2. Основные сведения об устройстве аккумуляторных батарей

Классификация.

На автотракторной технике применяют стартерные свинцовые аккумуляторные батареи. Аккумуляторная батарея обеспечивает питание электростартера при пуске двигателя и других потребителей электроэнергии при неработающем генераторе или его недостаточной мощности. Электростартер является основным потребителем энергии аккумуляторной батареи. Работа в стартерном режиме определяет тип и конструкцию батареи.

По конструктивно-функциональному признаку (ГОСТ 959-91) различают батареи:

- обычной конструкции - в моноблоке с ячеечными крышками и межэлементными перемычками над крышками;

- в моноблоке с общей крышкой и межэлементными перемычками под крышкой;

- необслуживаемые - с общей крышкой, не требующие ухода в эксплуатации (термин «батареи необслуживаемые» - условный, так как обслуживать их в эксплуатации все-таки требуется, хотя и в значительно меньшем объеме).

Условия работы.

Режим работы аккумуляторной батареи на автомобилях и тракторах характеризуется температурой электролита, уровнем вибрации и тряски, периодичностью, объемом и качеством технического обслуживания, параметрами стартерного разряда, силой токов и продолжительностью циклов разряда и заряда, уровнем надежности и исправности электрооборудования, продолжительностью работы и перерывов в эксплуатации.

Аккумуляторные батареи могут эксплуатироваться при температуре окружающего воздуха от –40 до +60 °С (батареи обычной конструкции) и от –50 до +60 °С (батареи с общей крышкой и необслуживаемые). При этом рабочая температура электролита должна быть не выше 50 °С (ГОСТ 959-91).

При повышении температуры электролита быстрее разрушаются электроды, ускоряется сульфатация. Для уменьшения химической активности электролита его плотность в жарких и теплых влажных климатических районах понижают.

При недостаточной плотности электролита и значительной разряженности батареи возможно замерзание электролита. Поэтому батареи, эксплуатируемые при низких температурах, рекомендуется заполнять электролитом большей плотности и содержать в заряженном состоянии. При начальной плотности 1,30 г/см³электролит даже полностью разряженной батареи может замерзнуть при температуре –14 °С. С уменьшением начальной плотности до 1,24 г/см³возникает опасность замораживания батареи уже при температуре –5 °С.

Низкие температуры значительно ухудшают условия заряда аккумуляторных батарей. Уже при температуре –10 °С батарея, разряженная на 50 %, может быть заряжена только на 60 … 65 % номинальной емкости.

В условиях зимней эксплуатации увеличивается число включаемых потребителей электроэнергии и время их работы. Резко возрастает сила тока, потребляемого электростартером. Все это затрудняет обеспечение положительного зарядного баланса батареи на машине. При температурах ниже –10 °С для поддержания батареи в заряженном состоянии необходимо повышать регулируемое напряжение генераторной установки ТТМ. Зарядное напряжение должно соответствовать значению, указанному в техническом описании и инструкции по эксплуатации машины. Максимальное регулируемое напряжение генераторной установки не должно превышать 15,5 и 31,0 В соответственно для 12- и 24-вольтных систем электрооборудования.

Основные требования к аккумуляторным батареям.

К аккумуляторным батареям на автотракторной технике должен быть обеспечен свободный доступ для осмотра и технического обслуживания. Аккумуляторную батарею размещают ближе к стартеру для уменьшения длины стартерного провода и падения напряжения в нем. Массовый провод батареи крепят к двигателю или жесткой раме. Не допускается крепление массового провода к тонкостенной части кабины (меньше 1,2 мм) или крылу машины, а также на окрашенную поверхность без применения шайб-звездочек.

Вибрация в местах установки аккумуляторных батарей не должна характеризоваться ускорением более 1,5g (14,7 м/с²) в диапазоне частот до 60 Гц. Допускается кратковременная вибрационная нагрузка с ускорением 5g при частоте 30 Гц. При вибрации и тряске батарея не должна перемещаться по опорной площадке. Посадочные места должны иметь амортизаторы и амортизационные прокладки.

