Лабораторная работа №1 испытание автомобильной стартерной аккумуляторной батареи

Цель работы: практическое применение знаний о принципе действия, конструкции, параметрах аккумуляторной батареи, способах ее контроля и эксплуатации.

Оборудование: диагностический стенд КАД-400-02, АКБ, мультитестер, ареометр, спецодежда, раствор кальцинированной соды.

1.1 Теоретическая часть

Тип и конструкция аккумуляторной батареи определяются условиями ее разряда. При пуске двигателя стартерные токи достигают нескольких сотен ампер. Такой ток может дать только батарея специальной конструкции. Батареи, предназначенные для пуска двигателя стартером, называются стартерными аккумуляторными батареями.

Стартерный аккумулятор представляет собой химический источник тока. В нем происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую. Причем, в отличие от гальванических батарей, он является вторичным химическим источником тока, т.е. допускающим многоразовое использование. После разряда производится повторный заряд путем пропускания через аккумулятор тока внешней зарядной цепи.

При этом из продуктов реакции разряженного аккумулятора регенерируются исходные активные материалы.

К стартерным аккумуляторным батареям предъявляются следующие требования: максимальное рабочее напряжение; минимальное внутреннее сопротивление; малое изменение напряжения в процессе разряда; быстрый заряд; максимальное количество энергии, приходящееся на единицу массы; малые габариты и масса; большая механическая прочность и малая стоимость. Наиболее полно перечисленным требованиям отвечают свинцово-кислотные аккумуляторы, принцип действия которых заключается в следующем. Свинцово-кислотный аккумулятор строится на основе определенной электрохимической системы. В нее входит окислитель, восстановитель и электролит. Восстановитель в процессе рабочей реакции (называемой токообразующей) отдает ионы и окисляется (отрицательный электрод), а окислитель восстанавливается (положительный электрод).

В свинцово-кислотных аккумуляторах восстановителем служит губчатый свинец (Pb), а окислителем – двуокись свинца (PbO₂). Электролит ‑ водный раствор серной кислоты (H₂SO₄) с плотностью от 1,2 до 1,4 г/см³.

Различают три этапа работы аккумулятора: 1) первая после изготовления заливка электролитом; 2) разряд; 3) заряд. При первой заливке электролита в аккумулятор со свинцового электрода начнут отщепляться в раствор положительные ионы свинца, при этом сам электрод будет заряжаться отрицательно, а электролит – положительно (рис.1.1). Примерно через 20 минут после окончания заливки этот процесс прекратится за счет противодействующих электрохимических реакций. Одновременно электролит омывает и положительный электрод (окислитель) аккумулятора. При этом некоторое количество двуокиси свинца переходит в раствор, где при соединении с водой ионизируется на четырехвалентные ионы Pb⁺⁴ и одновалентные ионы ОН^-. Четырехвалентные ионы свинца Pb⁺⁴ осаждаются на окислителе (положительном электроде PbO₂) заряжая его положительно относительно раствора электролита.

Поэтому в этой схеме можно выделить два источника ЭДС: источник Е₁ – отрицательный электрод – электролит; источник Е₂ – электролит ‑ положительный электрод. Источники Е₁ и Е₂ соединены последовательно.

Рисунок - 1.1. Принцип действия свинцово-кислотного аккумулятора

Их сумма достигает номинального напряжения аккумулятора – 2,154 В. Поэтому батарея, состоящая из таких аккумуляторов называется сухозаряженной, т.е. через 20 минут после заливки электролита она может использоваться для стартерного пуска. Если после заливки произвести заряд батареи, то суммарное напряжение Е₁ + Е₂ каждого аккумулятора повысится до 2,4 В. Если заряд продолжать более 2 часов, то зарядный ток начнет использоваться на электролиз воды, плотность электролита быстро возрастает, электроды аккумуляторов разрушатся и батарея выйдет из строя. Этот процесс имеет место и при чрезмерно длительной зарядке батареи, бывшей в эксплуатации.

Факт электролиза воды можно определить визуально по бурному выделению пузырьков газа из электролита (аккумулятор «кипит»). Поэтому при выполнении лабораторной работы необходимо следить за интенсивностью выделения пузырьков газа через заливные горловины аккумуляторов, соблюдая при этом необходимые меры безопасности.

Второй этап работы аккумулятора – разряд. Для этого замыкается ключ К2 (рис.1.1) и к электродам подключается сопротивление разряда(нагрузки) R_разр.. Химические процессы идут в обратном направлении. Расходуется серная кислота, образуется вода, а на обоих электродах оседают кристаллы сульфата свинца PbSO₄:

Разряд

(+) PbJ₂ + 3H⁺ + H₂SO₄ + 2e PbSO₄ + 2H₂O

заряд

Плотность электролита уменьшается за счет образования воды. Поэтому измерение плотности электролита (концентрации H₂SO₄) служит удобным и точным средством определения степени заряженности аккумулятора.

При зарядке аккумулятора к электродам подключается внешний источник ЭДС Е_зар в согласной полярности (замыкается ключ К1) и химические процессы, определяемые уравнением записанным выше, идут в обратном направлении.

Устройство стартерных аккумуляторных батарей удобно изучать по наглядным пособиям, в достаточном количестве имеющимся на кафедре.

Батареи маркируются цифровыми и буквенными символами, нанесенными на корпус, например: 6СТ55ТРАЗ. Эта надпись означает: 6 ‑ число аккумуляторов в батарее; СТ – стартерная; 55 – номинальная емкость С₂₀ батареи в ампер-часах; Т – материал моноблока, термопласт; Р – материал сепаратора, мипор; З – батарея залита электролитом и заряжена на заводе-изготовителе; А – батарея с общей крышкой.

Однако нанесение символов, определяющих материал моноблока и сепаратора, не является обязательным.

На корпусе батареи должна быть нанесена дополнительная маркировка, содержащая: товарный знак предприятия-изготовителя; знаки полярности выводов; дату изготовления; номинальное напряжение; максимальный разрядный ток стартерного пуска при температуре минус 18°С. Такой ток должна отводить стартеру батарея при окружающей температуре минус 18°С в течение 30 с. Последнюю маркировку наносят на батарею в случае, если этот ток больше 3 С₂₀.