Вольт-амперные разрядные характеристики свинцовых стартерных аккумуляторных батарей и их расчет

Аккумуляторные батареи на транспортных средствах работают в двух основных режимах: стартерном - при пуске двигателя внутрен­него сгорания электростартером и циклирования - чередующихся зарядов и разрядов. Аккумуляторная батарея служит также сглаживающим фильтром пульсаций напряжения генератора, обеспечивая необходимое качество электроэнергии для надежной работы потребителей, в особенности электронных.

В стартерном режиме работы аккумуляторная батарея должна от­давать силу тока, равную 3...7 C₂₀ (C_{20 ­}– номинальная емкость аккумуляторной батареи) в течение времени пуска ДВС без снижения напряжения на выводах батареи ниже допустимой величи­ны (для обеспечения необходимой частоты прокручивания электростар­тером коленчатого вяля ДВС и по требованиям системы зажигания).

Стартерные свойства аккумуляторной батареи оцениваются по вольт - амперным разрядным характеристикам, представляющим собой зависимости напряжения на выводах батареи от тока разряда для определенных условий разряда (температура электролита, степень разряженности батареи, момент времени с начала разряда и др.).

Вольт - амперная разрядная характеристика свинцовой стартерной аккумуляторной батареи аппроксимируется в виде прямой линии, имеющей точки пересечения с осями координат U_нр и I_кз (рис. 1). Точка пересечения с осью ординат U_нр определяет напряжение бата­реи при токе разряда, равном нулю, а точка пересечения с осью абсцисс I_кз – условный ток короткого замыкания батареи.

С понижением температуры электролита, увеличением степени разряженности и продолжительности разряда батареи угол наклона вольт - амперной характеристики к оси абсцисс увеличивается. Вольт - амперная характеристика (ВАХ) батарей зависит от ее номинальной емкости: с повышением емкости увеличивается ток короткого замыкания батареи.

Кроме этого, на вольт - амперную характеристику влияет конструкция и материалы пластин и сепараторов, износ батареи и другие факторы.

Вольт-ампернные характеристики разрядные аккумуляторных батарей определяются экспериментальным или расчетным способом.

Для расчета и подбора электропусковой системы ДВС необходимо иметь вольт-амперные разрядные характеристики аккумуляторных батарей при различных условиях пуска.

Методика расчетного определения вольт – амперных разрядных характеристик свинцовых стартерных аккумуляторных батарей приводится в РТМ 37.003.028-83. С помощью данной методики могут быть рассчитаны ВАХ существующих и проектируемых батарей по значениям конструктивных параметров батарей для первых шести попыток пуска продолжительностью 10 и 15 секунд.

Основное уравнение для расчета вольт - амперной разрядной характеристики аккумуляторной батареи:

(17.1)

где – момент времени, для которого рассчитываются ВАХ, с;

– допустимая продолжительность разряда батареи током стартерного режима, с;

– напряжение на полюсных выводах аккумуляторной батареи при разряде, В;

– сила тока разряда батареи, А;

– ЭДС поляризации, В;

– напряжение батареи при разомкнутой внешней цепи, В;

– омическое сопротивление аккумуляторной батареи, Ом.

При расчете вольт – амперной характеристики на десятой секунде разряда формула принимает вид:

(17.2)

Напряжение аккумуляторной батареи при разомкнутой внешней цепи (ЭДС покоя):

(17.3)

где – количество аккумуляторов в батареи;

– плотность электролита полностью заряженной батареи, кг/м³;

– степень разряженности батареи, %;

ЭДС поляризации

(17.4)

где – суммарное число положительных и отрицательных пластин;

– температура электролита,˚С;

– площадь пластин односторонняя, т.е. произведение высоты пластин на ширину , м².

Омическое сопротивление аккумуляторной батареи определяется суммой сопротивлений отдельных участков цепи:

(17.5)

где - сопротивление электролита, Ом;

- сопротивление сепараторов, Ом;

- сопротивление пластин, Ом;

- сопротивление металлических частей (борнов, перемычек и т.д.), Ом.

