную пленку, находящуюся между полюсными выводами аккумулятора или его перемычками.

Саморазряд батарей в значительной мере зависит от температуры электролита . С понижением температуры саморазряд уменьшается. При температуре ниже 0°С у новых батарей он практически прекращается. Поэтому хранение батарей рекомендуется в заряженном состоянии при низких температурах (до −30°С). Всё это показано на Рис.4 .

Рис.4. Зависимость саморазряда АКБ от температуры.

В процессе эксплуатации саморазряд не остается постоянным и резко усиливается к концу срока службы.

Для снижения саморазряда необходимо использовать возможно более чистые материалы для производства аккумуляторов, использовать только чистую серную кислоту и дистиллированную воду для приготовления электролита, как при производстве, так и при эксплуатации.

Обычно степень саморазряда выражают в процентах потери емкости за установленный период времени. Саморазряд аккумуляторов считается нормальным, если он не превышает 1% в сутки, или 30% емкости батареи в месяц.

5. Срок хранения новых батарей. В настоящее время автомобильные батареи выпускаются заводом-изготовителем только в сухозаряженном состоянии. Срок хранения батарей без эксплуатации весьма ограничен и не превышает 2 лет (гарантийный срок хранения 1 год ).

6. Срок службы автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей - не менее 4-х лет при соблюдении установленных заводом условий эксплуатации. Из моей практики шесть батарей прослужили по четыре года, а одна, самая стойкая, - целых восемь лет.

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА

Электродвижущей силой (ЭДС) аккумулятора (Е 0) называют разность его электродных потенциалов, измеренную при разомкнутой внешней цепи в стационарном (равновесном) состоянии, то есть:

Е 0 = φ 0 + + φ 0 - ,

где φ 0 + и φ 0 - соответственно – равновесные потенциалы положительного и отрицательного электродов при разомкнутой внешней цепи, В.

ЭДС батареи, состоящей из n последовательно соединенных аккумуляторов:

Е 0б = n×E 0 .

Электродный потенциал в общем случае определяется, как разность между потенциалом электрода при разряде или заряде и его потенциалом в равновесном состоянии в отсутствие тока. Однако, следует отметить, что состояние аккумулятора сразу после выключения зарядного или разрядного тока не является равновесным, так как концентрация электролита в порах электродов и межэлектродном пространстве неодинакова. Поэтому электродная поляризация сохраняется в аккумуляторе довольно длительное время и после отключения зарядного или разрядного тока. В этом случае она характеризует отклонение электродного потенциала от равновесного значения j 0 за счёт диффузионного выравнивания концентрации электролита в аккумуляторе, от момента размыкания внешней цепи до установления равновесного стационарного состояния.

φ = φ 0 ± ψ

Знак «+» в этом уравнении соответствует остаточной поляризации y после окончания зарядного процесса, знак «–» – после окончания разрядного процесса.

Таким образом, следует различать равновесную ЭДС (E 0 )аккумулятора и неравновесную ЭДС , а точнее НРЦ (U 0 ) аккумулятора в течение времени от размыкания цепи до установления равновесного состояния (период протекания переходного процесса):

E 0 = φ 0 + - φ 0 - = Δφ 0 (12)

U 0 = φ 0 + -φ 0 - ± (ψ + - ψ -) = Δφ 0 ± Δψ (13)

В этих равенствах:

Δφ 0 – разность равновесных потенциалов электродов, (V);

Δψ – разность потенциалов поляризации электродов, (V).

Как указано в разделе 3.1, величину неравновесной ЭДС при отсутствии тока во внешней цепи называют, в общем случае, напряжением разомкнутой цепи (НРЦ).

ЭДС или НРЦ измеряют высокоомным вольтметром (внутреннее сопротивление не менее 300 Ом/В). Для этого вольтметр присоединяют к выводам аккумулятора или батареи. При этом через аккумулятор (батарею) не должен протекать зарядный или разрядный ток.

Если сравнить уравнения (12 и 13), то увидим, что равновесная ЭДС отличается от НРЦ на разность потенциалов поляризации.

Δψ = U 0 - E 0

Параметр Δψ будет положительным после выключения зарядного тока (U 0 > Е 0 ) и отрицательным после выключения разрядного тока (U 0 < Е 0 ). В первый момент после выключения зарядного тока Δψ составляет примерно 0,15-0,2 В на аккумулятор, а после выключения разрядного тока 0,2-0,25 В на аккумулятор в зависимости от режима предшествовавшего заряда или разряда. С течением времени Δψ по абсолютной величине уменьшается до нуля по мере затухания переходных процессов в аккумуляторах, связанных в основном с диффузией электролита в порах электродов и межэлектродном пространстве.

