Лекция 2. Параметры и эксплуатация стартерных батарей

1. Параметры стартерных батарей

К основным параметрам стартерных батарей относятся ЭДС Е_б, напряжение аккумулятора U_а, омическое сопротивление R_о, емкость С, энергозапас W, коэффициенты отдачи по емкости μ и др. Рассмотрим определение этих параметров подробнее.

ЭДС батареи, состоящей из n последовательно соединенных аккумуляторов, определяется произведением

Е_б = n·Е,

где Е – ЭДС одного аккумулятора.

ЭДС Е свинцового аккумулятора зависит только от химических и физических свойств веществ, участвующих в процессах образования тока и не зависит от размеров электродов и количества активных материалов. Она определяется как разность равновесных потенциалов положительного и отрицательного электродов при разомкнутой внешней цепи и всегда положительна, т. е.

Е = φ₊ - φ_– .

Для практических целей Е может быть определена по эмпирической формуле, дающей хорошее приближение:

Е = 0,84 + ρ₂₅, (1.1)

ге ρ₂₅ – плотность электролита при температуре 25º С.

Если измерения плотности электролита проводились при другой температуре, то ее необходимо пересчитать (привести к температуре 25º С) по формуле

ρ₂₅ = ρ_t + 0,00075·(t – 25). (1.2)

На практике пересчетом по (1.2) можно пренебречь, так как при изменении температуры на 100º С ЭДС Е изменится только на 0,04 В.

Напряжение аккумулятора при разряде всегда ниже, а при заряде выше значения ЭДС. Это отличие обусловлено падением напряжения на внутреннем активном сопротивлении аккумулятора R₀, а также электродной поляризацией. Поляризацией называется изменение потенциала электрода под действием тока от исходного равновесного φ (при отсутствии тока) до значения φ¹. Мерой поляризации служит модуль разности потенциалов электрода:

∆φ = | φ¹ – φ|. (1.3)

При разряде аккумулятора разность потенциалов уменьшается, а при заряде увеличивается. С учетом (1.3) напряжения разряда U_р и заряда U_з определяются выражениями:

U_р = Е - ∆φ(+) - ∆φ(-) – R₀·I_р; (1.4)

U_з = Е + ∆φ(+) + ∆φ(-) + R₀·I_з, (1.5)

где I_р, I_з – токи разряда и заряда соответственно.

Поляризация является одним из основных факторов, вызывающих электрические потери в аккумуляторах. Она зависит от плотности тока на электродах и обусловлена:

– изменением концентрации электролита в непосредственной близости от поверхности электродов (концентрационная поляризация),

– образованием на поверхности электродов слоя сульфата свинца, имеющего большое удельное сопротивление и экранирующего активную поверхность пластин (пассивация электродов),

– затратами энергии на образование кристаллов при восстановлении окисных (положительных) электродов,

– затратами энергии на поддержание электродной реакции при прохождении тока (активационная поляризация).

Потери энергии, обусловленные поляризацией, удобно учитывать с помощью сопротивления поляризации при разряде R_пр и при заряде R_пз, причем,

R_пр = [∆φ₍₊₎ + ∆φ_(-)]/I_р, (1.6)

R_пз = [∆φ₍₊₎ + ∆φ_(-)]/Iз. (1.7)

С учетом (1.6) и (1.7) выражения (1.4) и (1.5) принимают вид

U_р = Е – I_р·(R₀ + R_пр); (1.8)

U_з = Е + I_з·(R₀ + R_пз). (1.9)

Поляризация является переходным процессом. Его длительность зависит от величины тока разряда и температуры электролита. Пока батарея не работает, концентрация электролита во всех точках одинакова. При включении тока нагрузки начинается изменение концентрации в непосредственной близости от поверхности электродов. Распределение концентрации становится неравномерным в течение некоторого интервала времени ∆t_п, необходимого для установления стационарного распределения. Интервал ∆t_п называют временем поляризации. С увеличением тока разряда время поляризации и сопротивление поляризации уменьшаются.

Омическое сопротивление аккумулятора R₀ является суммой сопротивлений электролита R_эл, сепаратора R_с, активной массы R_м, решеток и соединительных элементов R_э. Под сопротивлением электролита R_эл понимается сопротивление той его части, которая находится между электродами.

Полным внутренним сопротивлением аккумулятора R_а принято называть сумму омического сопротивления и сопротивления поляризации

R_а = R₀ + R_п.

Сопротивление поляризации уменьшается с увеличением силы тока и возрастает с понижением температуры (рис. 2.1).

Сопротивление электродов и токоведущих деталей мало изменяется с изменением температуры. Определяющим фактором увеличения омического сопротивления аккумулятора является сопротивление электролита и пропитанных электролитом сепараторов (рис. 2.2). При температурах от -40 до -10º С сопротивление электролита в 2÷3 раза больше, чем при температуре 25º С. Удельное сопротивление электролита зависит от его концентрации. Минимальное удельное сопротивление 1,33 Ом·см при температуре 20º С наблюдается у раствора с концентрацией 30,6%.

