4.1.2. Назначение, устройство, маркировка и принцип действия аккумуляторной батареи.
Аккумуляторная батарея (АКБ) на автомобиле предназначена для обеспечения пуска двигателя стартером и для питания электрической энергией всех потребителей при неработающем двигателе, а также для питания потребителей совместно с генератором на малой частоте вращения коленчатого вала двигателя.
Если мощность потребляемая включенными потребителями, превышает мощность, потребляемая включёнными потребителями, превышает мощность, развиваемую генератором, аккумуляторная батарея, разряжаясь, обеспечивает питание потребителей одновременно с работающим генератором.
АКБ является электрохимическим устройством, в котором электрическая энергия, поступающая в процессе зарядки от внешнего источника постоянного тока преобразуется в электрическую.
АКБ, установленные на автомобилях называются стартерными, т.к. они обладают свойствами кратковременно отдавать большой ток (до 300-900А при пуске двигателя стартером) при малом внутреннем падении напряжения.
Стартерные аккумуляторные батареи состоят из 6-ти или 12-ти аккумуляторов, соединенных между собой последовательно.
Устройство АКБ.
Электроды.
Положительные и отрицательные пластины аккумулятора отливают в виде решётки из сплава, содержащего 92-94% свинца, 6-8% сурьмы с добавлением 0,1-0,2% мышьяка. Сурьма увеличивает механическую прочность пластин, коррозионную стойкость и облегчает их отливку. Для увеличения ёмкости аккумуляторной ячейки решёток отрицательных пластин заполняют активной массой, приготовленной из свинцового порошка и раствора серной кислоты, а положительных пластин - активной массой, приготовленной из свинцового глета и раствора серной кислоты.
Пластины подсушивают, затем помещают в банки с электролитом (состоящим из раствора химически чистой серной кислоты в дистиллированной воде) и заряжают постоянным током. Этот процесс называют формированием. В результате нескольких зарядок активная масса становится пористой, что увеличивает её площадь в несколько раз. В конце формирования активная масса положительных пластин почти полностью превращается в перекись свинца (тёмно коричневого цвета), а отрицательных – в губчатый свинец (серого цвета). По окончании формирования пластины оставляют в заряжённом состоянии.
Полублоки.
Пластины соединены между собой с помощью бареток (перемычек) в полублоки положительных и отрицательных пластин. Полублоки собирают в блоки так, чтобы каждая положительная пластина была расположена между двумя отрицательными.
Пластины (токоотводы) собирают в однородные (однополярные полублоки - отрицательные и положительные.
Число пластин зависит от требуемой емкости АКБ. Полублоки объединяются в блок и вставляют друг между дружкой.
Сепараторы.
Чтобы не было замыкания между пластинами, вставляют сепараторы. В сепараторах одна сторона гладкая, другая ребристая. Ребра обращены к положительным пластинам.
Сепараторы – разделители из кислотостойкого пористого материала. Они изготавливаются из: мипора (микропористый эбонит), изготавливается на основе натурального каучука, обозначается Р; мипласта (микропористый хлорвинил) изготавливается на основе полихлорвинильной смолы, обозначается М.
Они обладают достаточной механической прочностью и химической стойкостью. Размеры сепараторов больше размеров электродов, что предотвращает замыкание их через кромки.
Ячейка моноблока (аккумулятор).
Блоки электродов в сборе с сепараторами устанавливаются в ячейки моноблока.
Моноблок.
материал - эбонит, термопласт, полипропелен;
устройство - показать призмы, на которые установлены полублоки, и объяснить назначение объема между призмами - для сбора шлама. Разделен на отсеки перегородками.
Предохранительный щиток.
Предохранительный щиток – предохраняет кромки электродов и сепараторов от механических повреждений.
Крышка.
Крышка – изготовлена из эбонита или пластмассы. На современных аккумуляторах единая крышка.
На современных автомобилях используются моноблоки, выполненные заодно с крышкой.
