Соснин - Автотроника

Глава 1

правлениям: по пути совершенствования оптики и

•

Еще одна из задач совершенствования наружно-

конструкций наружных осветительных и светосиг-

го освещения — повышение эффективности светоот-

нальных приборов, а также по пути развития элект-

дачи передних фар дальнего, ближнего и противоту-

росетей коммутации в цепях больших токов для све-

манного света. Здесь сходятся воедино два противо-

тотехнического и сигнального оборудования.

речивых требования: с одной стороны, надо бы иметь

• На современном автомобиле наружные

освети-

больше света впереди автомобиля в ночное время, но

тельные приборы оборудованы либо стеклоочистите-

с другой — мощный свет ослепляет водителей на

лем, либо стеклоомывателем, либо и тем и другим

встречном транспорте. Так в свое время появились

вместе. Пока это в основном относится к передним

национальные стандарты на освещение дороги авто-

фарам. Именно поэтому передняя фара автомобиля

мобильными фарами. Были разработаны и созданы

уже давно многофункциональна.

В ней сразу

все

—

самые разнообразные конструкции фарных отражате-

и дальний, и ближний, и противотуманный свет, и га-

лей (рефлекторов) и корректоров положения фар.

баритные огни, и указатели поворотов (рис. 1.9, а).

Наиболее сложным (с точки зрения формирования

• Задние фонари большинства современных ав-

в фаре), всегда являлся ближний свет. В универсаль-

томобилей также многофункциональны. Здесь в еди-

ных фарах он требует смещения нити электролампы на

ном монолитном блоке за общим защитным стеклом

строго определенное расстояние от фокуса оптики, а

размещаются электролампы габаритных огней, стоп-

также установки специального экрана под нитью. Наст-

сигналов, стояночных огней, указателей поворотов,

ройка такой фары при совмещении в ней дальнего све-

сигналов заднего хода, освещения номерного знака,

та — обязательная эксплуатационная процедура.

противотуманных задних огней, катофоты, огни ава-

Последние достижения в области усовершенство-

рийной и противоугонной сигнализации (рис. 1.9, б).

вания передних фар подрообно описаны в главе 12.

Единый монолитный блок заднего фонаря позво-

• Звуковые сигналы современного автомобиля те-

ляет в перспективе применить и на нем стеклоомы-

перь чаще всего выполняют две функции: предупреж-

ватель или стеклоочиститель. Это особенно важно

дающего сигнала во время движения (разрешен в

для обеспечения должной безопасности движения

экстремальных ситуациях) и сигнала тревоги во

вре-

автомобилей на загрязненных автодорогах.

На ряде

мя несанкционированного проникновения в автомо-

автомобилей внедорожного класса специального на-

биль. Эти два сигнала управляются от двух независи-

значения это уже делается.

мых друг от друга устройств коммутации и запитыва-

Разработана также оптоэлектронная система для

ются от различных источников электроэнергии.

определения степени загрязнения стекол наружных ос-

Современные противоугонные системы сигнализа-

ветительных приборов. Эта система позволяет автома-

ции помимо звуковых сигналов подают сигналы тре-

тически включать стеклоочиститель и стеклоомыватель

воги проблеском габаритных огней и устанавливают-

передних и задних фонарей

при

их загрязнении

[4].

ся непосредственно на автомобильном заводе. В си-

стему защиты автомобиля от угона теперь включает-

ся и так называемый кодированный ключ зажигания.

1.6. Система контрольно-измерительных

приборов и вспомогательного

электрооборудования

Эта система включает в себя щитковые контроль-

но-измерительные приборы и коммутационные

орга-

ны

управления, которые расположены на водитель-

Рис. 1.9.

ском пульте, а также все те устройства, которые яв-

ляются вспомогательными в бортовой системе элект-

Наружные осветительные приборы в

моноблочном исполнении:

фары,

2

рооборудования. Сюда относятся релейные и предо-

а — многофункциональная

фара:

1 — корпус

хранительные— монтажные блоки, соединительные эле-

лампа указателя поворота, 3 — внутренний рассеивательктропровода, а также большое количество самых

указателя поворота, 4 — лампа габаритного света, 5 —

разнообразных приводов от электрических двигате-

блок двухнитевой лампы дальнего и ближнего света, 6 —

отражатель, 7 — корректор, 8 — защитное стекло монобло-лей, начиная от стеклоочистителей и вентиляторов и

ка; б — моноблок заднего фонаря: 1 — рассеиватель стоп-кончая электроприводами для стеклоподъемников и

сигнала, 2 — лампа стоп-сигнала,

3 — фонарь

заднего хо-для наружных зеркал заднего вида. Сюда же относят-

да, 4 — катофот, 5 — задний габаритный свет,

6 —

лампа

и те устройства комфортного электрооборудова-

ся

в блоке указателя поворотов, 7 — корпус моноблока задне-

ния, которыми широко оснащаются современные ав-

го фонаря; 7 — печатная плата электрических

соединений.

