Методические указания по выполнению заданий к крз

З адание 1. Временные характеристики стартерных аккумуляторных батарей

Независимо от условий эксплуатации от аккумуляторной батареи требуется относительно стабильное обеспечение мощности в течение определенного промежутка времени разряда. Продолжи­тельность разряда в стартерном режиме может изменяться от не­скольких секунд до нескольких минут. Время разряда аккумулятор­ных батарей на питание средств облегчения пуска - десятки минут, на питание привода электромобиля - несколько часов и т.д. Таким образом, время разряда является важнейшим параметром, характери­зующим работоспособность аккумуляторных батарей.

Временные характеристики снимают при различных значениях температуры, тока разряда и степени разряженности аккумуляторных батарей. Временная характеристика, представленная на рис. 1.1, имеет четыре характерных участка. Точка "а" соответствует ЭДС батареи до начала разряда. Участок "а-б" характеризует падание напряжения на омическом сопротивлении аккумуляторной батареи. На участке "б-в" происходит нелинейное изменение напряжения, обусловленное появлением ЭДС поляризации.

Возникновение ЭДС поляризации обусловлено тем, что сразу после включения на разряд концентрация кислоты в порах пластин резко падает до того момента, пока разность концентраций между ней и внешней кислотой не станет достаточно большой, чтобы расход кислоты смог компенсироваться выравниванием концентраций путей диффузии. Продолжительность участка "б-в" при разряде, в стартерном режиме составляет 5-10 с. Третий участок "в-г" характеризуется линейным уменьшением напряжения. На этом участке ЭДС также изменяется линейно, так как в каждый момент времени количество продиффундированной в поры пластин кислоты равно количеству кислоты, израсходованной на образование сульфата.

На участке "в-г" внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи увеличивается по двум причинам: во-первых, понижается концентрация электролита и, во-вторых, увеличивается сопротивление пластин вследствие отложения на них сульфата свинца. По мере разряда ухудшаются условия диффузии электролита в поры пластин из-за сужения сечения пор образовавшимся сульфатом свинца, что вызывает резкое возрастание ЭДС , поляризации и уменьшение напряжения (участок '"г-д") до нуля.

Так как разряд до низкого напряжения вызывает разрушение пластин, то рекомендуется заканчивать его при напряжении, соответствующем перегибу разрядной кривой, названном напряже­нием конца разряда.

Временная характеристика определяется напряжением начала разряда U₁₀, напряжением конца разряда U_к и продолжительностью разряда τ_к.

Рис. 1.1. Временная характеристика аккумуляторной батареи

За напряжение начала разряда принято напряжение на 10-ой секунде после включения батареи на разряд, которое определяет­ся по формуле

, (1.1)

где E₀ - ЭДС батареи, В;

E_n - ЭДС поляризации, В;

I - ток разряда батареи, А;

R_Б - сопротивление аккумуляторной батареи при раз­ряде, Ом.

С достаточной для практических целей точностью ЭДС батареи можно определить по формуле

, (1.2)

где m - число последовательно соединенных аккумуляторов в батарее;

γ₁₅ - плотность электролита при 15 °С, кг/ м³;

t_ЭЛ - температура электролита, °С;

ΔС_р - степень разряженности батареи, %.

ЭДС поляризации зависит от тока разряда и температуры электролита и определяется по формуле

, (1.3)

где n - число пластин в аккумуляторе;

S - площадь одной пластины, м².

Сопротивление аккумуляторной батареи является суммой сопротивлений:

(1.4)

где R_эл - сопротивление электролита, Ом,

R_c - сопротивление сепараторов, Ом;

R_м - сопротивления активной массы, решеток, полюсных мостов, выводных штырей и перемычек, объединенных понятием "сопротивление металлических частей", Ом

, (1.5)

где δ_с - толщина сепаратора, м;

δ_Т - толщина тела сепаратора, м;

δ_СТ - толщина стекловолокна, м;

ρ_эл - удельное сопротивление электролита, Ом•м.

, (1.6)

где К_С - коэффициент, зависящий от пористости, диаметра и конфигурации

пор сепаратора (его максимальное значение не может превышать

пористости сепаратора).

Материал сепаратора	Мипласт	Мипор	Поровинил	«Юнгфер»
КС	0,25	0,31	0,35	0,40

Удельное сопротивление электролита зависит от концентра­ции и температуры. С понижением температуры значение удельного сопротивления электролита резко возрастает. Зависимость удельного сопротивления от концентрации электролита носит сложный характер. Для каждой температуры существует значение концентрации, при которой удельное сопротивление минимально. Так, для температуры электролита +25 °С плотность электролита, при которой удельное сопротивление минимально, равна 1235 кг/м³ а при -20 °С плотность равна 1200 кг/м³.

Для применяемых в аккумуляторных батареях значений плотностей электролита (от 1230 до 1310 кг/м³) удельное сопротив­ление с достаточной для практических целей точностью можно определить по формуле:

, (1.7)

где γ = γ₁₅ – 0,0016ΔС_Р.

Сопротивление металлических частей равно:

,

(1.8)

где К_м - коэффициент, зависящий от способа соединения аккумуляторов в батарею;

h_Э и l_Э – высота и ширина пластины, м;

₊ и _- -толщина положительной и отрицательной пластины, м;

n₊ и n _- - число положительных и отрицательных пластин в аккумуляторе.

Конструкция соединения аккумуляторов	Км
Перемычки	2,90
Перемычки и выводные штыри с медными вставками	1,80
Единая крышка (перемычки отсутствуют)	1,90

Напряжение конца и начала разряда определяется в основном температурой электролита и плотностью разрядного тока. Между ними существует следующая связь

. (1.9)

Для построения временной характеристики необходимо также знать время, в течение которого аккумуляторная батарея разряжается до U_К.

