Основные электрические и технические характеристики свинцовых стартерных аккумуляторных батарей.

15.1. Электрические характеристики:

Электродвижущая сила

Электродвижущая сила (ЭДС) аккумулятора - разность потенциалов положительной и отрицательной пластин при разомкнутой внешней цепи:

(15.1)

где и - соответственно потенциалы положительной и отрица­тельной пластин, В. ЭДС аккумуляторной батареи, состоящей из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов, равна сумме ЭДС этих аккумуляторов.

ЭДС аккумулятора зависит от физико-химических свойств веществ, принимающих участие в электрохимических процессах, и не зависит от размеров пластин и количества активных масс и электролита. При изменении плотности электролита в процессе разряда и заряда ЭДС аккумулятора также изменяется (рис. 1).

ЭДС свинцового аккумулятора приближенно определяется по эмпи­рической формуле:

(15.2)

где - плотность электролита при температуре +25°С, г/см³.

Рис. 15.1. Изменение ЭДС и потенциалов пластин свинцового аккумулятора в зависимости от плотности электролита

Напряжение при разряде и заряде

Напряжение аккумулятора - разность потенциалов положительной и отрицательной пластин при замкнутей внешней цепи, т.е. при раз­ряде или заряде.

Напряжение аккумулятора при разряде составляет

,

где - сила тока разряда, А;

- внутреннее сопротивление аккумулятора при разряде, Ом.

Напряжение аккумулятора при заряде равно

,

где - сила тока заряда, А;

- внутреннее сопротивление аккумулятора при заряде, Ом.

Внутренне сопротивление аккумулятора – сопротивление, оказываемое аккумулятором прохождению внутри него электрического тока при заряде или разряде.

Внутренне сопротивление аккумулятора составляет

,

где - сопротивление пластин, сепараторов, электролита, токоведущих деталей, Ом;

- сопротивление поляризации, появляющееся при изменении потенциалов пластин при прохождении тока, Ом.

Внутреннее сопротивление свинцового аккумулятора в заряженном состоянии невелико и составляет тысячные доли Ома. В разряженном состоянии внутреннее сопротивление аккумулятора увеличивается более чем в два раза вследствие превращения губчатого свинца и диоксида свинца, имеющих удельное электрическое сопротивление соответственно и ,в сульфат свинца с удельным сопротивлением . Изменение напряжения свинцового аккумулятора при разряде и заряде его постоянным током показано на рис. 2.

В начале заряда происходит скачок напряжения на величину омических потерь аккумулятора, а затем резкое повышение напряжения за счет повышения сопротивления поляризации из-за увеличения плотности электролита в порах активной массы. Далее происходит медлен­ный рост напряжения, обусловленный в основном ростом ЭДС аккумуля­тора вследствие увеличения плотности электролита и превращения сульфата свинца в диоксид свинца на положительной пластине и губ­чатый свинец на отрицательной пластине.

В конце заряда происходит резкое повышение напряжения за счет увеличения разности потенциалов пластин при электролизе воды. Затем рост плотности электролита и напряжения при заряде практически прекращается, так как практически весь сульфат свинца прореагировал и подводимая к аккумулятору энергия расходуется только на электролитическое разложение воды ("кипение"). После прекращения заряда напряжение на выводах аккумулятора снижается до значения его ЭДС.

В начале заряда происходит скачок напряжения на величину омических потерь аккумулятора, а затем резкое повышение напряжения за счет повышения сопротивления поляризации из-за увеличения плотности электролита в порах активной массы. Далее происходит медлен­ный рост напряжения, обусловленный в основном ростом ЭДС аккумуля­тора вследствие увеличения плотности электролита и превращения сульфата свинца в диоксид свинца на положительной пластине и губ­чатый свинец на отрицательной пластине.

Рис. 15.2. Изменение напряжения аккумулятора во времени при заряде и разряде.

В начале разряда напряжение аккумулятора резко падает на вели­чину омических потерь и поляризации, обусловленной снижением плот­ности электролита в порах активной массы. Далее происходит постепенное снижение напряжения аккумулятора из-за уменьшения плотности электролита в процессе разряда и образования сульфата свинца на пластинах. При этом частицы сульфата свинца, имеющего примерно в 3 раза больший объем по сравнению с частицами свинца и диоксида его, закрывают поры активной массы и препятствует прохождению элек­тролита в глубину пор пластин.

В конце разряда происходит резкое снижение напряжении из-за превращения свинца и диоксида свинца в сульфат свинца и резкого повышения сопротивления аккумулятора. При прекращении разряда напряжение на выводах аккумулятора быстро повышается до значения ЭДС.