томобили (радиотелефон, кондиционер, обогрев сиде-

Системы автомобильного электрооборудования

ний,теле-радио-иаудиоаппаратура,телескопическая

которые подключаются к электросети автомобиля на

радиоантенна, обогрев заднего стекла кузова, салон-

некоторое время (стартер, система освещения и сиг-

ная вентиляция,

прикуриватели и тому

подобное).

нализации, стеклоочиститель);

на группу

комфортного

• Современный щиток приборов (рис. 1.10) и пульт

электрооборудования

(прикуриватели,

вентиляторы,

управления водителя значительно отличаются от своих

кондиционер в салоне, электропривода стеклоподъем-

предшественников, которые устанавливались на ста-

ников, теле-, радио- и аудиоаппаратура и т.п.).

рых моделях автомобилей. Многие приборы теперь ста-

Ясно, что по степени важности для движения ав-

ли электронными с выходной цифровой индикацией.

томобиля эти три группы электропотребителей имеют

Это и спидометры, и часы, и указатели уровня топлива

разное значение. Но если на работающем автомоби-

в бензобаке, и

цифровые указатели

автомобильного

ле включить все три группы потребителей одновре-

бортового компьютера путевого контроля. Все они тре-

менно, то на некоторых современных автомобилях

буют для своего функционирования электронных схем

это может привести к отбору от бортовой сети до

управления, специально разработанных для этих целей.

1,5 кВт мощности (и

это не

считая стартера). Пере-

каливания большой мощности (в фарах), а также зна-

дениями в системе

электроснабжения.

Чтобы не до-

чительное увеличение числа других мощных потреби-

пустить нежелательных перегрузок в системе элект-

телей электроэнергии на борту автомобиля привели к

роснабжения на современных автомобилях применя-

неизбежности применения в цепях коммутации элек-

ют распределение электроэнергии по группам потре-

тромагнитных реле с "сухими" контактами. Реле с "су-

бителей. При этом в каждой группе также не допус-

хими" контактами — это обычное электромагнитное

кается одновременное включение нескольких мощ-

реле, которое в разомкнутом состоянии исключает

ных приборов.

гальваническую связь между коммутируемыми цепя-

Так, например, на время включения стартера все

ми. Это особенно важно в большеточных электричес-

остальные потребители, кроме систем впрыска топ-

ких цепях. Число релейных устройств на современном

лива и зажигания, а также габаритных огней в ноч-

автомобиле доходит теперь до 30 единиц. Отсюда

ное время, от аккумуляторной батареи отключаются.

возникла необходимость установки в систему автомо-

Это отключение обеспечивает современный замок

бильных проводов не только блоков с предохраните-

зажигания.

лями, но и специальных монтажных блоков для реле и

Другой пример: в салонном кондиционере теперь

для их соединительных разъемов. Число предохрани-

очень часто устанавливают специальный автоматиче-

телей также возросло до 20-30 единиц.

ский переключатель, который на время работы конди-

• В последнее время все электрооборудование на

ционера делает невозможным подключение к элект-

борту автомобиля условно разбивают на три группы: на

росети таких потребителей, как электроподогрев сте-

группу потребителей, постоянно включенную в борто-

кол, электрообогреватели сидений, электродвигатели

вую электросеть при работающем двигателе (устройст-

стеклоподъемников

и

салонных

вентиляторов.

ва, обеспечивающие работоспособность основных уз-

Этим же целям отвечает и центральный переклю-

лов и агрегатов автомобиля); на группу потребителей,

чатель света современных автомобилей, который не

допускает одновременного включения дальнего и

ближнего света.

Все это говорит о том, что электроэнергии на бор-

ту современного автомобиля уже в ближайшее время

может

оказаться недостаточно.

Отсюда

встает зада-

ча значительного уменьшения потребляемой электро-

энергии отдельными бортовыми электропотребителя-

ми. А это становится возможным только с применени-

ем современных прогрессивных технологий и новых

конструктивных материалов при изготовлении совре-

менного автомобильного электрооборудования. При-

мером такого подхода может служить установка в фа-

рах высокоэкономичных газоразрядных ламп с высо-

кой светоотдачей вместо галогенных (потребляемая

Рис. 1.10.

мощность последних значительно выше).