Распределение сопротивления и соответственно потерь напряжения по элементам внутренней цепи аккумулятора характеризуют графики рис. 2.3, причем, 1 – график потерь напряжения от поляризации, 2 – в электролите, 3 – в сепараторах, 4 – в электродах и 5 – в токоведущих деталях. Графики наглядно показывают, что с понижением температуры доля сопротивления поляризации, электролита и сепараторов возрастает.

Сопротивление заряженных стартерных батарей имеет значение от нескольких тысячных до нескольких сотых долей Ома. В процессе разряда на пластинах образуется плохо проводящий слой сульфата свинца. Плотность электролита снижается от 1,22÷1,30 до 1,06÷1,15 г/см³. Поэтому сопротивление разряженной батареи выше.

К оличество электричества, отдаваемое аккумуляторной батареей в пределах допустимого разряда, называют разрядной емкостью С_р. В терминологии аккумуляторных батарей емкость (как количество электричества) измеряют в Кл, причем, 1 Кл = 1 А·с. Поэтому емкость батарей можно измерять в Кулонах. На практике используют внесистемную единицу – Ампер-час (1 А·ч = 3600 Кл).

По определению,

С_р = Q_р = .

Обычно разрядная емкость определяется при постоянном токе I_р. При этом

С_р = I_р·t_кон,

где t_кон – время разряда батареи от U_нач до U_кон.

Емкость аккумулятора зависит от количества активной массы и электролита, а также от коэффициента их использования. Полное использование заложенных в батареи активных материалов невозможно, так как обеднение электролита в порах и резкое снижение напряжения происходит раньше, чем израсходуются внутренние слои пористых активных веществ электродов и серная кислота в моноблоке. В связи с этим количество активных веществ в стартерных аккумуляторных батареях в 2÷3 раза превышает теоретически необходимое.

Для работы батареи в заданном диапазоне концентраций необходимо избыточное количество электролита. Уменьшение объема электролита при неизменном количестве активных веществ приводит к резкому снижению концентрации в нем серной кислоты при разряде и быстрому уменьшению напряжения до предельного значения U_кон, т. е. к уменьшению емкости.

Емкость аккумуляторной батареи существенно снижается с увеличением силы разрядного тока (рис. 2.4). Снижение емкости связано с резким уменьшением концентрации серной кислоты в порах пластин из-за большого количества сульфата свинца, который оседает на поверхности пластин и изолирует активную массу от контакта с электролитом, т. е. решающее значение играют поляризационные процессы в аккумуляторе.

Емкость аккумуляторной батареи уменьшается с понижением температуры (рис. 2. 5). При низких температурах увеличивается вязкость электролита и замедляется скорость поступления серной кислоты в поры активной массы. Кроме того, понижается разрядное напряжение из-за ухудшения электролитической диссоциации и увеличения сопротивления электролита.

Чтобы учесть влияние на емкость условий разряда и температуры, пользуются понятием номинальной емкости. Номинальной считается емкость 20-часового разряда. Разряд проводят непрерывно током силой I_р = 0,05·С₂₀ А до конечного разрядного напряжения на клеммах U_кон = 10,5 В у 12-вольтовой батареи. Температура электролита при разряде должна находиться в интервале от 18 до 27º С. Емкость вычисляют по формуле:

С_t = 0,05·C₂₀·τ_р,

где C_t – емкость, отданная батареей в пределах допустимого разряда, А·ч, τ_р – продолжительность разряда до конечного разрядного напряжения, ч.

Полученное значение С_t приводят к емкости при температуре 25º С:

,

где С₂₅ – емкость, приведенная к температуре 25º С, t_ср – средняя температура на интервале разряда, 0,01 – температурный коэффициент изменения емкости в интервале температур от 18 до 27º С.

Кроме рассмотренных факторов, на емкость аккумулятора оказывают влияние пористость активной массы и материала сепараторов, толщина электродов, начальная плотность электролита. С увеличением пористости активных масс и материала сепараторов улучшаются процессы диффузии электролита. С уменьшением толщины электродов коэффициент использования активных масс увеличивается.

Величина плотности электролита свинцовых аккумуляторов служит критерием степени их заряженности. При уменьшении заряженности от 100% до нуля плотность линейно уменьшается на 0,16 г/см³. Поэтому при известной начальной плотности ρ_з степень разряженности можно определить по формуле:

∆С_р = ·100%,

где ρ₂₅ – измеренная плотность электролита, приведенная к 25º С.

Совершенство конструкции аккумулятора характеризуют коэффициенты отдачи по емкости μ_С и энергии μ_W:

, .

В идеальном аккумуляторе зарядная емкость равна разрядной. Однако в реальном аккумуляторе при заряде протекают побочные электрохимические процессы, на которые тратится часть потребляемого зарядного тока. Поэтому μ_С реального аккумулятора всегда меньше единицы. Кроме того, из выражений (1.8) и (1.9) очевидно, что U_р < U_з. Поэтому отдача по энергии меньше отдачи по емкости и даже для идеального аккумулятора μ_W < 1.