На характер протекания кривой разрядного напряжения по времени влияют температура разряда и сила разрядного тока. При понижении температуры электролита, особенно ниже 0°С, резко увеличивается вязкость электролита и сопротивление его. С увеличением вязкости уменьшается скорость диффузии электролита из наружных слоев в поры активной массы. Кроме того, удельное сопротивление электролита при изменении температуры от 0°С до -30°С увеличивается в 2,5 раза. Поэтому напряжение аккумуляторной батареи при разряде резке, снижа­ется с понижением температуры электролита, при увеличении разряд­ного тока изменение напряжения во времени становится более резким (рис. 3). Особенно сказывается на понижении напряжения аккумулятора совместное действие температур ниже 0°С и большого разрядного тока, характерных для пуска двигателя стартером зимой.

Рис. 15.3. Изменение напряжения аккумуляторной батареи 6СТ-190 в течение разряда стартерным током 500 А при различных температурах электролита

Емкость при разряде и заряде

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

Разряд аккумулятора при определении емкости не допускается до нулевого значения напряжения, так как при глубоком разряде сульфат свинца закупоривает поры пластин, электролит не проникает в глубину пор, в активной массе пластин появляются трещины.

При определении емкости аккумуляторов разряд проводится обыч­но при постоянной силе тока. Емкость рассчитывается по следующей формуле:

(15.3)

где - емкость аккумулятора при разряде, ;

- время разряда, ч.

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

Емкость аккумулятора в первую очередь зависит от количества активной массы и электролита, а также от степени их использования, Теоретически необходимое количество активных материалов для полу­чения одного ампер-часа емкости составляет 4,46 г диоксида свинца, 3,87 г губчатого свинца и 3,66 г серной кислоты. В действи­тельности из-за низкой степени использования активных материалов их количество в реальном аккумуляторе превышает более чем в 2 раза теоретически необходимое.

Кроме того, на емкость аккумулятора влияет режим разряда, температура электролита, разреженность, толщина и пористость пластин, степень их износа, плотность электролита и другие факторы.

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

,

где к – постоянная величина, не зависящая от емкости и характеризующая тип аккумулятора: для свинцового аккумулятора к = 1,4.

При стартерном режиме 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 процесс диффузии электролита затрудняется. В результате значитель­ного увеличения внутреннего сопротивления аккумулятора напряжение его резко падает, что ограничивает отдаваемую емкость (рис. 15.1).

С понижением температуры разрядная емкость аккумулятора пада­ет, так как увеличивается вязкость электролита, поступление его к пластинам становится недостаточным и, кроме того, при низких температурах скорость окислительно-восстановительных реакций зна­чительно замедляется. Емкость положительных и отрицательных плас­тин изменяется в зависимости от температуры не в одинаковой сте­пени: при низких температурах емкость отрицательной пластины падает резче, чем положительной, при положительной температуре емкость аккумулятора ограничивается емкостью положительной пластины. При низкой температуре происходит усадка губчатого свинца, снижа­ется, пористость отрицательной пластины, поэтому падает ее отдава­емая емкость.

На разрядную емкость аккумулятора влияет также плотность элек­тролита, которая определяет потенциал пластин, сопротивление элект­ролита и его вязкость, влияющую всвою очередь на способность элек­тролита проникать в глубокие слои активной массы пластин. В про­цессе разряда плотность электролита уменьшается и вконце разряда к активной массе пластин поступает недостаточное для реакции коли­чество серной кислоты, в результате напряжение аккумулятора резко падает,тем больше разница между концентрациями электролита впо­рах пластин и межэлектродном пространстве, тем интенсивнее процесс диффузии кислоты в поры активной массы. С этой точки зрения при­менение электролита повышенной плотности привело бы к увеличению разрядной емкости. Но с увеличением плотности электролита увеличи­вается его вязкость и уменьшается скорость диффузии, что дает отри­цательный эффект иснижает напряжение аккумулятора. Установлено, что наибольшую емкость имеет аккумуляторная батарея с плотностью элек­тролита 1,27...1,29 г/см3.

Рис.15.4. Зависимость емкости аккумуляторной батареи 6СТ-110А от силы разрядного тока при разных температурах

Разрядная емкость зависит от пористости активной массы элек­тродов, количественно определяющейся объемом пор в единице объема активной массы. Пористость электродов различна в зависимости от состава и структуры активной массы и степени разряженности акку­мулятора. Образующийся при разряде сульфат свинца менее плотен, чем свинец или двуокись свинца, и занимает больше пространства по сравнению с ними. Объем пластин остается практически тем же, увеличение объема активного материала во время разряда происходит па счет уменьшения сечения пор. При этом происходит ухудшение диф­фузии электролита, увеличение внутреннего сопротивления и, как результат, снижение отдаваемой емкости.

Емкость аккумулятора при разряде небольшими токами возраста­ет при увеличении толщины активного материала электродов при усло­вии достаточной пористости, обеспечивающей доступ электролита в глубину активной массы. При токах стартерного режима разряда использование активной массы ограничивается слоями, которые, находят­ся в непосредственном контакте с электролитом в межэлектродном про­странстве. Емкость при таком режиме зависит от площади электродов, а не от толщины их.