Комбинация приборов современного автомобиля:

-

• Задача улучшения

энергетических параметров

в комбинации сочетаются традиционные стрелочные прибо

бортовых устройств при сохранении их функций явля-

рыицифровойдисплейнажидкихкристаллахилиэлектрон-

ется одним из главных направлений в совершенство-

ныхсветовыхиндикаторах.Добавленазвуковаяпредупре-

вании

электрических

и

электронных

компонентов

дительная сигнализация для водителя.

бортового оборудования.

2.1. Общие сведения

• По конструктивному исполнению (рис. 2.1) стар-

терные АКБ подразделяют на: обслуживаемые, мало-

Автомобильная аккумуляторная батарея (АКБ)* —

обслуживаемые, необслуживаемые и монолитные.

это обратимый (многократно заряжаемый) химичес-

Внешние отличительные признаки указанных че-

кий источник электрического тока, состоящий из ше-

тырех типов батарей следующие:

сти отдельных кислотно-свинцовых аккумуляторов,

1. Обслуживаемая АКБ (рис. 2.1, а) имеет корпус-

электрически соединенных последовательно и конст-

ной моноблок из черного эбонита, разделенный на

руктивно скомпонованных в единый моноблок.

несколько отдельных аккумуляторных банок. В каж-

Стартерные

Рис. 2.1.

аккумуляторные батареи:

2 —

а — обслуживаемая АКБ; б — малообслуживаемая АКБ; в — необслуживаемая АКБ; г — монолитная АКБ; 1 — моноблок;

крышка; 3 — устройство вентиляции; 4 — клемма АКБ; 5 — индикатор заряженности; 6 — внутреннее соединение аккумуля-

торов (АК); 7 — соединительный мостик; 8 — положительный электрод; 9 — сепаратор; 10 — отрицательный электрод; 11 —

заливное отверстие; 12 — блок электродов АК; 13 — опора на дно; 14 — перемычка для наружного соединения АК; 15 — за-

ливочная

масса;

16— опорная призма; 18 — пробка;

19 — прокладка под заливку; 20 — активная масса электрода; 21

свинцовая

решетка

электрода; 22 — сепаратор; 23 —

измеритель уровня электролита, помещенный в пробку.

* Автомобильная аккумуляторная батарея в повседневной речи чаще называется автомобильным аккумулятором. В на-

учно-технической

литературе

пол термином -аккумулятор- принято понимать олин отдельно взятый аккумуляторный эл

мент, входящий

в состав

батареи.

дую банку помещается один аккумуляторный элемент

доливке и в контроле за уровнем электролита и как

(аккумулятор) борнами (токовыми выводами) вверх.

следствие — более длительный срок службы.

Каждый аккумулятор накрывается защитной пласт-

4. Монолитная АКБ (рис. 2.1, г) — это новый тип

массовой пластиной с двумя отверстиями под борны

автомобильной аккумуляторной батареи, созданный с

и с одним центральным резьбовым отверстием под

применением ленточных электродов, которые после

пробку для заливки электролита. Поверх пластины ак-

сборки аккумуляторных элементов и пропитки электро-

кумулятор заливается разогретой до текучего состоя-

литом сворачиваются в трубки. Основные внешние от-

ния термопластичной массой, например битумной ма-

личия — аккумуляторы имеют цилиндрическую форму

стикой. Выступающие вверх токовые выводы (борны)

и внешние соединения с обеих сторон аккумуляторных

соединяются наружными свинцовыми перемычками,

цилиндров. Главные преимущества: малогабаритность,

которые припаиваются к борнам. Соединения выпол-

значительное увеличение тока холодной прокрутки,

няются так, чтобы все аккумуляторы оказались соеди-

долговечность. Недостаток — высокая стоимость.

ненными последовательно. На краевые борны напаи-

• Основное назначение

АКБ на борту автомоби-

ваются полюсные выводы (свинцовые выходные

ля — это работа на электростартер при пуске двигате-

клеммы) батареи, которые имеют конусную форму и

ля внутреннего сгорания (ДВС). Именно поэтому ее ча-

разные диаметры у вершины и основания.

сто называют стартерной аккумуляторной батареей.

Конструкция обслуживаемой АКБ позволяет про-

В исправной автомобильной стартерной батарее

водить проверку технического состояния каждого ак-

отдельные аккумуляторы

совершенно

идентичны.

кумулятора в отдельности (по плотности электролита

Это позволяет рассматривать устройство и работу

и разрядному току на контрольную вилку) и в случае

батареи на примере одного аккумулятора.

его выхода из строя — заменять на новый аккумуля-

Каждый аккумулятор в АКБ представляет собой

торный элемент.

