Характеристики аккумуляторных батарей

Работоспособность и техническое состояние АБ определяется следующими характеристиками:

Плотность электролита.В процессе разряда АБ часть серной кислоты в

электролите (30 % раствор Н₂ SO₄) затрачивается на образование сульфата свинца РbSО₄, и одновременно образуется вода. Плотность электролита при этом уменьшается на 0,16 от обычного уровня 1,27.

При заряде аккумулятора происходит распад сульфата свинца и воды в электролите. Образуется серная кислота, плотность электролита увеличивается.

Плотность электролита влияет на остальные показатели, а так же на температуру замерзания воды в электролите. Электролит плотностью 1,27 замерзает при – 58⁰С, а плотностью 1,11 при – 18⁰ С.

Электродвижущая сила. ЭДС аккумуляторной батареи зависит от физико-химических свойств веществ, из которых изготовлены электроды и электролит. Так, ЭДС заряженного свинцового аккумулятора составляет 2,1 В, никель-кадмиевого 1,36 В, серебряно-цинкового 1,86 В. ЭДС свинцового аккумулятора зависит от плотности электро­лита. С точностью, достаточной для практических целей, зависи­мость ЭДС от плотности электролита можно определить по урав­нению

Е = γ + 0,84

где Е - ЭДС аккумулятора, В, γ - плотность электролита при температуре 15⁰С, г/см³.

Для свинцового аккумулятора, в котором плотность электро­лита при температуре 15° С равна (1,09 - 1,31) г/см³, ЭДС равна 1,93 - 2,15В. ЭДС аккумуляторной батареи, состоящей из нескольких по­следовательно соединенных аккумуляторов, равна сумме ЭДС этих аккумуляторов.

Напряжение аккумулятора отличается от ЭДС на вели­чину внутреннего падения на­пряжения в аккумуляторе при прохождении тока (раз­ряде или заряде).

Напряжение аккумулятор­ной батареи при разряде U_р меньше ЭДС и равно

U_р = Е_а - I_рR_а (рис.5.8),

где I_р - ток разряда, А;

Е_а - ЭДС аккумуляторной батареи, В;

R_а - внутреннее сопро­тивление батареи при разряде, Ом.

Рис, 5.8. Эквивалентная схема электрической батареи в виде идеального источника напряжения с последовательно соединенным резистором

Внутреннее сопротивление аккумулятора. Пример, дающий представление о внутреннем (выходном) сопротивлении: свет фар автомобиля тускнеет при работе стартера. Большой ток, по­требляемый стартером, вызывает падение напряжения внутри аккумулято­ра, в результате чего напряжение на его клеммах уменьшается, и свет фар становится менее ярким.

В процессе разряда напряжение аккумулятора падает за счет повышения внутреннего сопротивления аккумулятора и уменьшения ЭДС при снижении плотности электролита (рис. 7).

Внутреннее сопротивление аккумулятора представляет собой сумму сопротивлений пластин и электролита. Сопротивление пла­стин в процессе разряда резко возрастает, так как активная масса, состоящая из свинца на отрицательной пластине и двуокиси свинца на положительной пластине с удельным сопротивлением соответственно 1,83 10^-4 и 0,25 10^-2 Ом·м превращается в сульфат свинца с удельным сопротивлением 10⁵ Ом·м.

На характер зависимости разрядного напряжения от времени влияют температура электролита и сила разрядного тока. При по­нижении температуры особенно ниже 0⁰С резко увеличивается вязкость и удельное сопротивление электролита. С повышением вязкости уменьшается скорость диффузии электролита из наруж­ных слоев в поры активной массы. Удельное сопротивление элек­тролита при изменении температуры от 0 до - 30⁰С возрастает в 2,5 раза. Поэтому разрядное напряжение аккумуляторной батареи резко падает при понижении температуры электролита (рис. 8).

Рис. 8. Изменение напряжения аккумуляторной батареи при разряде стартерным током

При возрастании силы разрядного тока изменение напряже­ния во времени становится более резким. Особенно резко на­пряжение аккумулятора понижается при совместном воздействии температуры ниже 0⁰С и большого разрядного тока, характерных, для пуска двигателя зимой (рис. 9).

Рис. 9. Изменение напряжения аккумуляторной батареи 6СТ-55ЭМ. во вре­мени при разряде токами различной силы при температуре - 20° С

Напряжение аккумулятор­ной батареи при заряде больше ее ЭДС:

U_з = E_a + I_pR_a

где I₃ - ток заряда, А; R_а - внутреннее сопротивление батареи при заряде, Ом.

Характер изменения зарядного напряжения аккумулятора во времени при постоянной силе тока заряда приведен на рис. 10.

Рис. 10. Изменение зарядного напряжения и плотности электролита аккумулятор­ной батареи по времени при заряде посто­янным током

Емкость аккумуляторной батареи - это количество электри­чества, выраженное в ампер-часах, которое можно получить при данных условиях разряда (температура, сила тока разряда, плотность электролита) до определенного значения напряжения аккумуляторной батареи.

При определении емкости не допускается разряд аккумуля­тора до нулевого значения напряжения, так как при глубоком разряде сульфат свинца закрывает поры пластин, электролит не проникает в глубину пор, а в актив­ной массе пластин появ­ляются трещины. Опре­деление емкости аккуму­ляторов при разряде проводят обычно при по­стоянной силе тока. Рас­считывают емкость по сле­дующей формуле:

C_р = I_рt_р

где t_р - время разряда, ч.

Емкость аккумулятор­ной батареи при последо­вательном соединении ак­кумуляторов равна емко­сти одного аккумулятора.

Емкость зависит от количества активных материалов, режима раз­ряда, температуры электролита, а также от толщины, площади, пористости пластины, степени их износа и др. Чем больше количество активной массы, тем выше емкость аккумуляторной батареи (при условии достаточного количества электролита для обеспечения нормального протекания окисли­тельно-восстановительных реакций).

С повышением силы тока время разряда, а следовательно, и емкость аккумуляторной батареи уменьшаются. Связь между силой разрядного тока и временем разряда выражается зависи­мостью, предложенной Пейкертом:

I^v_р t_р = const,

где v - постоянная величина, не зависящая от емкости акку­муляторной батареи и характеризующая тип аккуму­лятора; для свинцового аккумулятора

v = 1,2 -1,6.

Время разряда аккумулятора до определенного конечного напряжения зависит от силы тока и составляет от нескольких ча­сов до нескольких минут (см. рис. 9). Соответственно изменяется емкость аккумулятора. При больших (стартерных) токах разряда образующийся на пластинах мелкокристаллический сульфат свинца закупоривает поры наружного слоя активной массы. Внутренние слои активной массы не участвуют в реакции. Концентрация электролита в по­рах резко снижается, так как диффузия электролита в поры пла­стин затруднена. В результате этого напряжение аккумулятора падает, что ограничивает емкость аккумулятора. При низких температурах электролита, особенно при температуре ниже 0⁰С, отдаваемая аккумулятором емкость уменьшается (из-за резкого снижения разрядного напряжения).

Так как емкость аккумуляторной батареи зависит от тока разряда и температуры, то гарантируемая емкость батареи (но­минальная и стартерная) указана только для определенных усло­вий разряда.