Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде.
Несколько аккумуляторов, объединённых в одну электрическую цепь, составляют аккумуля́торную батаре́ю.
[править]Характеристики
Максимально возможный полезный заряд аккумулятора называется зарядной ёмкостью, или просто ёмкостью. Ёмкость аккумулятора — этозаряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ ёмкость аккумуляторов измеряют в кулонах, на практике часто используется внесистемная единица — ампер-час. 1 А⋅ч = 3600 Кл.
Реже на аккумуляторах указывается энергетическая ёмкость — энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ она измеряется в джоулях, на практике иногда используется внесистемная единица — ватт-час. 1 Вт⋅ч = 3600 Дж.
Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита. Сейчас наиболее распространены следующие аккумуляторы:
Тип |
ЭДС(В) |
Область применения |
свинцово-кислотные(Lead Acid) |
2,1 |
троллейбусы, трамваи, воздушные суда, автомобили, мотоциклы, электропогрузчики, штабелеры, электротягачи, аварийное электроснабжение, источники бесперебойного питания |
никель-кадмиевые(NiCd) |
1,2 |
замена стандартного гальванического элемента, строительные электроинструменты, троллейбусы, воздушные суда |
никель-металл-гидридные (NiMH) |
1,2 |
замена стандартного гальванического элемента, электромобили |
литий-ионные (Li‑ion) |
3,7 |
мобильные устройства, строительные электроинструменты, электромобили |
литий-полимерные(Li‑pol) |
3,7 |
мобильные устройства, электромобили |
никель-цинковые(NiZn) |
1,6 |
замена стандартного гальванического элемента |
По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток падают, аккумулятор перестаёт действовать. Зарядить аккумулятор (батарею аккумуляторов) можно от любого источника постоянного тока с бо́льшим напряжением при ограничении тока. Наиболее распространённым считается зарядный ток (в амперах) в 1/10 номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер⋅часах), однако эта величина не имеет никакого научного обоснования. Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эксплуатации, например NiMH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду, литиевые — к переразряду, напряжению и температуре. NiCd- и NiMH-аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении ёмкости, в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд, даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применятьсякапельная подзарядка.
Капельная подзарядка (англ. trickle charging) — подзарядка аккумулятора малым током, для компенсации саморазряда.
в обычном машинном акккумуляторе… В среднем считается, что падение температуры на 1°C от комнатной снижает ёмкость примерно на 1%, таким образом при -30°C ёмкость АКБ будет равна примерно половине от ёмкости при +20°C.
Конта́ктно-аккумуля́торный электрово́з — локомотив с электродвигателями, которые могут питаться как от аккумуляторов, так и отконтактной сети. Аккумуляторы подзаряжаются от контактной сети через преобразователи.
На данный момент в одном из депо Москвы эксплуатируется аккумуляторный локомотив ЛАМ-01, переоборудованный из тепловоза серииЧМЭ3. и ВЛ26М-002 Такому переоборудованию подвергся всего один тепловоз.
В Москве на тепловой электрической централи № 20 (ТЭЦ-20) эксплуатировался контактно-аккумуляторный электровоз Д100М
Контактно-аккумуляторные электровозы используются и в метро для служебных работ в ночное время. Отличие их от обычных метровагонов состоит в том, что они имеют 2 кабины машиниста, а в салоне стоят аккумуляторы с электрооборудованием.
Контактно-аккумуляторные электровозы (серия Л) используются также на линиях секретного метро Д-6, более известного как «Метро-2», в котором на большинстве участков нетконтактного рельса (см. Московское метро). В отличие от других метроэлектровозов, раздвижных дверей по бокам кузовов у них нет, а крыша над машинным отделением отсутствует (есть лишь небольшое арочное перекрытие в середине салона). Максимальная скорость на аккумуляторах — всего 15 км/ч.
Аккумуляторные электровозы — Откатка аккумуляторными электровозами является преобладающей на шахтах угольной промышленности.
11. АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ
11.1. НАЗНАЧЕНИЕ И КОНСТРУКЦИЯ
Общие сведения. Аккумуляторная батарея на электровозах служит источником напряжения 50 В для катушек аппаратов, осветительных и сигнальных ламп при неработающих генераторах управления; Кроме того, аккумуляторная батарея необходима для питания малого мотор-компрессора, обеспечивающего подачу сжа-
того воздуха для подъема токоприемника и наполнения воздушного резервуара главного выключателя (если нет воздуха в главных резервуарах электровоза). На электровозе применяют щелочную аккумуляторную батарею 42НК-125. Буквы и цифры в обозначении типа означают: НК — никель-кадмиевая, 125 — емкость, А-ч, 42 — число элементов в батарее.
