1 Цель работы:
Закрепить на практике полученные теоретические сведения. Отработать способы контроля, и отследить зависимости различных параметров АКБ.
2. Оборудование рабочего места
— АКБ
— Зарядное устройство
— Нагрузочная вилка
— Вольтметр
— Ареометр
— Термометр
3. Общие теоретические сведения:
3.1 Предварительные замечания:
Уже отмечалось, что идентичность отдельных аккумуляторов в исправной аккумуляторной батарее (АКБ) позволяет рассматривать ее устройство и принцип действия на примере одного аккумулятора. То же самое можно допустить при рассмотрении параметров и характеристик.
Под параметрами электротехнического устройства принято понимать совокупность эксплуатационно-технических показателей, каждый из которых отображает то или иное его свойство Характеристикой устройства называют зависимость одного параметра от другого при постоянстве всех остальных.
К основным параметрам свинцово-кислотного аккумулятора относятся:
— электродвижущая сила ЭДС Е, (в вольтах);
— плотность электролита yв аккумуляторе (в г/см3);
— полное внутреннее сопротивление Ra, (в омах);
— напряжение на клеммах аккумулятора Ua (в вольтах);
— номинальная емкость аккумулятора СH (в ампер-часах);
— продолжительность хранения tхр и срок службы tсл (в месяцах).
Основными характеристиками аккумулятора являются электродная характеристика Ea=f(y) и временные разрядно-зарядные характеристики (зависимость основных параметров от времени tр разряда или времени Iз заряда).
Рассмотрим указанные параметры и характеристики свинцово-кислотного аккумулятора.
3.2. Электродвижущая сила аккумулятора
Электродвижущая сила Е, является основным параметром свинцово-кислотного аккумулятора. Она определяется активностью химических реагентов (РЬ, РЬО2,Н2СО4, Н2О), входящих в состав электрохимической системы аккумулятора, но при этом никак не зависит от количества электролита и активных масс на электродных пластинах, а также от их форм и размеров.
Величина ЭДС Еа, определяется как разность равновесных электрических потенциалов φ между электродами при отсутствии протекающего через аккумулятор электрического тока:
Ea=φ+-φ-.Так как φ+>φ-, то ЭДС всегда положительна.
Таким образом, ЭДС является стационарным физико-химическим параметром, зависящим от природы взаимодействующих реагентов и указывающим на потенциальную способность аккумулятора поддерживать на электродах электрическое напряжение в токовой цепи.
Электродвижущая сила заряженного аккумулятора сохраняется достаточно продолжител ьно. Численное значение Е, может быть найдено из теоретической закономерности:
Е, = 2,047 + КТ1па, (3.1)
где Т — абсолютная температура; К — постоянный коэффициент, характеризующий физико-химические свойства активных масс электродов; а — коэффициент, характеризующий активность электролита.
Однако на практике пользуются эмпирической формулой для определения ЭДС;
Е, = 0,84 + [0,00075 (Т - 25) + ут], (3.2)
где выражение в квадратных скобках соответствует значению плотности уз; электролита, приведенному к температуре 25"С; у-г — плотность электролита при температуре Т°С измерения.
Химическая активность реагентов, собранных в электрохимическую систему аккумулятора, слабо зависит от температуры, что наглядно может быть показано дифференцированием выражения (3.1) по температуре: аЕ/йТ = 0,0004 (В/°С).
При изменении температуры от -30 до +50°С (в рабочем диапазоне для АКБ) электродвижущая сила каждого аккумулятора в батарее изменяется всего на 0,04 В. На практике таким незначительным изменением пренебрегают и считают, что ЭДС Е,, выраженная в вольтах, зависит только от приведенной плотности электролита, выраженной в г/ем3:
Е.=0,84+уг5 (3.3)
Так, если плотность электролита в банках полностью заряженной батареи при Т = 25°С равна 1,28 г/см3, электродвижущая сила в каждом аккумуляторе Е, = 0,84 + 1,28 = 2,12 В, а ЭДС батареи равна 12,72 В.
Практически электродвижущую силу аккумуляторной батареи можно измерить вольтметром с высоким внутренним сопротивлением.
