Устройство аккумуляторной батареи и принцип ее действия

Устройство аккумуляторной батареи и принцип ее действия

 

Аккумуляторная батарея на автомобиле служит для питания электрическим током стартера при запуске двигателя, а также для всех других приборов электрооборудования, когда генератор не работает или не может еще отдавать энергию в цепь.

Если мощность , потребляемая включенными потребителями , превышает мощность , развиваемую генератором, аккумуляторная батарея, разряжаясь , обеспечивает питание потребителей одновременно с работающим генератором.

Свинцово- кислотная аккумуляторная батарея является вторичным химическим источником постоянного тока. Прежде чем она будет отдавать электрическую  энергию, ее необходимо зарядить –  сообщить ей определенное количество электрической энергии. На автомобилях  применяют стартерные аккумуляторные батареи, конструкция которых позволяет  разряжать их токами, в 3-5 раз превышающими их номинальную емкость.

Стартерные аккумуляторные батареи , выпускаемые нашей промышленностью, классифицируют по номинальному напряжению (6 и 12 В); по конструкции- в моноблоке с крышками и перемычками над крышками и в моноблоке с общей крышкой и перемычками под крышкой; батареи необслуживаемые – залитые электролитом и полностью заряженные или сухозаряженные.

Согласно ГОСТ 959.0- 84, все свинцовые  стартерные аккумуляторные батареи  имеют условное наименование. Например, на автомобиле ЗИЛ-130 установлена батарея 6СТ-90. Первая цифра обозначает количество последовательно соединенных аккумуляторов  в батареи. Напряжение каждого аккумулятора 2 В, поэтому номинальное напряжение батареи 12 В. Буквы СТ определяют назначение батареи – стартерная.

Число после букв указывает на емкость  батареи в ампер-часах в 20-часовом  режиме разряда. Буквы после цифр, обозначающих емкость , обозначают исполнение батареи : А- с общей крышкой , Н- несухозаряженная , З- необслуживаемая, залитая электролитом и полностью заряженная. После условного обозначения батареи указывают обозначение стандарта или технических условий на батарею конкретного типа. На батарее там же могут быть указаны номинальная емкость в ампер- часах (А.ч) в 20-часовом режиме и разрядный ток батареи (А) при температуре – 18 С.

Аккумуляторная батарея имеет  полипропеленовый полупрозрачный корпус 1 (рис.)

 

Разделенный перегородками на шесть  отсеков , представляющих собой отдельные аккумуляторы. Сверху аккумуляторы закрыты общей полипропеленовой крышкой 2, приваренной к корпусу ультразвуковой сваркой. В крышке имеются отверстия для заливки электролита в каждый аккумулятор и для прохода двух полюсных выводов батареи : плюсового и минусового.

Каждый аккумулятор состоит  из двух полублоков чередующихся пластин: положительных 9 и отрицательных 10. Пластины одинаковой полярности приварены к межэлементным соединениям 4, которые служат для крепления пластин и выводов тока и соединяют аккумуляторы батареи между собой . Решетки пластин отлиты из сплава свинца с добавлением кальция и сурьмы, что замедляет процесс разложения электролита и саморазряд аккумуляторов.

Для увеличения емкости в решетку  пластин впрессовывают активную массу , приготовленную на водном растворе серной кислоты из окислов свинца – свинцового сурика (Р О ) и свинцового глета ( Р О)- для положительных пластин и свинцового порошка- для отрицательных пластин . Одноименные пластины соединяются в полублоки , заканчивающиеся выводными полюсными штырями. Полублоки с положительными и отрицательными пластинами собирают в блок таким образом, что положительные пластины располагаются между отрицательными, поэтому последних на одну больше. Это позволяет лучше использовать двустороннюю активную массу крайних положительных пластин и предохраняет из от коробнения и разрушения.

Положительные пластины аккумулятора помещаются в сепараторы , изготовленные в виде конвертов из тонкого пластикового микропористого материала. Это исключает их короткое замыкание отрицательными пластинами , а малая толщина и большая пористость облегчают прохождение через них электролита , снижают внутреннее сопротивление и обеспечивают получение разрядного тока большой силы. Кроме того это исключает короткое замыкание пластин выпадающей активной массой, позволяет устанавливать блоки пластин непосредственно на днище бака без ребер и значительно увеличить объем электролита над пластинами и тем самым увеличить срок доливки дистилированной воды при эксплуатации автомобиля. Для облегчения проверки уровня электролита в каждом аккумуляторе у заливных отверстий снизу имеются трубчатые индикаторы (тубусы) 7. Нижний срез индикатора находится на требуемой высоте от уровня пластин. При нормальном уровне поверхность электролита образует четко видимый через наливное отверстие меникс ( элипс). Кроме того , на полупрозрачном пластмассовом корпусе аккумуляторной батареи могут быть метки « MIN» и «MАХ» между которыми должен находиться уровень электролита .

