2. Характеристики заряда и разряда

АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Все характеристики батареи можно разделить на разрядные, зарядные и зарядно-разрядные. Разрядные характеристики снимают в двух режимах – осветительном (ток разряда до 0,5 С₂₀) и стартерном (ток разряда от 1,5 С₂₀ до 7 С₂₀). Их делят на временные, вольт- амперные, емкостные, мощностные и энергетические. Из этого перечня рассмотрим временные разрядные характеристики. Временные характеристики удобно анализировать совместно с эквивалентными схемами замещения аккумулятора (рис. 2.6) на различных этапах процесса разряда.

Схема рис. 2.6, а содержит последовательно соединенные источник ЭДС Е, омическое сопротивление R₀, сопротивление поляризации R_п и нагрузки R_н. Для учета инерционности процесса поляризации параллельно R_п включена емкость поляризации С_п. Емкость моделирует переходные процессы при включении и выключении R_н. При включении батареи на разряд конденсатор заряжается, и в установившемся режиме напряжение на его обкладках равно ЭДС поляризации U_Сп = Е_п = R_п·I_р. Поэтому справедливо равенство

U_р = Е – I_р·(R₀ + R_п) = Е – Е_п – R₀·I_р.

Первый этап процесса разряда аккумулятора (рис 2.7) начинается при включении нагрузки R_н (точка 1) и завершается в точке 3, после окончания переходного процесса поляризации. Его длительность составляет несколько десятков секунд. Точка 1 соответствует равновесной ЭДС Е аккумулятора, а участок 1 – 2 кривой U_р(t) – падению напряжения на омическом сопротивлении R₀. На участке 2 – 3 происходит нарастание ЭДС поляризации Е_п, определяющееся в основном концентрационным сдвигом потенциалов электродов.

На эквивалентной схеме рис. 2.6, а это соответствует заряду конденсатора С_п, который завершается в точке 3. По мере заряда конденсатора ток, протекающий через него, уменьшается, а ток через R_п увеличивается по экспоненциальному закону. Изменение тока приводит к увеличению падения напряжения на R_п и уменьшению U_р.

Рассмотренный переходной процесс приводит к некоторому уменьшению разрядного тока на интервале 2 – 3. После точки 3 постоянство разрядного тока обеспечивается регулировкой сопротивления нагрузки.

В точке 3 переходной процесс завершается, начинается второй этап разряда, длительность которого ограничена точками 3 – 4. Этот этап характеризуется постоянством ЭДС поляризации Е_п = I_р·R_п и линейным уменьшением напряжения U_р. Уменьшение U_р обусловлено линейным уменьшением равновесной ЭДС Е из-за линейного же уменьшения плотности электролита ρ в ходе токообразующей реакции. Продолжительность второго этапа наибольшая и составляет при токе I_р = 0,05·С₂₀ (осветительный режим) 80 ÷ 90% общего времени разряда.

Второму этапу разряда соответствует эквивалентная схема рис. 2.6, б. В этой схеме нет конденсатора С_п, так как переходные процессы закончились еще в точке 3. Внутреннее сопротивление аккумулятора имеет чисто активный характер и равно R_а = R₀ + R_п.

Процесс разряда переходит в третий этап (точки 4 – 5), когда существенной становится пассивация активной массы пластин. Пассивация приводит к увеличению R_п и Е_п, падению плотности электролита и, как следствие, увеличению R₀. Химические реакции третьего этапа сопровождаются уменьшением серной кислоты и накоплением сульфата свинца и после точки 5 становятся необратимыми. Батарея выходит из строя. Поэтому при снятии временной характеристики разряд необходимо прекращать при определенном напряжении U_рк . Обычно U_рк ≈ 0,75U_рн , где U_рн – начальное разрядное напряжение после завершения переходного процесса в точке 3.

Четвертый этап на рис. 2.7 представлен интервалом, расположенным между точками 5 – 7. Он начинается после отключения нагрузки (точка 5). Эквивалентная схема аккумулятора принимает вид, представленный на рис. 2.6, в. При отключении нагрузки разрядный ток прекращается, поэтому напряжение U_р резко возрастает на величину падения напряжения на омическом сопротивлении I_р·R₀. Начинается переходной процесс, физико-химический смысл которого заключается в выравнивании плотности электролита по толщине электродов. На эквивалентной схеме это соответствует разряду конденсатора С_п через сопротивление R_п. В течение времени переходного процесса распределение плотности электролита ρ становится равномерным и напряжение аккумулятора повышается до значения Е.

