16. 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:

,

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:

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

,

где – количество аккумуляторов в батареи;

– плотность электролита полностью заряженной батареи, кг/м³;

– степень разряженности батареи, %;

ЭДС поляризации

,

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:

,

где - сопротивление электролита, Ом;

- сопротивление сепараторов, Ом;

- сопротивление пластин, Ом;

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

Сопротивление электролита

,

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

,

где - шаг сборки электродов, м;

и - толщина положительных и отрицательных электродов, м.

Удельное сопротивление электролита

Сопротивление сепараторов

,

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

Сопротивление пластин

,

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

,

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

,

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:

,

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