В крышке имеются отверстия. Два крайних имеют свинцовые втулки и служат для прохода выводных борнов. Остальные отверстия - заливные, имеет резьбу, в которую заворачивается герметичная пробка.
Пробка.
Наливное отверстие закрывают пробкой, имеющей вентиляционное отверстие для выхода газов. Выплёскиванию и утечке электролита препятствует отражатель и уплотняющее резиновое кольцо.
Аккумуляторная батарея.
Отдельные аккумуляторы соединены с помощью перемычек последовательно (друг за другом). Такое соединение называют аккумуляторной батареей.
Если крышка общая, то перемычки расположены над перегородками. Заливают крышки мастикой типа БР-20 (75% - нефтяного битума, 25% - машинного масла). На перемычках ставится маркировка батарей.
Полюсовые штыри отмечают метками «+» и «-». Диаметр положительного полюса несколько больше диаметра отрицательного полюса, что исключает неправильное включение батареи в цепь. Для увеличения срока службы сосудов в их стенки вставляют кислотоупорные хлорвиниловые вставки, предотвращающие короткое замыкание пластин соседних аккумуляторов при образовании трещин в перегородках моноблока.
Условное обозначение батареи.
На автомобилях КамАЗ-4310 устанавливают аккумуляторные батареи 6СТ-190ТР, на ЗиЛ-131 устанавливают аккумуляторные батареи 6СТ-90ЭМС, на ГАЗ-66 – 6СТ-75, на УАЗ-3151 – 6СТ-60ЭМ, на автомобилях «Москвич» и ВАЗ – 6СТ – 55.
6 – количество аккумуляторных батарей;
СТ – назначение, стартерная;
90 – номинальная емкость в А/ч – это количество электричества Ампер-часов, которое может отдать аккумуляторная батарея при определенных условиях разряда;
* – материал моноблока (Э – эбонит, Т – термопласт, П – полипропилен);
* – материал сепаратора (М – минпласт, Р – мипор, МС – минпласт со ст-екловолокном);
* – может быть еще: А - под общей крышкой, 3 - залитая (заряженная).
Неразборные аккумуляторные:
в аккумуляторной батарее 6СТ-55 бак закрывается одной приваренной к нему крышкой. На крышке размещены плюсовой и минусовой выводы и пробка заливного отверстия. Аккумуляторы соединены короткими свинцовыми стержнями, пропущенными через отверстия в перегородках.
другой разновидностью неразборных АКБ являются необслуживаемые батареи, которые выпускаются в герметичном исполнении и не имеют заливных отверстий.
Принципы работы АКБ.
Окислительно-восстановительные процессы обратимые и описываются уравне-ниями:
Заряд PbO2 +3 Н2SO4 + Н2O + Pb (2.1)
Разряд PbSO4 + Н2SO4 + 3Н2O + PbSO4 (2.2)
Эти процессы описаны еще в 1883 году Гладстоном и Трайбом. Основаны они на свойстве некоторого электролитического растворения свинца.
Не вдаваясь глубоко в суть процессов, можно показать, что при разряде губчатый свинец отрицательных электродов отдает два электрона положительному электроду, образуя двухвалентный свинец Pb ++(светло-серого цвета), который окисляется до PbSO4.
У положительного электрода реакции весьма сложны и до сих пор недостаточно изучены. Считается, что четырехвалентный свинец Pb ++++ двуокиси свинца, присоединяя два электрона восстанавливается до двухвалентного свинца Pb ++(коричневого цвета)., который соединяясь с кислотным остатком SO4, образует сульфат свинца
В процессе разряда кислота Н2SO4 используется на образование PbSO4 на электродах при одновременном выделении воды. По измерению плотности электролита можно судить о разряженности батареи. Считается, что батарея разряжена на 100 %, когда плотность снижается на 0,16 г/см3. Установлено, что уменьшение плотности на 0,01 соответствует увеличению степени разряженности (SR) 6 %.