Так как скорость диффузии сравнительно невелика, время затухания переходных процессов может составлять от нескольких часов до двух суток, в зависимости от силы разрядного (зарядного) тока и температуры электролита. Причём снижение температуры влияет на скорость затухания переходного процесса значительно сильнее, так как с понижением температуры ниже нуля градусов (по Цельсию) скорость диффузии снижается в несколько раз.

Равновесная ЭДС свинцового аккумулятора (Е 0 ), как и любого химического источника тока, зависит от химических и физических свойств веществ, принимающих участие в токообразующем процессе, и совершенно не зависит от размеров и формы электродов, а также от количества активных масс и электролита. Вместе с тем, в свинцовом аккумуляторе электролит принимает непосредственное участие в токообразующем процессе на аккумуляторных электродах и изменяет свою плотность в зависимости от степени заряженности аккумуляторов. Поэтому равновесная ЭДС, которая, в свою очередь, является функцией плотности электролита , будет также функцией степени заряженности аккумулятора.

Для вычисления НРЦ по измеренной плотности электролита используют эмпирическую формулу

U 0 = 0,84 + d э

где «d э » – плотность электролита при температуре 25ºС в г/см 3 ;

Когда измерить плотность электролита в аккумуляторах не представляется возможным (например – у открытых батарей исполнения VL без пробок или у закрытых батарей исполнения VRLA), о состоянии заряженности можно судить по величине НРЦ в состоянии покоя, то есть не ранее, чем через 5-6 часов после выключения зарядного тока (остановки двигателя автомобиля). Значение НРЦ для батарей, имеющих уровень электролита, соответствующий требованиям руководства по эксплуатации, с различной степенью заряженности при разных температурах приведено в Табл. 1

Таблица 1

Изменение ЭДС аккумулятора от температуры весьма малозначительно (менее 3·10 -4 В/град) и при эксплуатации аккумуляторных батарей им можно пренебречь.

ВНУТРЕННЕЕ ОПРОТИВЛЕНИЕ

Сопротивление, оказываемое аккумулятором протекающему внутри него току (зарядному или разрядному), принято называтьвнутренним сопротивлением аккумулятора.

Страница 2 из 26

1.3. Основные электрические характеристики аккумуляторных батарей

Электродвижущая сила и напряжение . Электродвижущей силой (ЭДС) называется разность потенциалов положительного и отрицательного электродов аккумулятора при разомкнутой внешней цепи.
Величина ЭДС зависит, главным образом, от электродных потенциалов, т. е. от физических и химических свойств веществ, из которых изготовлены пластины и электролит, но не зависит от размеров пластин аккумулятора.
ЭДС кислотного аккумулятора зависит также от плотности электролита. Теоретически и практически установлено, что ЭДС аккумулятора с достаточной для практики точностью можно определить по формуле
Е=0,85 + g,
где g– плотность электролита при 15°С, г/см 3 .
Для кислотных стартерных аккумуляторов, в которых плотность электролита колеблется в пределах от 1,12 до 1,29 г/см 3 , ЭДС изменяется соответственно от 1,97 до 2,14 В.
Измерить ЭДС с абсолютной точностью почти невозможно. Однако для практических целей ЭДС приблизительно и достаточно точно можно измерить вольтметром, имеющим высокое внутреннее сопротивление (не менее 1000 Ом на 1 В). При этом через вольтметр будет проходить ток незначительной величины.
Напряжением аккумулятора называется разность потенциалов положительных и отрицательных пластин при замкнутой внешней цепи, в которую включен какой-либо потребитель тока, т. е. при прохождении тока через аккумулятор. При этом показания вольтметра при измерении напряжения всегда будут меньше, чем при замере ЭДС, и эта разность будет тем больше, чем больший ток проходит через аккумулятор.
ЭДС и напряжение зависят от ряда факторов. ЭДС изменяется от плотности и температуры электролита. Напряжение в свою очередь зависит от ЭДС, величины разрядного тока (нагрузки) и внутреннего сопротивления аккумулятора.
Зависимость ЭДС аккумулятора от плотности электролита (концентрации раствора Н2SО4) приведена ниже:

Плотность электролита при 25°С,
г/см 3 .................................... 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,28 1,30
Н2SО4, %............................. 7,44 14,72 21,68 27,68 33,8 37,4 39,7
ЭДС аккумулятора, в.......... 1,906 1,960 2,005 2,048 2,095 2,125 2,144
Из этой зависимости видно, что с увеличением концентрации серной кислоты ЭДС также увеличивается. Отсюда, однако, не следует, что для получения большей ЭДС можно чрезмерно увеличивать плотность электролита. Установлено, что стартерные аккумуляторные батареи достаточно хорошо работают тогда, когда плотность электролита в них составляет 1,27 – 1,29 г/см 3 .Кроме того, электролит плотностью 1,29 г/см 3 имеет самую низкую точку замерзания.
При изменении температуры электролита ЭДС аккумулятора также меняется. Так, с изменением температуры электролита от +20°С до -40°С ЭДС аккумулятора снижается с 2,12 до 2,096 в. В значительно большей степени с изменением температуры электролита меняется напряжение, так как оно зависит не только от ЭДС, но и от внутреннего сопротивления аккумулятора, которое с понижением температуры значительно возрастает.
Между ЭДС, напряжением, внутренним сопротивлением и величиной разрядного тока существует следующая зависимость:
U=Е-Ir,
где U – напряжение;
Е – э. д. с. аккумулятора;
I – величина разрядного тока;
r – внутреннее сопротивление аккумулятора.
Из этой формулы видно, что при постоянном значении ЭДС, измеряемой при разомкнутой цепи, напряжение аккумулятора падает по мере увеличения отдаваемого в процессе разряда тока.
Внутреннее сопротивление. Внутреннее сопротивление аккумулятора сравнительно мало, но в тех случаях, когда аккумуляторная батарея разряжается силой тока большой величины, например, при пуске двигателя стартером, внутреннее сопротивление каждого аккумулятора имеет очень существенное значение.
Внутреннее сопротивление складывается из сопротивления электролита, сепараторов и пластин. Главной составляющей является сопротивление электролита, которое изменяется с изменением температуры и концентрации серной кислоты.
Зависимость удельного сопротивления электролита плотностью 1,30 г/см 3 от температуры показана ниже:

Температура, °С Удельное сопротивление электролита Ом·см
+ 40 0,89
+ 25 1,28
+ 18 1,46
0 1,92
– 18 2,39
Как видно из приведенных данных, с понижением температуры электролита от +40°С до -18°С удельное сопротивление возрастает в 2,7 раза. Наименьшее значение удельного сопротивления имеет электролит плотностью 1,223 г/см 3 при 15°С (30%-ный раствор Н2SО4 по весу).
Вторым составляющим сопротивления в аккумуляторе является сопротивление сепараторов. Оно зависит в основном от их пористости. Сепараторы изготавливают из электроизолирующего материала, поры которого заполнены электролитом, что и обусловливает электропроводимость сепаратора.
В связи с этим можно было бы предположить, что с изменением температуры сопротивление сепаратора будет изменяться в той же пропорции, что и сопротивление электролита, но это не совсем так. Некоторые виды сепараторов, например, сепараторы из микропористого эбонита (мипора) не чувствительны к изменению температуры.
Третьим фактором, входящим в общую сумму внутреннего сопротивления элемента, служит активная масса и решетки положительных и отрицательных пластин.
Сопротивление губчатого свинца отрицательной пластины незначительно отличается от сопротивления материала решетки, в то время как сопротивление перекиси свинца положительной пластины превышает сопротивление решетки в 10000 раз. В отличие от сопротивления электролита сопротивление решетки уменьшается с понижением температуры. Но ввиду того, что сопротивление электролита во много раз больше сопротивления пластин, то уменьшение их сопротивления с понижением температуры весьма незначительно компенсирует общее снижение сопротивления электролита.
На сопротивление пластин влияет степень заряженноcти аккумуляторной батареи. В процессе разряда сопротивление пластин возрастает, так как сернокислый свинец, образующийся на положительных и отрицательных пластинах, почти не проводит электрический ток.
По сравнению с другими типами аккумуляторов кислотные аккумуляторы имеют сравнительно малое внутреннее сопротивление, что и определяет их широкое применение в качестве стартерных батарей на автомобильном транспорте.
Емкость. Емкостью аккумулятора называется количество электричества, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при заданном режиме разряда, температуре и конечном напряжении. Емкость измеряют в ампер-часах и определяют по формуле
C=Iptp,
где С – емкость, а·ч;
Ip – сила разрядного тока, а;
tp – время разряда, ч.
Величина емкости аккумуляторной батареи в основном определяется следующими факторами: режимом разряда (величиной разрядного тока), концентрацией электролита и температурой. Аккумуляторы при форсированных режимах разряда отдают емкость меньше, чем при разряде более длительными режимами (небольшой величиной тока).
Снижение емкости при форсированных режимах разряда происходит по следующим причинам.
В процессе разряда превращение активной массы пластин сернокислый свинец происходит не только на поверхности пластин, но и внутри них. Если разряд осуществляют током небольшой силы и медленно, то электролит успевает проникать в глубокие слои активной массы, а вода, образующаяся в результате реакции в порах, успевает смешаться с основной массой электролита. При форсированных режимах разряда концентрация серной кислоты в электролите внутри пластин значительно снижается, свежий электролит не успевает проникнуть в глубь активной массы, реакция идет в основном на поверхности пластин, так как поры закупориваются и внутрилежащие слои активной массы почти не принимают участия в реакции. При этом в результате значительного увеличения внутреннего сопротивления аккумулятора напряжение на его зажимах резко падает.
Однако после того как аккумулятор будет разряжен при форсированном режиме, после небольшого перерыва его снова можно разряжать. Это служит наглядным подтверждением того, что снижение емкости в аккумуляторе при разряде большой величиной силы тока происходит в результате неполного использования активной массы пластин.
Кроме величины разрядного тока, на емкость аккумулятора значительно влияет концентрация электролита, которая определяет потенциал пластин, электрическое сопротивление электролита и его вязкость, влияющую в свою очередь на способность проникания электролита в глубокие слои активной массы пластин.
В процессе разряда плотность электролита уменьшается и в конце разряда к активной массе пластин поступает недостаточное количество кислоты, в результате чего напряжение аккумулятора падает и дальнейший его разряд становится невозможным. Чем больше разница между концентрациями электролита, находящегося вне пластин, и электролита, находящегося в порах активной массы, тем интенсивнее происходит процесс проникновения кислоты в поры пластин. В этом отношении применение электролита с большей плотностью, казалось бы, должно увеличить емкость. Но в действительности чрезмерно большая плотность не ведет к увеличению емкости, так как увеличение плотности электролита неизбежно приводит к повышению вязкости электролита, в результате чего процесс проникновения электролита в глубину активной массы пластин ухудшается, и напряжение на зажимах аккумулятора падает.
Установлено, что наибольшую емкость имеет аккумуляторная батарея с плотностью электролита 1,27 – 1,29 г/см 3 .
Емкость аккумуляторной батареи зависит также от температуры. С понижением температуры емкость снижается, а с повышением увеличивается. Это объясняется тем, что с понижением температуры увеличивается вязкость электролита, в результате чего он поступает к пластинам в недостаточном количестве.
Значения вязкости электролита плотностью 1,223 г/см 3 в зависимости от температуры приведены ниже:
Температура, °С............ +30 +25 +20 +10 0 – 10 – 20 – 30
Абсолютная вязкость,
пз(пуаз)....................... 1,596 1,784 2,006 2,600 3,520 4,950 7,490 12,200
Емкость положительных и отрицательных пластин с изменением температур изменяется не в одинаковой степени. Если при обычной температуре емкость элемента лимитируется положительными пластинами, то при низких температурах – отрицательными, так как при понижении температуры емкость отрицательной пластины уменьшается в значительно большей степени, чем положительной.
В последнее время емкость аккумуляторных батарей при низких температурах удалось значительно повысить за счет применения более тонких синтетических сепараторов с высокой пористостью (до 80%) и присадок, так называемых расширителей, к активной массе отрицательных пластин, которые придают ей большую пористость.
Помимо режима разряда, концентрации электролита и температуры емкость аккумуляторной батареи зависит от срока ее службы, от срока хранения, в течение которого батарея бездействовала, от наличия вредных примесей и т. д. Емкость новой аккумуляторной батареи, поступающей в эксплуатацию, первое время (в течение гарантийного срока службы) повышается, так как происходит формирование пластин, после чего на протяжении определенного периода остается постоянной и затем начинает постепенно падать. Потеря емкости аккумуляторной батареей в конце срока службы объясняется уменьшением пористости отрицательных пластин и выпадением активной массы положительных пластин.
Если заряженная батарея продолжительное время бездействовала, то при ее разряде отданная емкость будет значительно меньше. Это объясняется естественным явлением саморазряда при бездействии батареи.