Емкость аккумулятора при заряде - коли­чество электричества, выраженное в ампер-часах, полученное аккуму­лятором при заряде:

при

где - время заряда, ч.

Энергия, мощность и отдача аккумулятора

Энергия аккумулятора – произведение ее разрядной (или зарядной) емкости на среднее напряжение разряда (или заряда):

,

где и - энергия при разряде и заряде, Втч;

и - среднее значение разрядного и зарядного напряжения, В.

Среднее значение напряжения определяется как среднее арифметическое значение напряжений, измеренных через равные интервалы времени:

,

где n – число замеров напряжения при разряде или заряде аккумулятора.

Для сравнения различных аккумуляторных батарей используются удельные характеристики, т.е. величины энергии, отнесенные к единице массы или объема аккумуляторной батареи.

Для современных свинцовых стартерных аккумуляторных батарей удельная энергия в длительном режиме разряда составляет 25...40 Втч/кг и 50...90 Втч/дм3.

Мощность аккумулятора - количество энергии, отдаваемое аккумулятором в единицу времени и выраженное в ваттах:

Отдача по емкости (электрохимический КПД) – отношение емкости, полученной при разряде аккумулятора, к емкости, сообщенной ему при заряде:

Отдача по энергии (энергетический КПД):

Отдача по энергии определяет способность аккумулятора возвращать при определенных условиях сообщаемую ему при заряде энергию. При увеличении силы тока разряда и снижении температуры электролита отдача аккумулятора уменьшается.

15.2. Технические характеристики свинцовых стартерных аккумуляторных батарей:

Технические характеристики отечественных свинцовых стартерных аккумуляторных батарей приведены в соответствии с ГОСТ Р 53165-2008 «Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники».

Основными техническими характеристиками являются номинальная и резервная емкости, ток холодной прокрутки, срок службы батареи.

Номинальная емкость батареи является одним из контрольных параметров состояния батареи. Номинальная емкость – количество электричества в ампер-часах, которое получено при разряде полностью заряженной батареи током, равным 0,05С₂₀ (где С₂₀ – номинальная емкость при 20-часовом режиме разряда, указанная в маркировке батареи), при температуре +25⁰С до достижения конечного напряжения на полюсных выводах 12-вольтовой батареи 10,5В.

Если температура электролита отличается от +25⁰С, то полученная емкость должна быть приведена к емкости при температуре +25⁰С по формуле:

(15.4)

где C_t – емкость, полученная при разряде, Ач;

t⁰ _э– температура электролита при разряде, ⁰С.

Резервная емкость аккумуляторных батарей характеризует запас энергии батареи для питания потребителей в случае выхода из строй генератора на транспортном средстве. Резервная емкость – продолжительность разряда (в минутах) полностью заряженной батареи постоянным током 25А при температуре 25⁰С до достижения конечного напряжения на полюсных выводах 10,5В.

Ток холодной прокрутки является показателем, оценивающим стартерные свойства свинцовых батарей. Разряд током холодной прокрутки, которой указывается изготовителем батареи, проводится в течении 30 секунд при температуре -18⁰С регистрацией напряжения на полюсных выводах на 10-й и 30-й секундах разряда, которое должно составлять не менее 7,5 и 7,2В соответственно.

Для свинцовых стартерных батарей, работающих в условии холодного климата, испытание током холодной прокрутки производится при температуре -30⁰С.

В настоящее время на моноблоках или крышках отечественных батарей дополнительно указываются параметры в соответствии с европейским стандартом EN 50342+А1: номинальная емкость, резервная емкость и ток холодной прокрутки. Если два первых параметра соответствуют отечественному стандарту, то ток холодной прокрутки по европейскому стандарту – это ток разряда батареи при -18⁰С на 10-й секунде разряда при напряжении на полюсных выводах 7,5В.

Срок службы аккумуляторных батарей определяется продолжительностью эксплуатации (пробег или моточасы) до момента снижения емкости ниже 40% от номинальной или снижения продолжительности стартерного разряда током менее 1,5 мин при температуре +25⁰С до конечного напряжения на полюсных выводах 9,0В.

В соответствии с ГОСТ Р 53165-2008 срок службы традиционных батарей в эксплуатации должен составлять не менее 24 месяцев при пробеге не более 90 тыс. км или наработке 3000 моточасов. Срок службы малообслуживаемых батарей в эксплуатации должен составлять не менее 48 месяцев при пробеге не более 100 тыс. км.

Реальный срок службы свинцовых стартерных аккумуляторных батарей зависит от исправности работы системы электрооборудования, условий и режимов эксплуатации транспортного средства, периодичности и качества технического обслуживания изделий электрооборудования и аккумуляторной батареи.