Зарядные временные характеристики аналогичны рассмотренным разрядным.

2. СПОСОБЫ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Заряд аккумуляторных батарей можно проводить от любого источника постоянного тока при условии, что его напряжение больше, чем напряжение заряжаемой батареи. При подключении батареи на заряд положительный полюс источника тока должен быть соединен с положительным полюсом батареи, а отрицательный – с отрицательным. Для любого момента заряда величина тока определяется выражением

где U_ист – напряжение источника тока, U_б – напряжение батареи в данный момент заряда, R – общее сопротивление зарядной цепи.

Из выражения видно, что при равенстве напряжений зарядного устройства и батареи зарядный ток равен нулю. Если напряжение батареи меньше напряжения зарядного устройства, зарядный ток больше нуля. В противном случае ток меняет направление, и батарея разряжается. В большинстве случаев зарядные устройства снабжены системами регулирования одного из параметров – тока или напряжения. В зависимости от того, какой электрический параметр регулируется, различают два основных способа заряда: при постоянном токе и при постоянном напряжении.

Заряд при постоянном токе отличается относительной простотой регулирующих устройств. По силе тока и времени заряда можно легко определить полученное батареей количество электричества. Недостатком метода является большая продолжительность и обильное выделение газа в конце заряда («кипение» электролита). Выделение газа и связанное с ним снижение электролита, увеличение потерь энергии и температуры батареи уменьшаются при заряде ступенчатым током: сначала заряд проводят номинальным током I_з = 0,1·С₂₀ до заданного конечного напряжения (14,4 В для 12-вольтовой батареи), затем ток снижают в 2 ÷ 3 раза и продолжают заряд опять до достижения заданного напряжения. Общее число последовательно включенных аккумуляторов не должно превышать n = U_з / 2.7, где U_з – напряжение на зажимах зарядного устройства.

Заряд при постоянном напряжении не требует регулирующих устройств. Зарядное напряжение на каждый аккумулятор должно составлять 2,4 ÷ 2,5 В, а для 12-вольтовой батареи – 14,4÷15,0 В. Для полностью разряженной батареи величина зарядного тока в начальный момент может составлять (1 ÷ 1,5) С₂₀. В процессе заряда напряжение батареи постепенно возрастает и сила тока уменьшается. К концу заряда ток уменьшается почти до нуля, а батарея заряжается до 90 ÷ 95% от номинальной емкости. Средняя величина тока при правильно выбранном значении напряжения приблизительно равна 0,1 С₂₀ А. Недостатком этого метода является перегрев аккумулятора из-за большого начального тока.

На автомобилях заряд происходит при постоянном напряжении. Если это напряжение превышает номинальное U_р ≈ 14,4 В, а батарея разряжена, то в начале заряда может возникнуть ток, превышающий номинальный ток генератора. Для предохранения генератора от перегрузки могут устанавливаться специальные ограничители тока, или ограничение происходит за счет свойств самого генератора (самоограничение).

При необходимости быстро восстановить сильно разряженную аккумуляторную батарею применяют форсированный заряд. Такой заряд производится большими токами (до 70% от номинальной емкости), но в течение короткого времени. Так при токе 0,7·С₂₀ А продолжительность заряда не должна превышать 30 мин, при токе 0,5·С₂₀ А – 45 мин, а при токе 0.3·С₂₀ А – 90 мин. В процессе форсированного заряда необходимо контролировать температуру электролита и прекращать заряд при достижении t = 45ºС. Форсированный заряд заметно сокращает срок службы аккумулятора, поэтому его применяют в исключительных случаях.

На автомобиле заряд происходит от напряжения генератора. Если это напряжение превышает номинальное U_н ≈ 14,4 В, то возникает ток перезаряда, существенно превышающий номинальное значение зарядного тока. В результате возникает обильное выделение газа («кипение»), которое приводит к интенсивному разрушению активной массы электродов и быстрому выходу батареи из строя.