Щелочные аккумуляторы обладают большей электрической и механической устойчивостью, чем кислотные.
Щелочные аккумуляторы меньше боятся тряски и толчков и устойчивы к коротким замыканиям. Они также имеют значительно больший срок службы, чем кислотные. К. п. д. щелочных аккумуляторов выше, чем кислотных. Недостатком щелочного аккумулятора является низкое напряжение (1,25 В).
Технические данные:
Номинальная емкость, А-ч . . . . 125
Номинальное напряжение батареи, В 50
Номинальное напряжение элемента, В 1,25
Заряд (нормальный режим):
время, ч.........6
ток, А..........31
Разряд:
время, ч.........8
ток, А..........12,5
Габаритные размеры элемента, мм:
высота..........330
ширина..........128
толщина.........70
Масса элемента без электролита, кг . 5,4
Количество электролита, л . . . .1,2
Конструкция аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея состоит из металлического ящика с открывающейся верхней крышкой; в нем расположено 42 аккумулятора (элемента), из которых 40 соединены последовательно медными никелированными шинами и включены в работу, а два являются резервными.
Ящик батареи имеет три патрубка: для проводов, для отвода щелочи, для отвода газов. Отвод щелочи производится через специальную трубу, соединяющую дно ящика с подку-зовной частью электровоза. Труба для отвода газов соединяет верхнюю часть ящика с крышей электровоза. Ящик батареи внутри покрывают щелочестойкой эмалью.
Элементы установлены в ящике плотно друг к другу и уплотнены деревянными досками или гетинак-совыми листами и фанерой. Дно ящика покрыто досками, имеющими пазы для стекания разлитой щелочи через щелочеотводящий патрубок.
Рис. 11.1. Элемент НК-125 аккумуляторной батареи
Элемент аккумулятора НК-125 (рис. 11.1) состоит из стального бака 7, в котором расположены отрицательный блок 9, состоящий из пяти пластин, и положительный блок 8, состоящий из шести пластин. Каждый блок имеет шпильку, являющуюся выводом.
Активная масса 6 положительных и отрицательных пластин помещена в пакеты 5. Пакеты выполняют в виде плоских стальных никелированных трубок с большим количеством очень малых отверстий, через которые в трубки проникает электролит. Для улучшения контакта между пакетами пластин и активной массой к последней добавляется проводящий материал (например, чешуйчатый графит). Положительные и отрицательные пластины изолированы друг от друга эбонитовыми палочками 4.
Выводные шпильки 2 проходят сквозь крышку бака через изолирующие втулки. Для обеспечения герметичности уплотнение производят кольцом. Блок положительных элементов соединен непосредственно с баком элемента. Изоляцией бака элемента служит резиновый чехол /. Электролит заливают через отверстие, расположенное между выводами. Заливочное отверстие закрыто пробкой 3.
11.2. Введение в эксплуатацию новых аккумуляторов
С поверхности аккумуляторов и ящиков необходимо удалить чистой тряпкой пыль и соль, проверить правильность последовательно соединенных положительных и отрицательных выводов отдельных аккумуляторов и плотно затянуть гайки межэлементных соединений. У положительных выводов выштампован знак «-+-».
Аккумуляторы необходимо залить электролитом, дать простоять 2 ч для пропитки пластин и проверить вольтметром напряжение на каждом из них. В случае отсутствия напряжения на аккумуляторе оставить его еще на 10 ч, после чего вновь проверить вольтметром. Если при этом вольтметр не покажет напряжения, то аккумулятор необходимо заменить. Заливают электролит в аккумуляторы через чистую стеклянную, эбонитовую или фарфоровую воронку. Металлические воронки применять запрещается, так как это может привести к короткому замыканию в аккумуляторе. Нельзя проливать электролит на крышки аккумуляторов и в батарейный ящик, так как это приводит к саморазряду аккумулятора.
После 2-часовой пропитки необходимо проверить уровень электролита над пластинами аккумулятора, который должен быть не менее 5 и не более 19 мм. Строгое соблюдение уровня электролита (ие более 19 мм) требуется для предупреждения выбрызгивания электролита из аккумуляторов во время заряда. Уровень электролита определяют с помощью стеклянной трубки диаметром 5— 6 мм с метками на высоте 5—19 мм. Стеклянную трубку опускают в аккумулятор до пластин, затем, плотно, закрыв пальцем верхний конец трубки, вынимают из аккумулятора, держа над отверстием для заливки. Электролит в трубке будет находиться на высоте от нижнего конца, равной уровню электролита над пластинами. Отняв палец от трубки, выливают электролит обратно в аккумулятор. Чтобы снизить уровень электролита в аккумуляторе, необходимо пользоваться резиновой грушей.
После установления нормального уровня электролита аккумуляторы включают на заряд. Заряд аккумуляторов производится током 25 А в течение 12 ч, разряд — током 12,5 А в течение 8 ч до напряжения не менее 1 В на худший аккумулятор в каждой батарее.
В указанном режиме производится 2—4 цикла (заряд-разряд). Затем аккумуляторную батарею заряжают током 31 А в течение 6 ч. После этого аккумуляторная батарея может быть допущена в эксплуатацию.
Аккумуляторы, хранившиеся с электролитом не больше одного года, вводят в эксплуатацию без смены электролита; при более длительном хранении электролит необходимо сменить.
11.3. Эксплуатация щелочных аккумуляторов
Аккумуляторы должны быть сухими и чистыми, никелированные межэлементные соединения аккумуляторов покрывают вазелином. Резиновые кольца у пробок смазывать вазелином запрещается, так как они в этом случае теряют упругие свойства. Корпуса аккумуляторов, покрытые черным битумным лаком, во избежание порчи покрытия смазывать вазелином запрещается.
При обнаружении ржавчины на аккумуляторе ее следует счистить тряпкой, смоченной в керосине. Применять металлические инструменты, наждачную или стеклянную бумагу для удаления ржавчины запрещается. Очищенное место вновь покрывают битумным покрытием или при его отсутствии щелочестойким лаком.
Для очистки наружных частей аккумуляторов от пыли и ползучих солей следует пользоваться чистой тряпкой, навернутой на деревянную палочку.
При работе с гаечным ключом и другими металлическими инструментами нельзя одновременно прикасаться к отрицательному полюсу и корпусу аккумулятора, с которым соединен положительный полюс, так как это может вызвать короткое замыкание.
Перед каждым зарядом и разрядом необходимо проверять состояние контактов и подтягивать ослабленные гайки.
Необходимо следить за состоянием резиновых колец у вентильных пробок и в случае порчи заменять их новыми.
В процессе эксплуатации необходимо доливать щелочные аккумуляторы дистиллированной или естественной водой. В последнем случае в воду на ее один-два объема прибавляется один объем готового электролита; после отстаивания до полного осветления (3—6 ч) осветлев-шую часть осторожно сливают и применяют для доливки аккумуляторов. При этом необходимо поддерживать требуемые уровень и плотность электролита в аккумуляторе.
При приготовлении и хранении такой воды ее следует предохранять от доступа воздуха. Для этого подщелоченная вода должна находиться, как правило, в бутылях, плотно закрытых пробками.
Если наблюдается резкое падение напряжения батареи, следует проверить, не возникло ли замыкание.
В процессе эксплуатации следует производить проверку уровня электролита перед каждым зарядом, а проверку плотности электролита через каждые 3 цикла. Несоблюдение указанных сроков проверки плотности и уровня электролита ведет к значительному уменьшению емкости аккумулятора.
При смене электролита после промывки водой заливать аккумуляторы следует электролитом более повышенной плотности, например не 1,19 г/см3, а 1,22 г/см3 (26° по Боме). Это необходимо для того, чтобы через 3—6 ч в аккумуляторах установилась равновесная плотность электролита.
Состав электролита. В щелочных аккумуляторах применяют составной электролит — раствор едкого кали марки А (твердый) или В (жидкий) плотностью 1,19—1,21 г/см3 (23— 25° по Боме) с добавкой моногидрата лития 20 г на 1 л (моногидрат лития содержит не менее 50 % едкого лития). На этом электролите можно работать при температуре от —19 до -4-35 °С. Допустимы кратковременные повышения температуры до 45 °С. Составной электролит обеспечивает наиболее длительный срок службы аккумуляторов (примерно 750 циклов).
При температуре ниже —20 °С аккумуляторы должны работать на растворе едкого кали повышенной плотности 1,25—1,27 г/см3 (20—31° по Боме) или составном калиево-ли-тиевом электролите плотностью 1,25—1,27 г/см3. Для этого аккумуляторы, которые до перехода на электролит повышенной плотности работали на едком натре, сначала заливаются (на 2—3 цикла) раствором едкого кали плотностью 1,19 г/см3 (23° по Боме), после чего производится смена электролита раствором едкого кали плотностью 1,25—1,27 г/см3 или составным ка-лиево-литиевым электролитом плотностью 1,25—1,27 г/см3. Составной электролит, вылитый из аккумуляторов перед заливкой электролитом из едкого кали плотностью 1,25— 1,27 г/см3, следует хранить в герметически закрытой посуде. Его можно вновь использовать в случае перевода аккумуляторов на постоянную работу при температуре выше —19 °С.
Если нет едкого кали, можно применять составной электролит — раствор едкого натра (каустическая сода, сорт А) — плотностью 1,17— 1,19 г/см3 (21—23° по Боме) с добавкой 10 г моногидрата лития на 1 л. На этом электролите можно работать в пределам температур от 10 до 45 °С.
При отсутствии моногидрата лития в случае эксплуатации аккумуляторов при температуре от +15 до —15 °С их заливают раствором едкого кали плотностью 1,19— 1,2 г/см3, при температуре от 10 до 30 °С — едким натром плотностью 1,17—1,19 г/см3 (21—23° по Боме). В этом случае (без добавки моногидрата лития в электролит) срок службы аккумуляторов уменьшается до 250—350 циклов.
Состав щелочи — сорт А — смесь едкого кали и едкого лития с соотношением 0,04 и 0,045; сорт Б — смесь едкого кали и едкого лития с соотношением 0,028 и 0,032 — выпускают в готовом виде для приготовления составного электролита. Составные щелочи поставляются в гранулированном состоянии или в жидком концентрированном виде (плотность не менее 1,41 г/см3) в герметически закупоренных железных или стеклянных сосудах.
Приготовление электролита. Для растворения едкого кали или едкого натра пригодна дистиллированная вода, дождевая вода, собранная с чистой поверхности, и вода, полученная при таянии чистого снега. В случае необходимости разрешается применять для приготовления электролита для щелочных аккумуляторов любые естественные воды (грунтовые, речные, озерные), признанные санитарным надзором годными для питья (кроме минеральных). Питьевую воду можно для приготовления электролита применять в сыром виде.
Твердую щелочь и моногидрат лития следует хранить в герметичных сосудах во избежание поглощения углекислоты из воздуха.
Чтобы приготовить электролит из твердых щелочей, берут для получения следующих растворов: едкого натра плотностью 1,17- 1,19 г/см3— 1 весовую часть твердого едкого натра на 5 весовых частей воды; едкого кали плотностью 1,19— 1,21 г/см3— 1 весовую часть твердого едкого калия на 3 весовые части воды; едкого кали плотностью 1,25— 1,27 г/см3— 1 весовую часть едкого кали на 2 весовые части воды.
Количество электролита в литрах, необходимое для заливки аккумуляторов батареи, определяют умножением числа, указывающего количество электролита для заливки одного аккумулятора данного типа, на число аккумуляторов в батарее.
Чтобы определить массу твердого кали или натра в килограммах, необходимого для приготовления требуемого количества электролита, надо разделить количество электролита в литрах:
на 5, если требуется приготовить раствор едкого натра плотностью 1,17—1,19 г/см3;
на 3, если требуется приготовить раствор едкого кали плотностью 1,19—1,21 г/см3;
на 2, если требуется приготовить раствор едкого кали плотностью 1,25—1,27 г/см3.
После растворения едкого кали или едкого натра как в дистиллированной, так и в естественных водах необходимо дать раствору отстояться до полного осветления (обычно от 3 до 6 ч), а затем слить осветлившуюся часть. Отстоявшийся и остывший до температуры не выше 20 °С раствор пригоден для заливки в аккумуляторы.
Растворение щелочи в воде можно производить в чистой металлической, рластмассовой или стеклянной посуде. Запрещается пользование оцинкованной, луженой, алюминиевой, медной, керамиковой и свинцовой посудой, а также посудой, предназначенной для приготовления электролита для свинцовых аккумуляторов. Даже ничтожно малое количество кислоты разрушает щелочные аккумуляторы.
Отвешенное количество щелочи помещают в посуду и заливают необходимым количеством воды. Воду перемешивают стеклянной или железной палочкой для ускорения растворения щелочи. Остывший раствор щелочи доводят до требуемой плотности по ареометру, добавляя воду или твердую щелочь, и перемешивают.
В случае применения жидкой щелочи разбавляют ее водой до требуемой плотности. Приготовленному раствору дают отстояться (от 3 до 6 ч), сливают осветлившуюся часть и заливают аккумуляторы.
В каждый аккумулятор после заливки электролита вливают несколько капель вазелинового масла. Заливать аккумулятор можно только остывшим электролитом температурой не выше -4-30 °С. Приготовленный электролит необходимо хранить в сосудах, плотно закрытых пробками.
Для приготовления составного электролита берется готовый раствор едкого кали плотностью 1,19—1,21 г/см3 (23—25° по Боме) и к нему при тщательном перемешивании железной, стеклянной или эбонитовой палочкой добавляется моногидрат лития из расчета 20 г на 1 л раствора (например, к Юл раствора добавляется 200 г моногидрата).
Составной электролит приготовляют следующим образом:
из щелочей в твердом виде — берется 1 кг калиевой составной щелочи на 3 л воды; для натриевого составного электролита .— 1 кг натриевой составной щелочи на 5 л воды. В случае применения твердой составной щелочи необходимо вскрыть банку и небольшими порциями во избежание сильного разогревания класть содержимое банки в сосуд с водой, перемешивая. Все содержимое банки необходимо растворить одновременно;
из щелочей в жидком концентрированном виде — берется 1 л калиевой составной щелочи плотностью 1,41 г/см3 на 1 л воды;
для натриевого составного электролита — 1 л натриевой щелочи плотностью 1,41 г/см3 на 1,5 л воды.
Плотность калиевого составного электролита при температуре 25 °С должна быть 1,19—1,21 г/см3, натриевого составного — 1,17— 1,19 г/см3.
Отсыпав необходимое количество моногидрата лития, сосуд, где он хранится, следует тут же герметически закрыть, чтобы предотвратить порчу моногидрата лития вследствие поглощения углекислоты из воздуха.
После полного растворения моногидрата и отстаивания раствора электролит употребляют для заливки.
Электролит должен, как правило, находиться в бутылях, плотно закрытых пробками.
Меры предосторожности при приготовлении электролита:
а) для предотвращения разбрасывания осколков щелочи при откалывании зубилом необходимо прикрыть щелочь чистой тряпкой;
б) при добавлении моногидрата лития в раствор едкого кали необходимо пользоваться стальной, пластмассовой или фарфоровой ложкой;
в) во избежание попадания осколков щелочи и раствора на глаза, кожу и одежду необходимо надевать защитные очки, резиновый фартук и резиновые перчатки;
г) участки кожи и одежду, облитые щелочью, следует промыть 3 %-ным раствором борной кислоты или струей воды так, чтобы удалить признаки щелочи.
Смена электролита. Если аккумуляторы работают круглый год в неизменных температурных условиях, т. е. зимой в отапливаемых помещениях, то составной электролит меняют через каждые 100 циклов, но не реже одного раза в год. В случае заметного снижения емкости аккумулятора электролит необходимо сменить ранее указанного срока.
Если аккумуляторы работают при температуре ниже —15°С, следует заменить электролит раствором едкого калия плотностью 1,25—1,27 г/см3 (29—30 °С по Боме).
Перед сменой электролита батарею разряжают нормальным током 8-часового режима до напряжения 1,0 В на аккумулятор.
Старый электролит выливают, энергично встряхивают аккумулятор для удаления грязи из сосуда. Слитые растворы следует собирать (составной электролит из едкого кали и отдельно составной электролит из едкого натра) и отправлять на склады для регенерации.
После удаления старого электролита аккумуляторы промывают подщелоченной отстоенной или дистиллированной водой, энергично встряхивая.
Аккумуляторы, промытые дистиллированной водой, воспрещается оставлять без электролита во избежание коррозии. Промытые аккумуляторы заливают электролитом, через 2 ч проверяют плотность электролита и доводят ее до требуемой, после чего закрывают аккумуляторы пробками.
После смены электролита производят усиленный заряд аккумуляторов.