Полублоки положительных 9 и отрицательных 10 пластин отдельных аккумуляторов соединены между собой межэлементными соединениями , проходящими через пластмассовые перегородки , и соединяются соответственно с положительными 3 и отрицательными 5 выводами батареи.

Выводы большинства отечественных  и импортных аккумуляторных батарей  имеют конусную форму, обеспечивающую сохранение надежного контакта с  клеммами проводов при износе их в  процессе эксплуатации и имеют стандартные  размеры. Причем положительный вывод  батареи по диаметру больше отрицательного, что исключает возможность нарушения  полярности при установке батареи  на автомобиль.

На верхней поверхности батареи  расположены отверстия для заливки  электролита в каждый аккумулятор  батареи, закрываемые пробками 6. Пробки имеют вентиляционные отверстия  для вывода газов , образующихся в процессе работы батареи . У новых незалитых батарей вентиляционные отверстия закрыты специальными герметизирующими приливами, которые при заливке в батарею электролита удаляются (срезаются) . Электролит, заливаемый в аккумуляторную батарею , представляет собой раствор химически чистой аккумуляторной кислоты с дистилированной водой . Для предотвращения замерзания электролита при эксплуатации аккумуляторной батареи в зимних условиях плотность регламентируется в зависимости от климатических условий эксплуатации (см табл)

 

Плотность электролита  при эксплуатации в различных  климатических районах

 

Климатические районы (средне- месячная температура воздуха в январе)	Время года	Плотность электролита , приведенная  к 25 С г/см3
		Заливаемого в батарею	После полного раряда
Очень холодный (-50-30 С)	Зима лето	1,28 1,24	1,30 1,26
Холодный (-20 –15 С)	Круглый год	1,26	1,28
Умеренный (-15 –8 С)	То же	1,26	1,28
Жаркий сухой (-15 +4 С)		1,22	1,24
Теплый влажный ( 0 =4 С)		1,21	1,23

 

Технические характеристики и свойства аккумуляторной батареи

Важнейшей технической характеристикой  аккумуляторной батареи является ее емкость , которая характеризует способность батареи отдавать электроэнергию.

Номинальная емкость (С ) аккумуляторной батареи – это количество электричества в ампер-часах ( А.ч), которое способно отдать полностью заряженная батарея при непрерывном 20-часовом разряде с постоянной силой тока в амперах (А), численно равной 0,05 С при температуре 25 С до напряжения на выводах батареи U = 10,5 В.

Емкость аккумуляторной батареи определяется как ее конструктивными параметрами (пористостью материала электродов , их толщиной и качества пористостью материала сепараторов и т.д.), так и эксплуатационными факторами : плотностью заливаемого в батарею электролита, его температурой , степенью заряженности батареи и режимом ее разряда.

 

При повышении плотности электролита  емкость батареи повышается до определенных пределов. Однако при чрезмерном увеличении плотности ускоряются корразионные процессы на электродах , их разрушение, и соответственно , снижается срок службы батареи. При чрезмерной малой плотности электролита снижается емкость батареи , а при низкой температуре окружающего воздуха зимой электролит может замерзнуть , и батарея выйдет из строя. Поэтому оптимальная плотность электролита устанавливается исходя из условий эксплуатации . При заряде батареи плотность электролита падает, поэтому по плотности электролита определяют состояние батареи и степень ее разряженности.

Температура электролита определяется температурой окружающего воздуха и она несколько возрастает при заряде и разряде батареи. С понижением температуры емкость батареи уменьшается , в связи с повышением электрического сопротивления электролита и замедлением химических реакций . При уменьшении температуры электролита на 1 С емкость батареи снижается примерно на 1%. Таким образом , если номинальная емкость аккумуляторной батареи равна , например, 60 А.ч. при 25 С, то при снижении температуры окружающего воздуха и, соответственно, электролита до минус 25 С она станет на 50% или вдвое меньше и составит всего 30 А.ч.

Степень заряженности аккумуляторной батареи влияет на плотность электролита . При заряде батареи плотность электролита повышается и увеличивается емкость батареи, достигая максимальных значений при полном ее заряде .

Режим разряда батареи характеризуется  силой разрядного тока и его прерывностью. Чем больше разрядный ток , тем меньше емкость аккумуляторной батареи. Например , если емкость батареи 6СТ-55 А при разряде ее током 2,75 А при температуре электролита 25 с составляет С= 55А.ч.( номинальная емкость), то при разряде током 250 А (4,6 С ) емкость снижается более чем в два раза и составляет 22 А .ч.( примерно 40% от С ). Емкость, отдаваемая аккумуляторной батареи при прерывистых разрядах , значительно превышает емкость при непрерывном разряде , что особенно важно учитывать при стартерном режиме разряда , когда величина разрядного тока очень высока (примерно 2-5 С ).