3.3. Плотность электролита
Электролит в автомобильном свинцово-кислотном аккумуляторе — это 30%-ный раствор серной кислоты Н2§04 в дистиллированной воде Н;0.
Аккумуляторная серная кислота, поступающая в продажу, содержит 94% химически чистой кислоты Н2504. Она прозрачна, не имеет цвета и запаха, кипит при температуре 33°С, имеет плотность у к = 1,83 г/см3. Чаще в торговую сеть поставляется электролитный раствор с плотностью узд = 1,4 г/см3 или с плотностью, требуемой для данного климатического региона.
Под плотностью электролитного раствора (или кислоты) понимают отношение массы вещества (в граммах) к занимаемому им объему (в см3). Таким образом, плотность — это параметр электролита, подобный его удельному весу. Плотности электролита 1,10...1,30 г/ем3 соответствует массовая концентрация серной кислоты в 28...40%.
В исправной автомобильной аккумуляторной батарее плотность электролита может находиться в пределах от 1,07...1,3 г/см3. Разброс значений плотности электролита в банках полностью заряженной исправной АКБ не должен превышать 0,01 г/см3,
Если батарея разряжена, значение плотности в банках АКБ может быть различным. Это зависит от состояния разряженное™ данного аккумулятора, от его технического состояния, а также от плотности первоначально залитого в него электролита.
При выборе плотности электролита для первоначальной заливки приходится выбирать между продолжительностью срока службы АКБ, который с уменьшением плотности увеличивается, и емкостью батареи, которая с понижением плотности электролита уменьшается.
Кроме того, с увеличением плотности элекгролита до 1,30 г/см батарея может храниться при более низкой температуре (Т|.зо = -60°С) без причинения ей ущерба (без размораживания активных масс электродов).
7
АКУМУЛЯТОРНІ БАТАРЕЇ
На автомобілях установлюють стартерні сви'нцево-кислотні акумуляторні батареї, які складаються з трьох або шести окремих послідовно з'єднаних акумуляторів. Загальна напруга таких батарей 6 або 12 в. Акумуляторні батареї виготовляють у вигляді бака, розділеного перегородками на камери. У кожній камері знаходиться окремий свинцево-кислотний акумулятор, який складається з позитивних і негативних пластин, сепараторів, з'єднувальних містків з полюсними штирями і кришки з пробкою. Камера складеного акумулятора заповнюється електролітом.
Пластини для свинцевих акумуляторів виготовляють у вигляді тонких решіток з свинцю з домішкою 6—8% сурми для міцності. Решітки заповнюють активною масою, що складається з окисленого свинцевого порошку, свинцевого глету і свинцевого сурику, змішаних на водному розчині сірчаної кислоти- Нові пластини формують, піддаючи тривалому заряджанню. Після формування активна маса на позитивних пластинах перетворюється на перекис свинцю темно-коричневого кольору, а на негативних-—на губчастий свинець світло-сірого кольору. Величина струму, який віддає акумулятор, залежить від поверхні активної маси пластин, занурених у електроліт. Пористість активної маси збільшує цю поверхню. Крім того, щоб значно збільшити поверхню, всі однойменні пластини з'єднують паралельно містками у півблоки. Півблоки негативних і позитивних пластин складають у блоки так, щоб позитивні пластини були розміщені між негативними. Щоб зменшити жолоблення крайніх позитивних пластин, негативних пластин беруть на одну більше, ніж позитивних.
