2.4 Основные показатели аб. Зарядная и разрядная характеристики.
Основными показателями кислотного аккумулятора являются:
- электродвижущая сила (ЭДС) (Е);
- напряжение аккумулятора (U);
- полезная мощность (Р);
- внутреннее сопротивление (rа);
- емкость аккумулятора.
Электродвижущей силой батареи Еб называется электрическая разность потенциалов, образуемая на выводах батареи при разомкнутой внешней цепи. ЭДС батареи складываются из ЭДС последовательно соединенных аккумуляторов, она зависит от соотношения материалов активных масс и химической активности электролита.
Электродвижущая сила (ЭДС) аккумулятора Еа, находящегося в покое, когда плотность электролита в порах пластин в сосуде одинакова, зависит от физических и химических свойств пластин и электролита (от величины электродных потенциалов), но совершенно не зависит от размеров аккумулятора и почти не изменяется в зависимости от концентрации электролита и может быть определена по плотности электролита из следующего эмпирического соотношения:
Еа = ρ + 0,84,
где ρ плотность электролита при 15о С, г/см3.
Для аккумуляторов, в которых плотность электролита изменяется в пределах 1,08÷1,29, ЭДС изменяется соответственно в пределах 1,92÷2,12 В.
ЭДС аккумулятора может быть приблизительно измерена с помощью вольтметра с большим внутренним сопротивлением (не менее 1000 Ом на 1 В). Измерять ЭДС следует после пребывания аккумулятора в течение некоторого времени в покое, с тем, чтобы плотность электролита в порах пластин и сосуде стала одинаковой.
Напряжением аккумулятора называется разность потенциалов между выводами аккумулятора под нагрузкой. За номинальное напряжение свинцового аккумулятора принимается величина, равная 2 В. Напряжение аккумулятора при разряде Uр меньше его ЭДС Еа на величину падения напряжения в нем:
Uр = Е - IрRа,
где Iр разрядный ток;
Rа внутреннее сопротивление аккумулятора.
Величина среднего напряжения разряда принимается равной 2 В.
Величина напряжения при разряде аккумулятора зависит от величины разрядного тока, продолжительности разряда и температуры электролита; она всегда меньше величины ЭДС
При разрядном токе 10-часового разрядного режима, например, конечное разрядное напряжение составляет 1,7 В.
Напряжение в аккумуляторе при его заряде Uз можно выразить следующим соотношением:
Uз = Е + IзRа ,
где Iз зарядный ток.
Величина среднего напряжения заряда равна 2,2 В.
Причиной разности между этими напряжениями является не столько падение напряжения внутри аккумулятора (см. отрезки IpRа и IзRа на рис. 14,15) которое при этом малом внутреннем сопротивлении исчисляется сотыми долями вольта, сколько изменение ЭДС аккумулятора на величину Е (см. отрезки Е на рис. 12,13) вследствие медленной диффузии электролита в поры пластин.
Величина напряжения при заряде зависит главным образом от степени заряженности аккумулятора, температуры электролита и всегда больше величины ЭДС.
Рис. 14. Зависимость ЭДС, напряжения и плотности электролита от времени разряда аккумулятора током постоянной величины (характеристика разряда).
Полезная мощность аккумулятора (Р) равна произведению разрядного тока на его напряжение:
Р = Uр Iр.
На величину мощности, развиваемой аккумулятором во внешней цепи, существенно влияет внутреннее сопротивление аккумулятора, так как от него зависит величина отдаваемого тока, а следовательно, и напряжение на его зажимах.
Как известно, напряжение аккумулятора при возрастании его внутреннего сопротивления будет уменьшаться, поэтому будет уменьшаться и мощность, развиваемая им во внешней цепи.
Рис. 15. Зависимость ЭДС, напряжения и плотности электролита от времени заряда аккумулятора током постоянной величины (характеристика заряда)
Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит в основном от сопротивления пластин и сопротивления электролита.
Сопротивление пластин зависит от количества сернокислого свинца, отложившегося на пластинах, и по мере разряда аккумулятора возрастает.
Сопротивление электролита зависит и от температуры и с ее понижением резко возрастает. Например, при понижении температуры с +20 до 25оС сопротивление электролита увеличивается в два раза.
Поэтому для того чтобы мощность, развиваемая аккумуляторными батареями, была достаточна для питания потребителей, потребляющих большой ток (например, для питания электрического стартера), аккумуляторы батареи должны быть полностью заряжены, а при работе в зимних условиях при низкой температуре, кроме того, и утеплены.
Емкость аккумулятора представляет собой количество электричества, которое отдает полностью заряженный аккумулятор при непрерывном разряде его током постоянной величины до допустимого напряжения, соответствующего данному разрядному току. Емкость подсчитывается как произведение разрядного тока в амперах на время разряда в часах.
Емкость аккумуляторных батарей, обозначаемая на батарее, соответствует строго определенному разрядному режиму по величине разрядного тока, определенной начальной плотности и температуре электролита.
Согласно ГОСТу номинальная емкость батарей определяется при непрерывном разряде батареи током, численно равным 0,1 номинальной емкости (0,1 Qном) – током 10-часового режима разряда, до напряжения 1,7 В на отстающем аккумуляторе, при начальной плотности электролита 1,285 и его средней температуре +30оС.
Для сравнения различных аккумуляторов нужно знать режим разряда, установленный для определения их номинальной емкости, и если их номинальные емкости определены при различных режимах, необходимо привести их к одинаковому режиму разряда.
Емкость аккумулятора зависит от ряда факторов: величины разрядного тока, температуры и плотности электролита, срока службы аккумулятора, а также от состояния его пластин. Емкость аккумулятора в значительной мере определяет его свойства, поэтому рассмотрим зависимость емкости аккумулятора от каждого из перечисленных факторов.
Зависимость емкости от величины разрядного тока. На рис. 16 показаны разрядные характеристики одного и того же стартерного аккумулятора, разряжаемого током различной величины при постоянной во время всех опытов температуре электролита (+30оС). Эти характеристики иллюстрируют зависимость емкости аккумулятора от величины разрядного тока.