активную электрохимическую систему:

К основным недостаткам обслуживаемой АКБ отно-

сятся: большие габариты и вес (в основном из-за при-

(2.1)

менения тяжелого и массивного эбонитового корпуса);

повышенное омическое сопротивление батареи (в том

включающую в себя пластины из губчатого свинца

числе из-за наличия протяженных наружных соедине-

РЬ и пластины из двуокиси свинца РЬ02, которые

ний); вероятность саморазряда по грязевым мостикам

разделены друг от друга сепараторами, помещены в

на наружных соединениях; наличие возможности про-

кислотостойкую аккумуляторную банку и залиты сер-

течек и испарения электролита через пробки.

нокислотным электролитом H2S04 + Н20.

2. Малообслуживаемая АКБ (рис. 2.1, 6) собира-

В общем случае электролит — это жидкое, желе-

ется в полупрозрачном пластмассовом корпусном мо-

образное или даже твердое химическое соединение,

ноблоке (из полипропиленовой или полиэтиленовой

обладающее ярко выраженной ионной электропро-

термопластмассы) с применением внутренних соеди-

водностью. В таких веществах имеет место электро-

нений между отдельными аккумуляторами под общей

литическая диссоциация, т.е. полный или частичный

герметичной крышкой. Это уменьшает габариты и

распад растворенного вещества на ионы вследствие

вес АКБ, а также исключает случайный саморазряд

его взаимодействия с растворителем.

по внешним грязевым мостикам.

В автомобильных аккумуляторах электролитом явля-

Каждый аккумулятор имеет отдельную заливную

ется 30%-ный водный раствор серной кислоты H2S04 в

пробку, что позволяет контролировать его состояние

дистиллированной воде Н20 с массовой концентраци-

по плотности и уровню электролита. Внутреннее со-

ей в 28...40% и с плотностью 1,21...1,31 г/см3. Рабо-

противление меньше, чем у обслуживаемых АКБ.

чая температура для такого сернокислотного электро-

Главный недостаток малообслуживаемой АКБ — не-

лита лежит в интервале -30...+50°С.

возможность измерить напряжение на каждом аккуму-

Конструктивно каждый аккумулятор содержит не-

ляторном элементе в отдельности и исключительная

сколько положительных и несколько отрицательных

трудоемкость при его замене на новый аккумулятор.

пластин, которые по знаку полярности собраны в по-

3. Необслуживаемая АКБ (рис. 2.1, в) принципи-

лублоки. Таким образом, каждый полублок представ-

ально отличается от малообслуживаемой отсутствием

ляет собой аккумуляторный электрод, набранный из

пробок для заливки электролита и наличием на корпу-

параллельно соединенных пластин. При сборке акку-

се индикатора заряженности. Имеется также венти-

мулятора полублоки вдвигаются друг в друга и тем са-

ляционный клапан. Батарея заправляется электроли-

мым образуют аккумуляторный моноблок. Внутри мо-

том на заводе-изготовителе. Внутренние соединения

ноблока все пластины разделены сепараторами.

выполняются через стенки аккумуляторных банок. Не-

Классическая конструкция аккумуляторного моно-

обслуживаемая АКБ считается неремонтопригодной.

блока показана в правой части рис. 2.1, а. Аналогич-

Основное преимущество — повышение эксплуатаци-

ную конструкцию пластинчатых электродов имеют

онной надежности из-за исключения потребности в

все современные батареи (рис. 2.1, б, в),

кроме мо-

тонкие свинцовые ленты, между которыми проложе-

кислотой, что приводит к образованию микрокана-

ны пропитанные электролитом ленточные сепарато-

лов для проникновения электролита в глубину актив-

ры, и все это свернуто в трубку (рис. 2.1, г).

ных масс. При этом в губчатом свинце образуются

микроканалы с проходным сечением в 20...25 мкм2,

а в массе двуокиси свинца, наполненной волокнис-

2.2. Устройство аккумулятора

тым

расширителем, каналы

достигают

сечений

в

Как положительные, так и отрицательные пласти-

250 мкм2.

Микроканалы увеличивают

рабочую

по-

верхность электродных пластин в 50-80 раз по срав-

ны аккумулятора содержат внутри жесткий каркас,

нению с их геометрическими размерами.

выполненный в виде тонкой сетчатой решетки из ле-

Технология изготовления

ленточных

электродов

гированного сурьмой, мышьяком, кадмием, оловом

для трубчатых аккумуляторов аналогична производст-

или кальцием свинцового сплава, что делает решет-

ву оксидных конденсаторов. Однако состав свинцо-

ку жесткой. Свинцовые решетки выполняют также

вых сплавов для электродных лент и состав веществ

роль

внутренних

электросоединителей. Оптимальная

для активных реагентов разработчиком и фирмами-

толщина свинцовых решеток в современных аккуму-

изготовителями не публикуются.