К важнейшим техническим характеристикам  аккумуляторной батареи относится  также электродвижущая сила (ЭДС) батареи и ее напряжение.

 

ЭДС батареи- это разность потенциалов на ее полюсных выводах без нагрузки ( при разомкнутой внешней цепи). Данная характеристика взаимосвязана со степенью заряженности батареи и по ее величине так же , как и по плотности электролита , можно оценивать состояние батареи и необходимость ее заряда.

Напряжение  батареи - это разность потенциалов на ее полюсных выводах в процессе заряда или разряда ( при наличии тока во внешней цепи) . Данная характеристика используется при оценке пусковых качеств батареи . Для оценки пусковых качеств аккумуляторной батареи применяют следующие основные характеристики стартерного разряда , измеряемое при температуре электролита 18 С: сила разрядного тока в А , напряжение в начале разряда в В ( измеряется на батареях с пластмассовым корпусом на 30-й секунде стартерного разряда), время разряда в минутах ( измеряется при разряде тока, численно равном 3 С до снижения напряжения батареи до 6 В).

Саморазряд  аккумуляторной батареи- является чрезвычайно важным ее свойством , которое необходимо учитывать для правильной эксплуатации батареи и продления срока ее службы . Саморазрядом называют самопроизвольное снижение емкости аккумуляторной батареи при отключенных от нее потребителях, т. е. при бездействии. Обычно саморазряд батареи не превышает 1% в сутки , такой саморазряд называют естественным. При более высоком ( более 1% в сутки) значении саморазряда, он считается ускоренным и это свидетельствует о неисправности батареи. На скорость саморазряда батареи оказывает влияние плотность и температура электролита , отсутствие примесей в электролите и доливаемой в него воде, загрязненность аккумуляторной батареи снаружи , а также срок ее эксплуатации. Скорость саморазряда батареи при повышении плотности электролита и ее температуры увеличивается , причем особенно интенсивно с увеличением срока ее службы. При отрицательных температурах саморазряд аккумуляторных батарей резко уменьшается поэтому хранить их лучше при низких ( до –30 С) температурах в заряженном состоянии.

 

Работа аккумуляторных батарей

При прохождении тока через пластины и электролит (заряд) в аккумуляторе происходит процесс преобразования электрической энергии в химическую , что выражается в образовании налета активной массы на поверхности пластин. На положительной пластине образуется перекись свинца коричневого цвета , а на отрицательной – губчатый свинец серого цвета. При этом плотность электролита значительно увеличивается – аккумулятор зарядился . напряжение заряженного аккумулятора составляет 2 В.

При включении в цепь аккумулятора какого- либо потребителя ( лампы) происходит обратный процесс превращения химической энергии в электрическую, и аккумулятор постепенно разряжается. При этом активная масса на той и другой пластинах превращается в серно- кислый свинец (см. рис.), а плотность электролита уменьшается .После полного разряда аккумулятор снова заряжается и работоспособность его восстанавливается.

Плотность зависит от температуры  электролита , уменьшаясь, примерно, на 0,1 г/см3 при повышении температуры на 15 С. при расчетах плотность обычно приводят к температуре +15 С. Для предотвращения замерзания электролита при эксплуатации аккумуляторов в зимних условиях плотность регламентируется в зависимости от климатических условий в соответствии с данными таблицы

 

Климатические районы	Время года	Плотность электролита . приведенная  к 15 С г/см3
		Заливаемого в аккумулятор	После зарядки
Районы с резкоконтинентальным климатом , с температурой зимой ниже 40 С	Зима лето	1.29 1.25	1,31 1.27
Северные районы с температурой зимой до минус 40 С	Круглый год	1,27	1,29
Центральные районы с температурой зимой до минус 30 С	То же	1, 25	1,27
Южные районы	То же	1,23	1,25

 

Свинцово- кислотная  стартерная аккумуляторная батарея- она состоит из следующих основных частей:

Отрицательных электродов 4 , собранных  в полублок 7, положительных электродов 3 , собранных в полублок 5, сепараторов 2, бареток 6, связывающих в полублок параллельно включенные электроды одного знака (плюс или минус), выводных штырей –борнов 9, аккумуляторного бака 10 с общей крышкой 11 и заливными пробками 12.

Отрицательные и положительные  электроды 8 состоят из решетки 1, отлитой  из свинцово- сурьмянистого сплава с содержанием сурьмы от 4 до 5%. Сурьма увеличивает решетки против коррозии, повышает ее твердость и улучшает текучесть сплава при отливе решеток.