Возможное время разряда зависит от величины разрядного тока, так как потребляемое при разряде количество кислоты пропорционально току. При малых токах количество кислоты, вступившее в реакцию, поступает к пластине в соответствии с законом Фикса.

Однако при больших токах разность концентра­ций электролита в порах пластин и между пластинами увеличи­вается и израсходованный в порах электролит не полностью ком­пенсируется извне. Это приводит к увеличению ЭДС поляриза­ции и, следовательно, к уменьшению напряжения. При больших токах образование сульфата происходит на поверхности пластин, в результате чего закупориваются поры, быстро увеличивается внутреннее сопротивление и, соответственно, уменьшается на­пряжение на клеммах аккумуляторной батареи. При этом не пол­ностью используется запас кислоты и активной массы, следова­тельно, резко сокращается время разряда.

Зависимость продолжительности разряда при токах разряда от 0,5С₂₀ до 6С₂₀ описывается формулой

. (1.10)

Величина коэффициента зависит от конструктивных параметров батареи

. (1.11)

Анализ электрохимических процессов, происходящих в аккумуляторных батареях, показывает, что зависимость про­должительности разряда от темпера

туры электролита имеет две асимптоты. При положительной температуре асимптота опреде­ляется продолжительностью разряда при температуре, обеспечи­вающей работоспособность батарей (+45 °С). При отрицательных температурах время разряда стремится к нулю. Продолжительность разряда с учетом влияния температуры электролита опре­деляется по формуле:

. (1.12)

В общем виде зависимость напряжения от продолжительности разряда описывается уравнением

. (1.13)

Приведенное уравнение (1.13) позволяет рассчитать временные характеристики стартерных батарей при различных условиях и режимах разряда.

Основные данные аккумуляторных батарей

Тип аккумуляторной батареи	Число пластин	S, м2 10-4	hэ, м 10-2	lэ,м 10-2	δ+, м 10-2	δ-, м 10-2	δС,м 10-2	δТ, м 10-2	δСТ,м 10-2	Км
6СТ-60ЭМ	4/5	191	13,35	14,3	0,235	0,20	0,15	0,075	-	3,0
6СТ-75ЭМС	5/6	191	13,35	14,3	0,230	0,19	0,15	0,075	0,04	3,0
6СТ-90ЭМС	6/7	191	13,35	14,3	0,230	0,19	0,15	0,075	0,04	3,0
6СТ-190ТР	14/15	191	13,35	14,3	0,230	0,19	0,15	0,075	-	1,8
6СТ-55ЭР	6/7	170	11,90	14,3	0,170	0,14	0,11	0,075	-	3,0

Задание 2. Расчет вольт-амперных характеристик стартерных

аккумуляторных батарей

Аккумуляторная батарея при пуске двигателя должна дать определенный ток в течение заданного времени без снижения напря­жения ниже предельной величины. Эта величина напряжения опреде­ляется, с одной стороны, характеристиками стартера, который должен обеспечить прокручивание вала двигателя с частотой не ниже минимальной пусковой, а с другой стороны, требованиями надежной работы системы зажигания при пуске карбюраторного двига­теля. Это напряжение в настоящее время для систем электрообору­дования на 12 B нормируется равным 7,2 В.

Напряжение аккумуляторной батареи при ее разряде на стартер в режиме пуска двигателя определяется вольт-амперной характеристикой-зависимостью напряжения от тока разряда в заданный момент времени.

Разрядный ток при пуске двигателя может достигать величины от 2С₂₀ до 5С₂₀, где С₂₀ - номинальная емкость аккумуляторной бата­реи. Ниже приводится метод расчета вольт-амперных характеристик стартерных аккумуляторных батарей, позволяющих без испытания определить напряжение на аккумуляторной батарее в зависимости от величины тока разряда, температуры электролита, степени разряженности, числа попыток пуска и продолжительности попытки пуска, а так же найти ее внутреннее сопротивление.

На рис. 2.1 изображена реальная (a) и расчетная (б) вольт-амперная характеристика аккумуляторной батареи. Прямолинейные участки реальной и расчетной характеристик в зоне возможных токов разряда при пуске двигателя совпадают. Расчетная вольт-амперная характеристика отсекает на осях координат две точки: условное начальное разрядное напряжение U_НР и условный ток ко­роткого замыкания батареи I_БК . Мощность, развиваемая аккуму­ляторной батареей (P_Б=UI ), имеет вид параболы. Максималь­ное значение мощности соответствует координатам вольт-амперной характеристики 0,5U_НР и 0,5I_БК.

Поэтому разряд аккумуляторной батареи до напряжения ниже 0,5U_НР и, силой тока больше 0,5I_БК нецелесообразен, так как отдаваемая мощность будет снижаться. Таким образом, рабочий участок вольт-амперной характеристики ограничивается значением разрядного тока 0,5I_БК, который в еди­ницах, кратных емкости, составляет для температур батареи от -40 до +25 С , соответственно, 2,5С₂₀ и 10С₂₀.

Начальный изгиб реальной вольт-амперной характеристики, достигает значений тока 1С₂₀-1,5С₂₀, однако эти токи значительно ниже разрядных токов при пуске двигателя.

Boльт-амперная характеристика аккумуляторной батареи из­меняется от времени разряда аккумуляторной батареи. Поэтому вольт-амперную характеристику обычно относят к определенной попытке пуска (разряда) о заданной продолжительность и одной попытки (10 с для карбюраторных и 15 с для дизельных двигате­лей).