ляторах не превышает 1,2 мм для отрицательных и

•

Сепаратор, расположенный между электродны-

1,5

мм

для

положительных электродных

пластин. ми пластинами, — это легко проницаемая для элект-

Масса решеток составляет около половины от пол-

ролита и легко им смачиваемая сетчатая или крупно-

ной массы электродов.

пористая пластина из кислотостойкого изоляционно-

•

В

ячейки

решеток

вмазываются пастообразго материала. В качестве сепараторов используются,

ные

активные

массы.

например,

полихлорвиниловые пористые

пластины

Активная масса отрицательных пластин — губча-

(мипласт), сетчатые пластины из тонкого листового

то-пористый свинец РЬ с

диаметром пор не более

эбонита (мипор). Для монолитных аккумуляторов в

5 мкм, а положительных пластин — мелкопористая

качестве сепараторов применяют натуральный шелк-

двуокись свинца РЬ02 с ячейками 10...15 мкм.

сырец на стекловолоконной подоснове или стекло-

Активные массы для электродных пластин формивойлок. Такие сепараторы обладают высокой гигро-

руются из свинцовых порошков сурика РЬ304

и глета

скопичностью и легко сворачиваются в трубки.

РЬО, которые растираются в слабом водном раство-

ре (5...8%) серной кислоты до пастообразного состо-

яния. Приготовленные таким образом пасты вмазы-

2.3. Электрохимические процессы

ваются в ячейки свинцовых решеток. Решетки су-

в аккумуляторе

шатся и формуются постоянным электрическим то-

ком, в результате чего на пластинах с суриком обра-

Электрохимическуюсистему

женная двуокись свинца РЬ02, а на пластинах с гле-

можно представить в виде двух электродных пластин

том— серо-бурая, отрицательно заряженная свинцо-

и

, опущенных в банку с сернокислотным

вая губчатая поверхность. Адгезия (сцепление) ак-

электролитом

(рис. 2.2).

тивных масс с решетками достаточно высокая и при

• Из химии хорошо известно, что если свинцовую

заливке аккумулятора электролитом еще несколько

пластину опустить в раствор серной кислоты, то на ее

мимо расширения, волокна армируют двуокись свин-

Аналогичная реакция растворения будет иметь

ца. На отрицательных пластинах пористость создается

место и на поверхности пластины, которая покрыта

вспениванием микрочастиц порошкового глета РЬО

двуокисью свинца:

при его электротермическом преобразовании в губча-

тый свинец в присутствии микрозернистого, например

(2.3)

гуматного, расширителя и сернокислого бария BaS04.

Сразу после изготовления электродных пластин

Здесь отходные продукты — все тот же сульфат

пористые ячейки в активных массах непроницаемы,

свинца, вода и свободный кислород. Стрелки вверх

так как между пустотами остаются тонкие пленочные

( ) указывают на наличие газовыделения.

Автомобильные аккумуляторные батареи

Однако химические уравнения (2.2) и (2.3) не со-

держат информации о промежуточных электрохи-

Молекулы Н20, только что вышедшие из химичес-

мических процессах, которые приводят к появле-

кой реакции, обладающие свойствами агрессивного

нию электрических потенциалов на электродных

растворителя, интенсивно взаимодействуют с дву-

пластинах

аккумулятора.

окисью свинца, в результате чего образуются четы-

Восполним этот пробел следующими замечаниями.

рехвалентные ионы

свинца и одновалентные ио-

Появление электрической

разности

потенциалов

ны ОН" гидроксилов:

.

в любом химическом источнике тока связано с про-

желые ионы свинца не покидают пластину РЬ02 и за-

теканием в нем окислительно-восстановительной ре-

ряжают ее положительно, а ионы ОН", оставаясь в

акции, при которой активное вещество отрицатель-

растворе, заряжают граничную зону электролита от-

ного электрода отдает электроны, т.е. окисляется, а

рицательно.

активное вещество положительного электрода при-

Общее уравнение, описывающее электрохимиче-

нимает электроны и тем самым восстанавливается.

ские процессы и равновесие электрических зарядов

Вещество, отдающее электроны, называется восста-

на положительной пластине, имеет следующий вид:

новителем электрохимической системы, а вещество,

принимающее электроны — окислителем. При этом и

(2.4)

окислитель, и восстановитель предварительно рас-

творяются

электролитом.

