Емкость аккумулятора

При разряде и заряде аккумулятор отдает во внешнюю цепь или получает от зарядного устройства определенное количество электричества.

Количество электричества, отдаваемое аккумуляторной батареей в пределах допустимого разряда, называют разрядной емкостью.

Разрядная емкость зависит от количества заложенных в аккумуляторе активных материалов и степени их использования. Количество активных материалов в стартерных аккумуляторных батареях даже при номинальных разрядных токах в 2-3 раза превышает теоретически необходимое. 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 электролита в моноблоке.

Коэффициент использования активных материалов свинцового аккумулятора зависит от условий разряда. Его снижение происходит при увеличении плотности разрядного тока и понижении температуры. При длительных режимах разряда свинцовых аккумуляторов в течение 20-50 ч использование активных материалов составляет 50‑60 %, тогда как при коротких стартерных разрядах – всего 5‑10 %. С увеличением электропроводности электролита, пористости активных веществ, с уменьшением толщины электродов и плотности тока использование активных материалов выше.

При равных значениях начальной и конечной пористости лучше используется активное вещество положительных электродов. При высоких плотностях активного вещества имеют место неравномерное распределение поляризации по толщине электродов и замедление процесса поступления серной кислоты в зоны реакции. Вследствие закупорки пор сульфатом свинца, разрядный процесс протекает в основном на наружной поверхности электродов, где плотность тока может быть более чем в 10 раз выше ее значения в толще активного вещества (рис. 5).

Рис. 5. Изменение разрядной емкости батареи 6СТ-82 с изменением силы разрядного тока и температуры электролита при степени разряжения %

Неполное (на 60-65 %) использование активных веществ при малых плотностях разрядного тока связано с изоляцией отдельных участков пористого вещества электродов сульфатом свинца и, как следствие, отсутствием единого электронопроводящего каркаса электрода.

В аккумуляторах, предназначенных для работы в стартерных режимах разряда, использование активных материалов и отдача по емкости могут быть повышены за счет снижения толщины электродов.

Емкость аккумулятора определяется суммарной емкостью электродов. При стартерных разрядах емкость, как правило, уменьшается из-за пассивации отрицательного электрода. Особенно это характерно для низких температур, При длительных режимах разряда влияние обоих типов разнополярных электродов на отдачу батареи по емкости соизмеримо. При длительных режимах разряда положительный электрод может лимитировать отдачу по емкости, если запас электролита недостаточен. Причиной ограничения емкости положительным электродом при коротких режимах разряда может быть замедление диффузии электролита в поры активного вещества.

Использование активных материалов зависит от конструкции электродов, материала сепараторов, плотности и температуры электролита, силы тока и режима разряда (прерывистый, непрерывный, ступенчатый).

Разрядная емкость уменьшается с увеличением разрядного тока, так как большее количество и более плотная масса сульфата свинца откладывается на поверхности электродов, изолируя активное вещество от контакта с электролитом. Использование активных веществ при большой силе тока составляет 5‑10 %.

Разрядная емкость уменьшается также с понижением температуры. При низких температурах увеличивается вязкость электролита и замедляется скорость поступления серной кислоты в поры активных веществ. Напряжение разряда падает быстрее, и большая часть активного вещества остается неиспользованной. Напряжение аккумуляторной батареи с понижением температуры падает также вследствие замедления электролитической диссоциации и уменьшения ионной проводимости электролита. При малой силе тока и температурах выше 0 ⁰С снижение емкости приводит к уменьшению разрядной емкости на 0,6‑0,7 %. При низких температурах (ниже 0 ⁰С) в стартерных режимах разряда снижение емкости достигает 2 %. Свинцовые аккумуляторные батареи работоспособны при стартерных разрядах до температуры -(30-35) ⁰С.

Степень снижения емкости с уменьшением температуры меньше при использовании электролита с большей концентрацией серной кислоты.

Разрядная емкость может быть увеличена за счет пористой структуры электродов. При разряде пористость уменьшается, так как удельный объем сульфата свинца больше удельных объемов губчатого свинца (в 2,68 раза) и диоксида свинца (в 1,86 раза). Уменьшение сечения пор при разряде затрудняет проникновение серной кислоты в поры электродов и ограничивает использование активных материалов, особенно при разряде большими токами. Активную поверхность электродов увеличивают, устанавливая большее число электродов меньшей толщины.

Так как разрядная емкость зависит от условий разряда, номинальной для стартерных свинцовых аккумуляторных батарей емкостью, гарантируемой заводом-изготовителем, считается емкость 20-часового режима разряда. Разряд батарей при испытании на емкость 20-часового режима разряда проводят непрерывно током силой Iр=0,05С₂₀ А до конечного разрядного напряжения на клеммах 5,25 В у 6-вольтовой и 10,5 В у 12-вольтовой батареи. Температура электролита при разряде должна находиться в интервале от 18 до 27°С.

Перед проверкой на емкость 20-часового режима батарею полностью заряжают. Заряд проводят током силой I_З=0,1С₂₀ А до напряжения не менее 2,4 В на каждом аккумуляторе, после чего ток уменьшают на 50 % от первоначального и доводят до состояния полного заряда. Заряд проводят до достижения обильного газовыделения и постоянства напряжения и плотности электролита в течение 2 ч, после чего при непрекращающемся заряде корректируют плотность электролита в аккумуляторах до (1,28±0,01) г/см³ при 25 ⁰С и уровень электролита в соответствии с технической документацией по эксплуатации. Заряд при температуре, превышающей 45 ⁰С, не допускается.

Необслуживаемые батареи заряжают при температуре окружающей среды (25±5) ⁰С при постоянном напряжении (14,4±0,1) В не менее 24 и не более 30 ч, причем сила тока не должна превышать I_З=0,05С₂₀ А.

Емкость батарей, определяемая при 20-часовом режиме разряда не позже четвертого цикла, должна быть не менее 95 %, а необслуживаемых – 100 % от номинального значения.

Важным для эксплуатации показателем является «резервная емкость». По этому показателю можно оценивать способность аккумуляторной батареи обеспечить необходимый минимум электрической нагрузки на автомобиле в случае выхода из строя генератора.

Минимум электрической нагрузки складывается из токов, потребляемых системами зажигания и освещения, стеклоочистителем и контрольно-измерительными приборами в режиме движения «зима, ночь», и составляет величину порядка 25 А.

Резервная емкость определяется временем разряда в минутах полностью заряженной батареи при температуре (27±5) ⁰С током силой (25±0,25) А до конечного напряжения на аккумуляторе, равного 1,75 В. Нормативный показатель «резервная емкость» обеспечивает большее соответствие режима испытания батареи условиям эксплуатации ее на автомобиле.

Характеристики стартерного разряда аккумуляторной батареи удобно оценивать по силе тока холодной прокрутки. Он представляет собой максимальный разрядный ток, который батарея может обеспечить при температурах -18 ⁰С и -23 ⁰С в течение 30 с, сохраняя напряжение не менее 1,2 В на каждом аккумуляторе (7,2 В для 12-вольтовой батареи). Показатель «ток холодной прокрутки» позволяет упростить подбор аккумуляторной батареи для автомобилей на стадии их проектирования: определив силу тока, потребляемую электростартером при пуске двигателя, можно подобрать батарею из условия, чтобы эта сила тока не превышала силу тока холодной прокрутки.