Сопротивление электролита

(17.6)

где - величина зазора между пластиной и сепаратором, м;

и - толщина сепаратора соответственно по ребру и по телу, м;

- удельное сопротивление электролита, .

Зазор между пластиной и сепаратором можно ориентировочно определить по формуле

(17.7)

где - шаг сборки электродов, м;

и - толщина положительных и отрицательных электродов, м.

Удельное сопротивление электролита

(17.8)

Сопротивление сепараторов

(17.9)

где - коэффициент, учитывающий материал сепараторов (для сепараторов из мипласта , из мипора – 0,292, из поровинила – 0,350).

Сопротивление пластин

(17.10)

где К_П – коэффициент, учитывающий состав сплава для токоотводов пластин и составляющий 1,87 для свинцово – сурмянистых сплавов; 1,29 для сплавов с добавками кальция и кадмия, применяемых в необслуживаемых батареях.

Сопротивление металлических частей

(17.11)

где К_м – коэффициент, учитывающий особенность конструкции металлических частей аккумуляторов и составляющий 2,9 для батарей с отдельными крышками и наружными перемычками; 1,8 – в случае армирования борнов и перемычек медными вставками; 1,9 для батарей с общими крышками и необслуживаемых батарей.

Допустимая продолжительность разряда батареи силой тока до , А.

,

Момент времени, для которого рассчитывается вольт - амперная характеристика

(17.12)

где Z_П – число попыток пуска;

τ_П – продолжительность попыток пуска, с.

Для построения вольт - амперной разрядной характеристики аккумуляторной батареи рассчитываются значение напряжения батареи при силе тока разряда, равной нулю, и значение силы тока короткого замыкания батареи при напряжении батареи, равном нулю.

Напряжение батареи при силе тока равной нулю (начальное разрядное напряжение батареи) определяется по формуле:

(17.13)

где I_p1 - сила тока разряда, численно равная 2С₂₀, А;

U_p1 – напряжение батареи, рассчитанное по формуле при силе тока разряда I_p1, В;

I_p2 - сила тока разряда, численно равная 6С₂₀, А;

U_p2 – напряжение батареи, рассчитанное по формуле при силе тока разряда I_p2, В.

Сила тока короткого замыкания батареи при напряжении батареи, равном нулю:

Через значения и , отложенные на осях координат, проводится прямая, представляющая аппроксимированную вольт - амперную разрядную характеристику аккумуляторной батареи для расчетных условий -температура электролита, степень разряженности батареи, момент времени (рис 1).

Рис. 17.1. Вольт – амперные характеристики аккумуляторной батареи 6СТ-44А при различных температурах, степенях разряженности и моментах разряда.

1. АКБ

2. Выключатель С3

3. Добавочное сопротивление

4. Контакты, шунтирующие добавочное сопротивление

5. Первичная обмотка К3 W1

6. Вторичная обмотка К3 W2

7. Прерыватель

8. Конденсатор

9. Помехоподавляющий резистор

10. Распределитель

11. Свечи

Примечание:

1) Добавочное сопротивление может отсутствовать.

2) Вместо сопротивлений 9 применяется экранирование.

1-й этап: Контакты выключателя СЗ замкнуты, замкнута первичная цепь, ток протекает по следующей цепи: «+» АКБ – ВЗ - W1 - масса – «-» АКБ.

Во вторичной цепи тока нет, т.к. величина вторичного напряжения недостаточна для пробоя искрового промежутка свечи (напряжение пробоя составляет не менее ). После пуска включается добавочное сопротивление для уменьшения нагрева катушки зажигания.

Согласно 2-му закону Кирхгофа:

,

где – общее сопротивление первичной цепи, включая активное сопротивление первичной обмотки К3, а

- ЭДС самоиндукции, индуктированная в витках первичной обмотки.