На положительной пластине (на окислителе) погде

— реагенты на пластине РЬ02;

следовательность процесса растворения и появле-

— реагенты электролитного раствора.

ния электрического потенциала связана с восстанов-

Из уравнения (2.4) видно, что в процессе электро-

лением ионов свинца РЬ4н" из двуокиси РЬ02

свинца.

литического растворения пластина РЬ02 получает по-

Сначаласернаякислота, взаимодействуясдистилли-

ложительный заряд, а раствор электролита относи-

рованной водой, диссоциирует, т.е. распадается на

тельно пластины РЬ02 - отрицательный.

положительные ионы Н* водорода и на отрицатель-

Возникающая таким образом разность потенциа-

ные ионы

серной

кислоты:

(H2S04) Н20

лов, достигая определенных значений, прекращает

. При этом электролитическая диссо-

растворение активной массы РЬ02, так как при этом

циация кислоты приводит к появлению свободных но-

наступает нейтрализация сил электролитического рас-

сителей зарядов в электролите:

творения силами электростатического поля. Энергия

химических реакций растворения двуокиси свинца

Ионизированный раствор серной кислоты HS04"

переходит в энергию электрического потенциала

является активным растворителем металлов и их

Уравнение

(2.4)

наглядно

проиллюстрировано

окислов.

Поэтому на пластине [+РЬ02]

частично рис. 2.3, который представляет собой топограмму гра-

растворяется двуокись свинца с

образованием ничной зоны у положительной пластины +РЬ02 и отоб-

сульфата свинца и двух молекул химически актив-

ражает следующее:

нойводы:

-

Электролит

смачивает

повер

ность положительного электрода (блок а).

- Происходит диссоциация кислоты, и ионизиро-

ванная серная кислота

растворяет активную

массу 2РЬ02. Свободный кислород О пузырьками вы-

деляется в электролит (блок б).

- При растворении активной массы образуются

молекулы воды Н20 и сульфат свинца PbS04. Суль-

фат оседает на поверхность пластины РЬ02 (блок в).

- Молекулы воды, только что вышедшие из реак-

ции, активно растворяют двуокись свинца РЬ02 на

поверхности положительной пластины (блок г).

- При растворении из двуокиси РЬ02 свинца вос-

станавливается чистый свинец в виде четырехва-

лентных ионов

, которые остаются на поверхно-

сти пластины РЬ02 и заряжают ее положительно; ио-

ны

гидроксильных групп образуют условную по-

верхность граничной зоны и тем самым заряжают

электролит отрицательно (блок д).

- Возникшая

разность потенциалов (блок е)

на-

Рис. 2.2.

зывается равновесным потенциалом положительно-

На отрицательной пластине (на восстановителе)

(2.5)

имеет место электролитическое растворение свинца,

где

— реагенты на отрицательно зар

при котором губчатый свинец окисляется до четырех-

женной пластине РЬ;

— реагенты в пол

валентного иона РЬ4+. В растворении участвует сер-

жительно заряженном электролитном растворе.

ная кислота. Свинец расщепляется на положитель-

Уравнение (2.5) графически пояснено топограм-

ные ионы РЬ4+, которые выпадают в раствор элект-

мой граничной зоны у отрицательной пластины -РЬ

ролита и заряжают его положительно. Образовавши-

(рис. 2.4).

еся свободные электроны остаются на поверхности

Так происходит первичное накопление положи-

свинцовых пластин, которые таким образом приоб-

тельных электрических зарядов на пластинах РЬ02 и

ретают отрицательный заряд. Возникает разность

отрицательных зарядов — на пластинах РЬ после

потенциалов

в граничной зоне у отрипервичной-

заливки

аккумулятора сернокислотным

цательных пластин аккумулятора, которая называет-

электролитом.

ся равновесным потенциалом отрицательного элект-

Разность потенциалов между электродами — есть

рода, или электродным потенциалом <р_. Когда потен-

электродвижущая сила (ЭДС) Еа аккумулятора. Она

циал ф_ уравновешивает силы растворения, электро-

определяется как разность значений электродных по-

литический процесс прекращается. Энергия химиче-

тенциалов

у противоположных пласти

ской реакции растворения губчатого свинца перехо-

которая для свинцово-кислотных аккумуляторов в

дит в энергию электрического потенциала <р_.

обычных условиях в среднем равна 2,1 В. Так как чис-

Общее уравнение химической реакции и электриче-

ло аккумуляторов в АКБ равно шести, ЭДС залитой су-

ского равновесия

у отрицательных пластин имеет вид:

хозаряженной автомобильной батареи равна 12,6 В.