|
. Свинцево-кислотна акумуляторна батарея: 1—захисна пластина;2—кислотостійка мастика; З—пробка; 4—кришка; 5—міжелементне з'єднання; б—негативний штир; 7—позитивний штир; 8—бак батареї; 9 — блоки пластин; 10— ребра:11 — сепаратори |
Баки акумуляторної батареї виготовляють з ебоніту або асфальтопекової маси з кислотостійкими вставками. Дно бака має ребра, на які спираються пластини. Це запобігає їх короткому замиканню через активну масу, яка висипається під час роботи акумулятора. Зверху бак закривають кришками з отворами для полюсних штирів і заповнення електролітом. Герметичність з'єднання кришок із стінками баків створюють заливанням кислототривкої мастики. Щоб запобігти короткому замиканню, між різнойменними пластинами вставляють прокладки, я'кі називають сепараторами. Сепаратори виготовляють із пористих кислотостійких матеріалів, наприклад: дерева, міпора, міпласта, склоповсті та ін. Сепаратори ребристим боком установлюють до позитивних пластин. Це забезпечує кращий доступ електроліту в пори активної маси, внаслідок чого збільшується ємність акумулятора під час його розряджання. Електроліт для свинцевих акумуляторів виготовляють з хімічно чистої сірчаної кислоти і дистильованої води. Змішування кислоти з водою відбувається дуже бурхливо, з виділенням тепла. Тому під час приготування електроліту треба кислоту лити у воду тонким струменем. Співвідношення кислоти і води в електроліті визначають його густиною, яку вимірюють ареометром. Свинцевий акумулятор, незалежно від кількості пластин, у зарядженому і справному стані дає струм напругою близько 2 B. Тому акумуляторна батарея з трьох послідовно сполучених акумуляторів має напругу6в, аз шести — 12 в.
Під час заряджання і розряджання свинцевого акумулятора в активній масі і електроліті відбуваються хімічні зміни. При розряджанні активна маса обох пластин свинцевого акумулятора перетворюється на сірчанокислий свинець. При цьому частина сірчаної кислоти витрачається на утворення сірчанокислого свинцю і води. Густина електроліту при розряджанні зменшується. При заряджанні хімічні реакції відбуваються у зворотному напрямі. При цьому кисень води витрачається на утворення перекису свинцю на позитивній пластині, а кислотний -залишок сірчанокислого свинцю обох пластин і водень води йдуть на утворення сірчаної кислоти в електроліті. Початковий склад активної маси пластин відновлюється, і густина електроліту підвищується. При дальшому заряджанні відбувається тільки розклад води на кисень і водень, який супроводиться сильним газоутворенням; це свідчить про кінець заряджання. Зміни густини електроліту, які відбуваються при заряджанні і розряджанні, — найточніший показник ступеня заряджаняя або розряджання свинцевих акумуляторних батарей. Рекомендовані величини густини електроліту в кінці заряджання подані в табл. 2.
Таблиця 2
|
Кліматичний пояс
|
Пора року
|
Густина електроліту при 15°С в кінці заряджання
|
|
Північні райони з температурою взимку нижче від 40°С Центральні райони з температурою взимку до 30°С Південні райони
|
Зима Літо Протягом усього року »
|
1,31 1,27 1,27
1,25
|
|
Рис |
.
В рабочем свинцово-кислотном аккумуляторе плотность ниже 1,07 г/см3 недопустима, и не только из-за раннего замерзания электролита (Т 1,07 = -5°С), но и по причине падения емкости аккумулятора при нормальных температурных условиях (Т > 10°С). Таким образом, плотность электролита во всех аккумуляторных банках автомобильной стартерной батареи должна поддерживаться одинаковой и в определенных границах в соответствии с заданными условиями эксплуатации, которые значительно отличаются для разных климатических регионов.
|
Таблица3.1
|
|||||
|
Климатическая зона
|
tcp, 0C (январь)
|
Время года
|
t, 0C (замерз.)
|
у25- плотность при Т=25 0С
|
|
|
При заливке
|
После заряда АКБ.
|
||||
|
Очень холодная (Заполярье)
|
-50÷ –30 -15÷ -5
|
Зима лето
|
-(64÷68) -(50÷58)
|
1.28 1. 24
|
1.30 1 .26
|
|
Холодная
|
-30÷ -15
|
Весь год
|
-(58÷64)
|
1.26
|
1.28
|
|
Московский регион
|
-9
|
То же
|
-(52÷60)
|
1.25
|
1.27
|
|
Умеренно холодная
|
-15÷ -5
|
То же
|
-(50÷58)
|
|
1.26
|
|
Теплая сухая
|
-5÷ +5
|
То же
|
-(40÷50)
|
|
1.24
|
|
Теплая влажная
|
0÷ +5
|
То же
|
-(28÷40)
|
|
1.22
|
|
Жаркая влажная (Субтропики)
|
+5 ÷ +10
|
То же
|
-(22÷28)
|
1.18
|
1.20
|
ГОСТ 16360-80 определяет климатические регионы по среднемесячной температуре tср°С воздуха в январе. С учетом требований ГОСТа составлена таблица 3.1.