При замыкании первичной цепи ток нарастает по экспоненте, стремясь к установившемуся значению .

i Раз. Замкнут Разомкнут

Iр

2 этап:

При размыкании первичной цепи в контуре возникают затухающие колебания, резко уменьшается магнитный поток, в результате чего в витках первичной и вторичной обмоток наводится ЭДС:

В первичной обмотке ЭДС= , во вторичной .

(в классической системе зажигания)

К моменту размыкания первичной цепи ток достигает величины тока разрыва, который будет меньше, чем установившийся ток:

После размыкания первичная обмотка и С1 образуют колебательный контур, имеющий индуктивность L1, ёмкость С1 и сопротивление R1 (внутренним сопротивлением АКБ пренебрегаем). В этом контуре возникает затухающий колебательный разряд и первичный ток совершает несколько периодов колебаний, пока не израсходуется энергия, запасённая в магнитном поле катушки на джоулево тепло в активном сопротивлении контура.

Вторичная обмотка вместе с ёмкостью вторичной цепи С2 (ёмкость проводов при высоком напряжении и витков вторичной обмотки) также образует колебательный контур, связанный с колебательным контуром первичной обмотки. Поэтому при изменении первичного тока i, во вторичной обмотке также будет индуцироваться ЭДС и вторичное напряжение U2 одновременно с индуктированием Es и U1 в первичной цепи. Если увеличить искровой промежуток, чтобы не было пробоя, то вторичное напряжение совершит несколько затухающих колебаний как и U1.

t

U2

Uпр

t

i2

t

Оценить максимальную величину U2м (амплитуду его первой полуволны) можно исходя из баланса энергии в колебательном процессе.

После размыкания начинается колебательный процесс, в котором падает по косинусоиде, а U2 растёт по синусоиде. Через четверть периода, когда =0 вся энергия магнитного поля (за вычетом потерь на джоулево тепло ) перейдёт в энергию электрического поля конденсаторов С1 и С2 и в этот момент U1 и U2 достигает максимума.

Пренебрегая и заменяя

пропорционально и уменьшается с увеличением ёмкости Сэ.

Эта формула приблизительна, так как пренебрегает потерями и коэффициентом магнитной связи между обмотками принят равным единице.

Формула удобна для качественного анализа процесса и обоснования основных характеристик катушки зажигания.

– коэффициент снижения вторичного

напряжения в результате потерь.

3 этап:

Во вторичной цепи появляется ток: «+» генератора – В3 – добавочное сопротивление – первичная обмотка – вторичная обмотка – центральный электрод – боковой электрод – свеча – масса – «-» генератора. Как только U2=Uпр происходит пробой искрового промежутка. Если бы этого не было, то имел бы место затухающий колебательный процесс. В действительности Uпр гораздо ниже U2m. Искровой разряд состоит из двух фаз: емкостной и индуктивной.

Емкостная фаза представляет собой разряд в искровом промежутке свечи, накопленный к моменту пробоя в электрическом поле емкостей С1 и С2, и равной:

Эта энергия меньше полного запаса энергии в отношении , так как

где

= Кз (коэффициент запаса системы зажигания по вторичному напряжению)

Емкостной разряд кратковременен (около 1 микросекунды) благодаря чему ток емкостной фазы велик (несколько десятков Ампер). Емкостная фаза – голубоватая искра. Оставшаяся часть энергии разряжается по заранее подготовленному каналу инициированному емкостной фазой, в виде индуктивной фазы разряда, представляющей собой тлеющий разряд (несколько миллисекунд). U2 снижается приблизительно до 300 В, ток – до десятков миллиампер. Красновато-фиолетовое свечение («хвост» искры). При нормальной работе двигателя смесь воспламеняется емкостной искрой. Индуктивная искра способствует испарению топлива и нагреву начального объёма воспламеняющейся смеси из-за её большой длительности.