Из сказанного ясно, что первично сформирован-

ная ЭДС аккумуляторной батареи не является следст-

вием ее заряда от внешнего источника электричес-

кой энергии, а есть результат начальных электрохи-

мических превращений в сухозаряженной АКБ при

ее заливке электролитом. Спустя два-три часа после

заливки батарея набирает 80...90% номинальной ем-

кости и готова к эксплуатации без подзарядки. Полу-

чается так: в аккумуляторе при его заливке электро-

литом часть активных масс и серной кислоты расхо-

дуется на первичное формирование разности потен-

циалов между электродами, тем самым аккумулятор

приводится в рабочее состояние. На это затрачива-

ется часть от номинальной емкости аккумулятора (не

более 5%), которая быстро восстанавливается в пер-

вом зарядном цикле. В необслуживаемых и монолит-

ных АКБ заправка электролитом производится в за-

водских условиях, где после этого емкость батареи

доводится до номинальной.

2.4. Первичный разряд аккумулятора

В каждом аккумуляторе полностью заряженной

батареи еще до подключения ее к внешней нагруз-

ке на положительных электродах сосредоточено зна-

чительное

количество четырехвалентных ионов

свинца (см. уравнение 2.4), а на отрицательных эле-

ктродах — значительное количество свободных эле-

ктронов (уравнение 2.5). В электролите в граничных

зонах электродов сосредотачиваются ионы гидро-

ксильных групп ОН

(у пластин РЬ02) и ионы свинца

(у пластин РЬ). Такое состояние является состо-

Рис. 2.4.

янием устойчивого электрохимического равновесия

Глава 2

Далее на отрицательной пластине двухвалентный

Из выражения 2.7 видно, что в процессе заряда

свинец нейтрализуется поступившими от зарядного

аккумулятора восстанавливаются не только реагенты,

устройства электронами и происходит восстановле-

но и увеличивается концентрация серной кислоты: в

ние губчатого свинца:

.Одновременноэлектролите свободных молекул воды

становится

образуется серная кислота и отрицательный ион

меньше, а молекул серной кислоты больше. Ясно, что

кислорода:

при этом увеличивается плотность электролита, кото-

На положительной пластине при избытке воды

рая

может

служить

мерой

заряженное™

двухвалентный ион свинца отдает два электрона во

аккумулятора.

внешнюю цепь (зарядному устройству) и доокисляет-

ся до четырехвалентного иона

, который вступа-

Ионизированные атомы кислорода, образовав-

разряде химическая энергия реагентов в процессе

шиеся у отрицательной пластины, и ионизирован-

реакции растворения переходит в электрическую

ные атомы водорода, образовавшиеся у

положиэнергию электродных потенциалов, которая и созда-

тельной пластины, в современных необслуживаемых

ет ЭДС аккумулятора. В уравнении 2.7 из правой и

аккумуляторах перемещаются в электролите в про-

левой части можно исключить по одной молекуле во-

тивоположных

направлениях: отрицательные

ионы

ды Н20 и по одной молекуле серной кислоты H2S04.

кислорода к положительной пластине +РЬ02, а

Тогда станет очевидным, что выражения 2.6 и 2.7

положительные ионы

водорода — к отрицательсовершенно идентичны, но направления описывае-

ной пластине -РЬ. На положительных пластинах от-

мых ими электрохимических превращений противо-

рицательные ионы кислорода отдают электроны и

положны. Это означает, что химические реакции

переходят

в

атомарный

кислород:

. Нразряда и заряда взаимообратимы, и для их обрати-

отрицательных пластинах положительные ионы во-

мости необходимо и достаточно поменять направле-

дорода

нейтрализуются

свободными

электронами

ние тока внутри аккумулятора.

, что приводит к «дефициту» электро-

Тогда разрядно-зарядному циклу химических пре-

нов на отрицательном электроде, и как следствие —

вращений в аккумуляторе будет отвечать уравнение

к постепенному уменьшению тока заряда. Далее на

общей токообразующей реакции:

пластинах происходит накопление ионов до тех пор,

пока созданный ими дополнительный электродный

(2.8)

потенциал не повысит напряжение на клеммах акку-

мулятора до запорного значения Uf

=2,5...2,7 В.

При этом внутреннее сопротивление аккумулятора

Формула 2.8 отображает обратимость химичес-

резко возрастет, а ток заряда практически прекра-

ких процессов, происходящих в аккумуляторе, что

тится. Наступает состояние полного заряда (полного

было впервые описано теорией двойной сульфата-

восстановления активных

реагентов)

аккумулятора.