Проводить сезонное изменение плотности электролита необходимо только в широтах, где средняя температура января ниже -30°С.
Электролит приготавливают вливанием кислоты в воду, а не наоборот. Важно отметить, что в начале составляют электролит в пропорции 0,42л 94%-ной кислоты и 0,65 л дистиллированной воды. При этом получается электролит с плотностью 1,4 г/см3 (при Т= 25°С). Далее электролит разбавляют до нужной плотности в дистиллированной воде. Для получения одного литра электролита требуемой плотности при эксплуатации батареи в средних широтах России 0,6 л электролита с плотностью у25=1,40г/см3 необходимо влить в 0,4 л дистиллированной воды. Получится электролит с плотностью у25=1.24 г/см3. После полной зарядки плотность во всех банках АКБ достигает номинального значения 1,26 г/см3. Для московского региона круглогодичная плотность в полностью заряженной батарее несколько выше— 1,27 г/см3,
Если необходимо повысить плотность электролита непосредственно в аккумуляторе, то доливают не кислоту, а электролит с плотностью 1,4 г/см3.
При этом производят также выравнивание плотности и уровня электролита в разных банках, что делают в процессе заряда батареи.
Измеряют уровень с помощью стеклянной мерной трубочки, а плотность электролита — с помощью денсиметра (аэрометра) или с помощью поплавкового плотномера. Необходимо также наличие градусника.
После измерения плотности и температуры электролита измеренную плотность приводят к температуре +25"С по формуле у25= уT+ 0,0007 (Т-25) .
Разность между плотностью полностью заряженного аккумулятора уз и полностью разряженного (ур) при температуре 25°С всегда равна 0,16 г/см3, а
ΔСр=100(уз- у25)/(уз -ур).
Тогда, если известна начальная плотность ун полностью заряженной аккумуляторной батареи, по измеренной плотности ут электролита можно определить степень разряженности
ΔСр(%) каждого аккумулятора в отдельности:
ΔСр=625(ун-ут+Δу) (3.4)
Следует помнить, что серная кислота, входящая в состав электролита, исключительно активное химическое вещество, способное вызвать опасные кислотные ожоги на теле человека. Парами кислоты можно отравиться. Работа с электролитом требует особой осторожности, специальной химической посуды и индивидуальных средств защиты.
3.4. Электродная характеристика аккумулятора
Отличительным свойством свинцово-кислотного аккумулятора является почти линейная зависимость ЭДС Еа от плотности у. Эта зависимость называется электродной характеристикой и отображает влияние плотности электролита на равновесные потенциалы электродов и на электродвижущую силу аккумулятора при определенной температуре. Графики функций;
<р+== Д;у);(р.= (1;у); Е,° ((у) приведены на рис. 3.2.
В диапазоне изменения плотности (1,05...1,35 г/см3) все три функции абсолютно линейны и не зависят от конструкции и степени заряженности аккумулятора.
Установлено, что ЭДС Е, любого исправного свинцово-кислотного аккумулятора при плотности электролита у = 1,30 г/см3 и температуре Т, = 20°С равна 2,1В, а при у =1,10 г/см3, ЭДС Е,=1,9В (рис. 3.2). Однако' плотность электролита незначительно уменьшается при увеличении температуры (0,0007 г/см3 на один градус) и очень заметно увеличивается при повышении степени заряженности аккумулятора. Получается так: в разряженном аккумуляторе с плотностью у = 1,30 г/см3 ЭДС Е, = 2,1 В. А в заряженном аккумуляторе с плотностью уэ = 1,20 г/см3 — ЭДС Е, = 2,0 В (при одинаковой температуре аккумуляторов Т = 20°С). Таким образом, электродная характеристика показывает, что электродвижущая сила Е« не может служить метрологическим параметром для определения степени заряженности (или разряженности) аккумулятора. Как было показано ранее, таким параметром является плотность электролита.
Поделиться с друзьями: