Можно ли по ЭДС точно судить о степени заряженности аккумулятора?
Электродвижущей силой (ЭДС) аккумулятора называется разность его электродных потенциалов, измеренная при разомкнутой внешней цепи:
Е = φ+ – φ–
где φ+ и φ– – соответственно потенциалы положительного и отрицательного электродов при разомкнутой внешней цепи.
ЭДС батареи, состоящей из n последовательно соединённых аккумуляторов:
В свою очередь, электродный потенциал при разомкнутой цепи в общем случае состоит из равновесного электродного потенциала, характеризующего равновесное (стационарное) состояние электрода (при отсутствии переходных процессов в электрохимической системе), и потенциала поляризации.
Этот потенциал в общем случае определяется как разность между потенциалом электрода при разряде или заряде и его потенциалом в равновесном состоянии в отсутствии тока. Однако следует отметить, что состояние аккумулятора сразу после выключения зарядного или разрядного тока не является равновесным вследствие различия концентрации электролита в порах электродов и межэлектродном пространстве. Поэтому электродная поляризация сохраняется в аккумуляторе довольно длительное время и после отключения зарядного или разрядного тока и характеризует в этом случае отклонение электродного потенциала от равновесного значения за счёт переходного процесса, то есть в основном вследствие диффузионного выравнивания концентрации электролита в аккумуляторе от момента размыкания внешней цепи до установления равновесного стационарного состояния в аккумуляторе.
Химическая активность реагентов, собранных в электрохимическую систему аккумулятора, и, следовательно, изменение ЭДС аккумулятора весьма незначительно зависит от температуры. При изменении температуры от –30°С до+50°С (в рабочем диапазоне для АКБ) электродвижущая сила каждого аккумулятора в батарее изменяется всего на 0,04 В и при эксплуатации аккумуляторов им можно пренебречь.
С повышением плотности электролита ЭДС повышается. При температуре +18°С и плотности 1,28 г/см3 аккумулятор (имеется в виду одна банка) обладает ЭДС равной2,12 В. Аккумуляторная батарея из шести элементов обладает ЭДС равной 12,72 В(6 ? 2,12 В = 12,72 В).
По ЭДС нельзя точно судить о степени заряженности аккумулятора.
ЭДС разряженного аккумулятора с большей плотностью электролита будет выше, чем ЭДС заряженного аккумулятора, но имеющего меньшую плотность электролита. Величина ЭДС исправного аккумулятора зависит от плотности электролита (степени его заряженности) и изменяется от 1,92 до 2,15 В.
При эксплуатации аккумуляторных батарей путём измерения ЭДС можно обнаружить серьёзную неисправность аккумуляторной батареи (замыкание пластин в одной или нескольких банках, обрыв соединительных проводников между банками и тому подобное).
ЭДС измеряют высокоомным вольтметром (внутреннее сопротивление вольтметране менее 300 Ом/В). В ходе выполнения измерений вольтметр присоединяют к выводам аккумулятора или батареи. При этом через аккумулятор (батарею) не должен протекать зарядный или разрядный ток!
***
Электродвижущая сила (ЭДС) – скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил, то есть любых сил неэлектрического происхождения, действующих в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока.
ЭДС так же, как и напряжение, в Международной системе единиц (СИ) измеряется в вольтах.
Если замкнуть внешнюю цепь заряженного аккумулятора, появится электрический ток. При этом происходят следующие реакции:
у отрицательной пластины
у положительной пластины
где е - заряд электрона, равный
На каждые две молекулы расходуемой кислоты образуются четыре молекулы воды, но в то же время расходуются две молекулы воды. Поэтому в итоге имеет место образование только двух молекул воды. Складывая уравнения (27.1) и (27.2), получаем реакцию разряда в окончательном виде:
Уравнения (27.1) - (27.3) следует читать слева направо.
При разряде аккумулятора на пластинах обеих полярностей образуется сульфат свинца. Серная кислота расходуется как у положительных, так и у отрицательных пластин, при этом у положительных пластин расход кислоты больше, чем у отрицательных. У положительных пластин образуются две молекулы воды. Концентрация электролита при разряде аккумулятора снижается, при этом в большей мере она снижается у положительных пластин.
Если изменить направление тока через аккумулятор, то направление химической реакции изменится на обратное. Начнется процесс заряда аккумулятора. Реакции заряда у отрицательной и положительной пластин могут быть представлены уравнениями (27.1) и (27.2), а суммарная реакция - уравнением (27.3). Эти уравнения следует теперь читать справа налево. При заряде сульфат свинца у положительной пластины восстанавливается в перекись свинца, у отрицательной пластины - в металлический свинец. При этом образуется серная кислота и концентрация электролита повышается.
Электродвижущая сила и напряжение аккумулятора зависят от множества факторов, из которых важнейшими являются содержание кислоты в электролите, температура, ток и ею направление, степень заряженности. Связь между электродвижущей силой, напряжением и током может быть запи-
сана следующим образом:
при
разряде
где Е 0 - обратимая ЭДС; E п - ЭДС поляризации; R - внутреннее сопротивление аккумулятора.
Обратимая ЭДС - это ЭДС идеального аккумулятора, в котором устранены все виды потерь. В таком аккумуляторе энергия, полученная при заряде, полностью возвращается при разряде. Обратимая ЭДС зависит только от содержания кислоты в электролите и температуры. Она может быть определена аналитически, исходя из теплоты образования реагирующих веществ.
Реальный аккумулятор находится в условиях, близких к идеальным, если ток ничтожно мал и продолжительность его прохождения также мала. Такие условия можно создать, если уравновесить напряжение аккумулятора некоторым внешним напряжением (эталоном напряжения) с помощью чувствительного потенциометра. Напряжение, измеренное таким образом, называется напряжением при разомкнутой цепи. Оно близко к обратимой ЭДС. В табл. 27.1 приведены значения этого напряжения, соответствующие плотности электролита от 1,100 до 1,300 (отнесены к температуре 15°С) и температуре от 5 до 30 °С.
Как видно из -таблицы, при плотности электролита 1,200, обычной для стационарных аккумуляторов, и температуре 25 °С напряжение аккумулятора при разомкнутой цепи равно 2,046 В. В процессе разряда плотность электролита несколько снижается. Соответствующее снижение напряжения при разомкнутой цепи составляет всего несколько сотых долей вольта. Изменение напряжения при разомкнутой цепи, вызванное изменением температуры, ничтожно мало и представляет скорее теоретический интерес.
Если через аккумулятор проходит некоторый ток в направлении заряда или разряда, напряжение аккумулятора изменяется вследствие внутреннего падения напряжения и изменения ЭДС, вызванного побочными химическими и физическими процессами у электродов и в электролите. Изменение ЭДС аккумулятора, вызванное указанными необратимыми процессами, называется поляризацией. Основными причинами поляризации в аккумуляторе являются изменение концентрации электролита в порах активной массы пластин по отношению к концентрации его в остальном объеме и вызываемое этим изменение концентрации ионов свинца. При разряде кислота расходуется, при заряде образуется. Реакция происходит в порах активной массы пластин, и приток или удаление молекул и ионов кислоты происходит через диффузию. Последняя может иметь место только при наличии некоторой разности концентраций электролита в области электродов и в остальном объеме, которая устанавливается в соответствии с током и температурой, определяющей вязкость электролита. Изменение концентрации электролита в порах активной массы вызывает изменение концентрации ионов свинца и ЭДС. При разряде вследствие понижения концентрации электролита в порах ЭДС уменьшается, а при заряде вследствие повышения концентрации электролита ЭДС повышается.
Электродвижущая сила поляризации направлена всегда навстречу току. Она зависит от пористости пластин, тока и
температуры. Сумма обратимой ЭДС и ЭДС поляризации, т. е. Е 0 ± Е п , представляет собой ЭДС аккумулятора под током или динамическую ЭДС. При разряде она меньше обратимой ЭДС, а при заряде - больше. Напряжение аккумулятора под током отличается от динамической ЭДС только на значение внутреннего падения напряжения, которое относительно мало. Следовательно, напряжение аккумулятора под током также зависит от тока и температуры. Влияние последней на напряжение аккумулятора при разряде и заряде значительно больше, чем при разомкнутой цепи.
Если разомкнуть цепь аккумулятора при разряде, напряжение его медленно увеличится до напряжения при разомкнутой цепи вследствие продолжающейся диффузии электролита. Если разомкнуть цепь аккумулятора при заряде, напряжение его медленно уменьшится до напряжения при разомкнутой цепи.
Неравенство концентраций электролита в области электродов и в остальном объеме отличает работу реального аккумулятора от идеального. При заряде аккумулятор работает так, как если бы он содержал очень разбавленный электролит, а при заряде - очень концентрированный. Разбавленный электролит все время смешивается с более концентрированным, при этом некоторое количество энергии выделяется в виде тепла, которое при условии равенства концентраций могло бы быть использовано. В результате энергия, отданная аккумулятором при разряде, меньше энергии, полученной при заряде. Потеря энергии происходит вследствие несовершенства химического процесса. Этот вид потерь является основным в аккумуляторе.
Внутреннее сопротивление аккумуля тора. Внутреннее сопротивление слагается из сопротивлений каркаса пластин, активной массы, сепараторов и электролита. Последнее составляет большую часть внутреннего сопротивления. Сопротивление аккумулятора увеличивается при разряде и уменьшается при заряде, что является следствием изменения концентрации раствора и содержания суль-
фата в активной массе. Сопротивление аккумулятора невелико и заметно лишь при большом разрядном токе, когда внутреннее падение напряжения достигает одной или двух десятых долей вольта.
Саморазряд аккумулятора. Саморазрядом называется непрерывная потеря химической энергии, запасенной в аккумуляторе, вследствие побочных реакций на пластинах обеих полярностей, вызванных случайными вредными примесями в использованных материалах или примесями, внесенными в электролит в процессе эксплуатации. Наибольшее практическое значение имеет саморазряд, вызванный присутствием в электролите различных соединений металлов, более электроположительных, чем свинец, например меди, сурьмы и др. Металлы выделяются на отрицательных пластинах и образуют со свинцом пластин множество короткозамкнутых элементов. В результате реакции образуются свинцовый сульфат и водород, который выделяется на металле загрязнения. Саморазряд может быть обнаружен по легкому выделению газа у отрицательных пластин.
На положительных пластинах саморазряд происходит также вследствие обычной реакции между свинцом основы, перекисью свинца и электролитом, в результате которой образуется сульфат свинца.
Саморазряд аккумулятора происходит всегда: как при разомкнутой цепи, так и при разряде и заряде. Он зависит от температуры и плотности электролита (рис. 27.2), причем с повышением температуры и плотности электролита саморазряд увеличивается (потеря заряда при температуре 25 °С и плотности электролита 1,28 принята за 100%). Потеря емкости новой батареи вследствие саморазряда составляет около 0,3% в сутки. С возрастом батареи саморазряд увеличивается.
Ненормальная сульфатация пластин. Свинцовый сульфат образуется на пластинах обеих полярностей при каждом разряде, что видно из уравнения реакции разряда. Этот сульфат имеет
тонкое кристаллическое строение и зарядным током легко восстанавливается в металлический свинец и перекись свинца на пластинах соответствующей полярности. Поэтому сульфатация в этом смысле - нормальное явление, составляющее неотъемлемую часть работы аккумулятора. Ненормальная сульфатация возникает, если аккумуляторы подвергаются чрезмерному разряду, систематически недозаряжаются или остаются в разряженном состоянии и бездействии в течение длительного времени, а также если они работают с чрезмерно высокой плотностью электролита и при высокой температуре. В этих условиях тонкий кристаллический сульфат становится более плотным, кристаллы растут, сильно расширяя активную массу, и трудно восстанавливаются при заряде вследствие большого сопротивления. Если батарея находится в бездействии, образованию сульфата способствуют колебания температуры. При повышении температура мелкие кристаллы сульфата растворяются, а при последующем ее понижении сульфат медленно выкристаллизовывается и кристаллы растут. В результате колебаний температуры крупные кристаллы образуются за счет мелких.
У сульфатированных пластин поры закупорены сульфатом, активный материал выдавливается из решеток и пластины часто коробятся. Поверхность сульфатированных пластин становится жесткой, шероховатой, и при растирании
материала пластин между пальцами ощущается как бы песок. Темно-корич-невые положительные пластины стано-вятся светлее, и на поверхности высту-пают белые пятна сульфата. Отрицательные пластины становятся твердыми, желовато-серыми. Емкость сульфатиро-шнного аккумулятора понижается.
Начинающаяся сульфатация может быть устранена длительным зарядом лалым током. При сильной сульфатации необходимы особые меры для приведе-гая пластин в нормальное состояние.
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
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.
Аккумулятор - ЭДС аккумулятора - Электродвижущая сила
Эдс аккумулятора, не включенного на нагрузку, составляет в среднем 2 Вольта. Она не зависит от величины аккумулятора и размера его пластин, а определяется различием активных веществ положительных и отрицательных пластин.В небольших пределах эдс может изменяться от внешних факторов, из которых практическое значение имеет плотность электролита, т. е. большее или меньшее содержание кислоты в растворе.
Электродвижущая сила разряженного аккумулятора, имеющего электролит высокой плотности, будет больше эдс заряженного аккумулятора с более слабым раствором кислоты. Поэтому о степени заряда аккумулятора с неизвестной начальной плотностью раствора не следует судить на основании показаний прибора при измерении эдс без подключенной нагрузки.
Аккумуляторы имеют внутреннее сопротивление, которое не остается постоянным, а изменяется во время заряда и разряда в зависимости от химического состава активных веществ. Одним самым очевидным фактором сопротивления батареи является электролит. Поскольку сопротивление электролита зависит не только от его концентрации, но и от температуры, то и сопротивление аккумулятора зависит от температуры электролита. С увеличением температуры сопротивление уменьшается.
Наличие сепараторов также повышает внутренней сопротивление элементов.
Другим фактором, увеличивающим сопротивление элементов, является сопротивление активного материала и решеток. Кроме того, на сопротивление аккумуляторной батареи влияет степень заряда. Сульфат свинца, образующийся во время разряда как на положительных, так и на отрицательных пластинах, не проводит электричества, и его присутствие значительно повышает сопротивление прохождению электрического тока. Сульфат закрывает поры пластин, когда последние находятся в заряженном состоянии, и таким образом препятствует свободному доступу электролита к активному материалу. Поэтому, когда элемент заряжен, сопротивление его оказывается меньше, чем в разряженном состоянии.
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.