Минимальный срок службы батарей обычной конструкции и с общей крышкой в эксплуатации должен составлять один год при наработке транспортного средства в пределах этого срока не более 150 тыс. км пробега или 2 года при наработке транспортного средства в пределах этого срока не более 90 тыс. км пробега. Минимальный срок службы необслуживаемых батарей в эксплуатации должен составлять 3 года при наработке транспортного средства в пределах этого срока службы не более 100 тыс. км пробега. Минимальный срок службы или наработка батареи в эксплуатации считается до момента снижения емкости ниже 40 % от номинальной или снижения продолжительности стартерного разряда ниже 1,5 мин при температуре электролита (25±2) °С до конечного разрядного напряжения 9,0 В для 12-вольтных батарей.

Устройство батареи.

Батарея шесть последовательно соединенных аккумуляторов (12-вольтовая).

В стартерных свинцовых батареях положительные и отрицательные электроды имеют решетку с нанесенной на нее активной массой. Для предохранения от коротких замыканий электроды разделены сепараторами.

Положительные и отрицательные электроды соединены бареткой в полублоки. При сборке в блок между электродами устанавливают сепараторы. Блоки электродов опускаются в секцию моноблока и соединяются между собой межэлементными перемычками, которые в зависимости от конструкции батареи могут быть снаружи или внутри крышки. Для того чтобы при изменении уровня электролита не повредить края сепаратора и пластин в батареях, кроме необслуживаемых, сверху пластин размещают пластмассовый предохранительный щиток. В каждую из секций моноблока батареи заливается электролит.

Электроды. В полностью заряженной свинцовой батарее активным веществом положительных электродов является диоксид свинца РЬО₂(темно-коричневого цвета), а отрицательных - губчатый свинецРЬ(серого цвета). Решетки электродов выполняют функции подвода тока к активной массе при ее заряде и токоотвода при ее разряде, а также механического удержания активной массы.

Решетки электродов должны обеспечивать равномерное токораспределение по всей массе активных веществ. Степень неравномерности токораспределения на электродах зависит от отношения высоты к ширине электродов H/L. С приближением этого отношения к единице (квадратный электрод) степень неравномерности токораспределения снижается. В стартерных батареях обычной конструкции применяют электроды шириной 143 мм и высотой без ножек 119 и 133,5 мм.

Толщина решеток электродов зависит от режимов работы и установленного срока службы батареи. Для автотракторных батарей толщина решеток равна 1,5 … 2 мм.

Решетки отрицательных электродов имеют меньшую толщину, так как они менее подвержены коррозии. Масса решетки составляет до 50 % массы электрода.

Решетки электродов отливают из сплава свинца и сурьмы с содержанием сурьмы 4 … 6 % и добавлением мышьяка (0,1 … 0,2 %). Сурьма увеличивает механическую прочность и коррозионную стойкость решетки, повышает ее твердость, улучшает текучесть сплава при изготовлении решеток, снижает их окисление при хранении. Добавка мышьяка повышает коррозионную стойкость решеток, заметно увеличивает предел прочности на разрыв и твердость. Легирование мышьяком свинцово-сурьмянистых сплавов решеток электродов позволяет увеличить срок службы батарей.

Ячейки решеток электродов заполнены пористой активной массой. Основой пасты электродов является свинцовый порошок, замешиваемый в водном растворе серной кислоты. Для увеличения прочности активной массы в пасту положительных электродов добавляют полипропиленовое волокно. Добавление волокна повышает механическую прочность пасты и увеличивает пористость активной массы положительного электрода с 40 до 50 %, в результате чего повышается срок службы, и улучшаются энергетические характеристики батареи на 9 … 15 %. Пористая структура активной массы электродов обеспечивает лучшее проникновение электролита в глубинные слои. Активная поверхность пористой массы в сотни раз превышает геометрическую поверхность электрода.

Губчатый свинец отрицательного электрода имеет меньшее удельное сопротивление (1,83·10^-4Омсм) по сравнению с диоксидом свинца (7410^-4 Омсм) положительного электрода, обладает большей механической прочностью, меньше подвержен короблению и коррозии, поэтому отрицательные электроды имеют меньшую толщину.

Омическое сопротивление решеток стартерных батарей толщиной 2,2 … 2,5 мм находится в пределах 1,8 … 2,4 мОм, толщиной 1,6 … 1,8 мм - в пределах 2,4 … 3,0 мОм. В заряженном состоянии сопротивление отрицательного электрода составляет 62 … 70 % сопротивления решетки, а положительного 92 … 98 %. По мере разряда батареи сопротивление электродов приближается к сопротивлению решеток.

Отрицательные и положительные электроды, как уже указывалось, с помощью бареток соединены в полублоки. Полублоки объединены в блоки электродов. В зависимости от предъявляемых к батарее требований соотношение между числом положительных и отрицательных электродов может быть различным. Однако число разнополярных электродов отличается не более чем на единицу. Обычно отрицательных электродов в блоках на один больше, чем положительных. В токообразующих реакциях участвует относительно большее количество активного вещества положительных электродов. Находясь между двумя отрицательными электродами, положительный электрод при заряде и разряде подвергается меньшим изменениям активной массы и меньше деформируется. При таком соотношении положительные электроды, как правило, на 10 … 20 % толще отрицательных, а толщина крайних отрицательных электродов на 40% меньше толщины положительных. В некоторых батареях число разнополярных электродов одинаково или больше положительных электродов. В этих случаях оба электрода имеют одинаковую толщину.

Электролит.

Электролит готовится из серной кислоты (ГОСТ 667-73) и дистиллированной воды (ГОСТ 6709-72). От химической чистоты электролита зависят характеристики и срок службы батареи. Кислоту подразделяют на два сорта (А и Б) в зависимости от количества примесей (табл. 6.1). Концентрированная серная кислота представляет собой прозрачную жидкость без цвета и запаха плотностью 1,83 г/см³, в которой содержится 94 % чистой серной кислоты. Температура кипения кислоты равна 33 °С.

Таблица 6.1

Содержание примесей в серной кислоте, %

Примеси	Сорт 1(А)	Сорт 2(Б)
Железо	0,00600	0,0120
Марганец	0,00005	0,0001
Медь	0,00050	0,0005
Мышьяк	0,00005	0,0001
Оксиды азота	0,00005	0,0001
Тяжелые металлы (в пересчете на свинец)	0,01000	0,0100
Хлористые соединения	0,00030	0,0005
Остаток после прокаливания	0,03000	0,0400

Температура заливаемого в аккумуляторы электролита должна быть в пределах 15 … 30 °С. В зависимости от климатических районов эксплуатации в батареи заливают электролит различной плотности (табл. 6.2), от которой зависит температура его замерзания (табл. 6.3).

Таблица 6.2

Плотность электролита

Макрокли-матический район	Климатический район (ГОСТ 16350-80), среднемесячная температура воздуха в январе, °С	Время года	Плотность электролита, приведенная к температуре 25 оС, г/см3
			заливаемого	заряженной батареи
Холодный	Очень холодный, от -50 до -30	Зима	1,28	1,30
		Лето	1,24	1,26
	Холодный, от -30 до -15	Круглый год	1,26	1,28
Умеренный	Умеренный, от -15 до-3	Круглый год	1,24	1,26
	Жаркий сухой, от -15 до 4	Круглый год	1,22	1,24
	Теплый влажный, от 0 до 4	Круглый год «	1,20	1,22

Таблица 6.3

Температура замерзания электролита

Плотность электролита, приведенная к температуре 25 °С, г/см3	Температура замерзания, °С	Плотность электролита, приведенная к температуре 25 СС, г/см3	Температура замерзания, °С
1,09	-7	1,24	-50
1,12	-10	1,26	-58
1,14	-14	1,29	-66
1,16	-18	1,30	-68
1,18	-22	1,40	-36
1,20	-28	1,50	-29
1,22	-40	1,70	-14
1,23	-42

Нормы расхода серной кислоты и дистиллированной воды для приготовления электролита необходимой плотности приведены в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Нормы расхода компонентов для приготовления одного литра электролита из концентрированой серной кислоты или электролита плотностью 1,40 г/см³

Требуемая плотность электролита, приведенная к температуре 25 °С, г/см3	Требуемое количество воды и концентрированной кислоты, л		Требуемое количество воды и электролита плотностью 1,40 г/см3, л
	Вода	Кислота плотностью 1,83 г/см3	Вода	Электролит плотностью 1,40 г/см3
1,20	0,85	0,200	-	-
1,21	0,849	0,211	0,475	0,525
1,22	0,839	0,221	-	-
1,23	0,829	0,231	0,425	0,575
1,24	0,819	0,242	0,400	0,600
1,25	0,809	0,252	0,375	0,625
1,26	0,800	0,263	0,350	0,650
1,27	0,790	0,274	0,325	0,675
1,28	0,781	0,285	0,300	0,700
1,29	0,771	0,296	0,275	0,725
1,30	0,761	0,306	0,250	0,750
1,31	0,750	0,316	0,225	0,775
1,40	0,650	0,423	-	1,000

Содержание примесей (мг/л) в дистиллированной воде, необходимой для приготовления электролита, не должно превышать значений, указанных в табл. 6.5.

Приготовление электролита из предварительно подготовленного и охлажденного до комнатной температуры раствора серной кислоты плотностью 1,40 г/см³предпочтительнее, так как в этом случае меньше выделяется теплоты и требуется меньше времени.

Таблица 6.5

Содержание примесей (мг/л) в дистиллированной воде (ГОСТ 6709-72)

Остаток после выпаривания	5,00
Остаток после прокаливания	1,00
Аммиак и аммонийные соли	0,02
Нитраты	0,20
Сульфаты	0,50
Хлориды	0,02
Алюминий	0,05
Железо	0,05
Кальций	0,80
Медь	0,02
Цинк	0,20
Восстанавливающие вещества	0,08

Электролит плотностью 1,40 г/см³применяется для корректировки плотности электролита после заряда, если она оказывается ниже нормы, при переходе с летней на зимнюю эксплуатацию или при перемещении транспортного средства в более холодный климатический район.

Условные обозначения.

Условное обозначение типа батареи (например, батарея 6СТ-50А) содержит указание на число последовательно соединенных аккумуляторов в батарее (3 или 6), характеризующих ее номинальное напряжение U_н(6 или 12 В), указание на назначение по функциональному признаку (СТ - стартерная), номинальную емкостьС₂₀в ампер-часах и исполнение (при необходимости):Аозначает наличие общей крышки;Н– несухозаряженная,3– необслуживаемая, залитая электролитом и полностью заряженная.

В условных обозначениях широко применяемых в настоящее время батарей буквы Э и Т после значения номинальной емкости указывают на материал моноблока (соответственно эбонит и термопласт). Последующие буквы обозначают материал сепаратора (М - мипласт, Р-мипор).

На батарею должна быть нанесена маркировка по ГОСТ 18620-86Е, содержащая: товарный знак предприятия-изготовителя; условное обозначение (тип) батареи; знаки полярности «+» и «–», дату изготовления (месяц, год); обозначение стандарта и технических условий на батарею конкретного типа: номинальную емкость в ампер-часах и номинальное напряжение в вольтах для батарей с общей крышкой и необслуживаемых; силу разрядного тока в амперах, если он больше 3С₂₀при –18 °С, клеймо технического контроля. На батареях обычной конструкции, предназначенных для эксплуатации в странах с тропическим климатом, дополнительно наносят буквуТ.