Зарядные процессы протекают в обратном направлении. В результате заряда активная масса электродов восстанавливается до Pb серого цвета и PbО2 темно-коричневого цвета с повышением плотности электролита. Можно предположить, что увеличение плотности электролита происходит только до восстановления активной массы - признак конца заряда. При дальнейшем заряде после восстановления активной массы энергия расходуется только на разложение воды на кислород и водород, которое сопровождается обильным газовыделением. Выглядит это как кипение электролита, в обиходе эту стадию заряда так и называют.
Причем начало газовыделения определяется, прежде всего, зарядным напряжением, но зависит также от содержания примесей в активных материалах и конструктивных особенностей аккумулятора.
Большое значение для протекания процессов в аккумуляторе имеет пористость активной массы электродов. Пористая структура обеспечивает доступ электролита в глубину электрода. Средний диаметр пор положительного электрода 1...2 мкм, отрицательного - 10 мкм. В ходе разряда пористость существенно уменьшается, так как удельный объем сульфата свинца больше удельных объемов свинца (в 2,68 раза) и двуокиси свинца (в 1,86 раза).
Использование разряженной батареи приводит к отложению кристаллов PbSО4 на поверхностях электродов (в виде белого налета), что сужает, а при глубокой сульфатации закупоривает поры активной массы. Это, в свою очередь, затрудняет проникновение электролита к ее внутренним, более глубоким слоям. Все это уменьшает электрическую емкость батареи.
Анализ уравнений позволяет сделать выводы:
по мере разряда химический состав электродов становится одинаковым (PbS04);
концентрация электролита по мере разряда уменьшается, то есть по плотности электролита можно судить о степени разряженности.
(2.3)
Для получения напряжения в бортовой сети автомобиля, равного 24 В (на автомобилях МАЗ, КамАЗ, БелАЗ и др.), необходимо соединить две аккумуляторные батареи (последовательно).
Основные электрические показатели свинцово-кислотных АКБ.
электродвижущая сила Е, В;
напряжение Uа, В;
внутреннее сопротивление r, Ом;
емкость С, А . ч.
Кроме того, АКБ оценивается по удельной емкости, КПД, сроку службы, периодичности ТО и др.
Электродвижущая сила определяется как разность потенциалов положительного и отрицательного электродов при разомкнутой внешней цепи.
Более важным, показателем аккумулятора служит напряжение, которое при разрядке всегда ниже, а при заряде выше Е. Е свинцового аккумулятора зависит только от химических и физических свойств веществ, участвующих в процессе, и не зависит от размеров электродов и количества активных материалов.
Внутреннее сопротивление аккумулятора r величина также непостоянная и складывается из сопротивления электролита, сепараторов, активной массы, решеток электродов и соединительных элементов и может составлять тысячные доли Ома.
От внутреннего сопротивления аккумулятора в значительной мере зависит напряжение и наклон вольтамперной характеристики (пояснить ее значение для практики).
Наибольшее влияние на общее сопротивление аккумулятора оказывает сопротив-ление электролита, которое зависит от толщины его слоя (расстояния между пластинами) и удельного сопротивления. Поэтому конструкторы стремятся сколько возможно из условия прочности уменьшить толщину сепараторов, увеличить их пористость.
Удельное сопротивление электролита, в свою очередь зависит от температуры и концентрации. Электролит имеет отрицательный температурный коэффициент. А это значит, что с понижением температуры его сопротивление увеличивается, а значит, напряжение уменьшается.
Емкость аккумулятора - это количество электричества, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при разряде его установленным режимом. Емкость аккумулятора определяется произведением силы тока на время разряда. Измеряется емкость аккумулятора в А. ч, обозначается С20, С10.
Конструктивно емкость аккумулятора определяется количеством активной массы, точнее, поверхностью электродов, а также коэффициентом их использования. Установлено, что активная масса положительных пластин используется лишь на 45...50 %, а в стартерном режиме на 4...10 %. Ограничение использования активной массы обусловлено отложением сульфата свинца на поверхности пластин, что вызывает обеднение электролита в порах и быстрое снижение напряжения.
Емкость аккумулятора существенно снижается с увеличением разрядного тока.