ции еще в 1883 г. Д. Гладстоном и А. Трайбом. Эта

После этого вся энергия электрического тока от за-

теория применительно к свинцово-кислотным аккуму-

рядного устройства начнет затрачиваться только на

ляторам говорит о том, что когда аккумулятор разря-

разложение

воды

на

водород

и

кислород:жается, часть активных химических реагентов пере-

Н20 -> 2Н + О. В прежних конструкциях аккумулято-

ходит в сульфат свинца и в воду. При заряде аккуму-

ров в конце заряда имело место интенсивное газо-

лятора химические реакции протекают в обратном

выделение, что являлось признаком окончания про-

направлении и активные реагенты восстанавливают-

цесса заряда. В современных необслуживаемых и

ся. Однако следует иметь в виду, что полного восста-

монолитных аккумуляторах газовыделение не проис-

новления активных масс во время заряда не проис-

ходит, так как наступает эффект запирания заряд-

ходит даже в совершенно новом аккумуляторе и да-

ного тока в начале газовыделения.

же при идеальных условиях заряда. От цикла к циклу

Общее токообразующее уравнение химических пре-

на электродах в АКБ накапливается сернокислый

вращений в аккумуляторе при его заряде примет вид:

свинец (сульфат), и рано или поздно батарея оконча-

тельно выходит из строя. Этому же способствует и

(2.7)

так называемый саморазряд аккумулятора, который

невозможно исключить полностью.

3.1.Предварительныезамечания

Величина ЭДС Еа определяется как разность рав-

новесных электрических потенциалов ф между элект-

Уже отмечалось,

что идентичность

отдельных акку-

родами при отсутствии протекающего через аккуму-

муляторов в исправной аккумуляторной батарее (АКБ)

лятор электрического тока:

. Так как

позволяет рассматривать ее устройство и принцип

Ф_, то ЭДС всегда положительна.

действия на примере одного аккумулятора. То же са-

Таким образом, ЭДС является стационарным

моеможнодопуститьпри рассмотрениипараметрови

физико-химическим параметром, зависящим от

характеристик.

природы взаимодействующих реагентов и указыва-

Под параметрами электротехнического устройст-

ющим на потенциальную способность аккумулятора

ва принято понимать совокупность эксплуатационно-

поддерживать на электродах электрическое напря-

технических показателей, каждый из которых отоб-

жение в токовой цепи.

ражает то или иное его свойство. Характеристикой

Электродвижущая сила заряженного аккумулято-

устройстваназываютзависимостьодногопараметра

ра сохраняется достаточно продолжительно.

от другого при постоянстве всех остальных.

Численное значение Еа

может быть найдено из

К основным параметрам свинцово-кислотного

теоретической закономерности:

аккумулятора относятся:

— электродвижущая сила ЭДС

Еа

(в

вольтах);

(3.1)

— плотность

электролита

у

в

аккумуляторе

(в г/см3);

где Т — абсолютная температура; К — постоянный

— номинальная емкость

аккумулятора С„ (в ам-

Однако на практике пользуются эмпирической

пер-часах);

формулой для определения ЭДС:

— продолжительность

хранения txp и срок

службы 1СЛ (в месяцах).

(3.2)

Основными характеристиками аккумулятора явля-

ются

электродная характеристика Еа = f(y) и времен-

где выражение в квадратных скобках соответствует

ные разрядно-зарядные характеристики (зависи-

значению плотности

электролита, приведенному

мость основных параметров от времени tp разряда

к температуре 25°С;

— плотность электролита при

или времени t3 заряда).

температуре Т°С измерения.

Рассмотрим указанные параметры и характерис-

Химическая активность реагентов, собранных в

тики

свинцово-кислотного

аккумулятора.

электрохимическую систему аккумулятора, слабо за-

висит от температуры, что наглядно может быть по-

3.2. Электродвижущая сила аккумулятора

казано дифференцированием выражения (3.1) по

температуре: dE/dT = 0,0004 (В/°С).

Электродвижущая сила Еа является основным па-

При изменении температуры от -30 до +50°С (в

рабочем диапазоне для АКБ) электродвижущая си-

раметром свинцово-кислотного аккумулятора. Она опре-

ла каждого аккумулятора в батарее изменяется

деляется активностью химических реагентов (РЬ, РЬ02,

всего на 0,04 В. На практике таким незначитель-

H2S04, H20), входящих в состав электрохимической си-

ным изменением пренебрегают и считают, что

стемы аккумулятора, но при этом никак не зависит от

ЭДС Еа, выраженная в вольтах, зависит только от

количества электролита и активных масс на электрод-

приведенной плотности электролита, выраженной

ных пластинах, а также от их форм и размеров.

в г/см3: