Акумулаторна система

Основна информация.

Системата за захранване е проектирана да доставя електроенергия на всички потребители и да поддържа постоянно напрежение в бордовото захранване на автомобила. Системата трябва да гарантира надеждна и трайна работа на всички потребители на електрическото оборудване на автомобила.

 

Фиг.1.1. Схема на захранващата система:

1 – генератор; 2 – регулатор на напрежението; 3 – превключвател за запалване;4 – амперметър; 5 – товари (потребители); 6 – акумулаторната батерия;7 – изправител; 8 – намотка на статора; 9 – намотка на възбуждане.

Електрическите източници на автомобила са генератор и акумулаторна батерия, които са включени паралелно. Регулирането на напрежението на генератора в определените граници се извършва от регулатора на напрежението. Системата за захранване (фиг.11.1) включва: променлив генератор 1 с вграден токоизправител 7, регулатор на напрежението 2, акумулаторна батерия 6, амперметър 4 и превключвател 3 около намотката на възбуждане на генератора, структурно обединена с превключватели на запалителни и пускови системи. Когато двигателят не работи, акумулаторната батерия 6 е източникът на енергия за всички електрически системи и уреди. По време на този период на работа той се разрежда и амперметър 4 показва разрядния ток. При включен двигател и включване 3 токът, влизащ в намотката на възбуждане 9, създава магнитно поле, което при завъртане на ротора пресича намотката на статора 8 на генератора, т.е. и в него се индуцира променливата EMF. Токоизправител 7 преобразува променлив ток в постоянен ток. Когато напрежението на генератора е по-голямо от EMF, акумулаторът, токът от токоизправителя 7 навлиза в намотката на възбуждане 9, всички включени консуматори 5 и батерията 6, зареждащи го.Когато зареждате, амперметърът на батерията 4 показва силата на тока за зареждане.Когато батерията се зарежда, амперметърът показва тока на зареждане.На превозното средство количеството напрежение в бордовата мрежа се дължи на две основни изисквания:Зареждане на батерията.Нормална работа на потребителите.При повечето автомобили напрежението  е 13,5 – 14,5V.

Акумулаторни батерии.Обща информация

В електрическата система на автомобила това е източник на енергия, който доставя енергия до потребителя, когато двигателят не работи или когато има недостатъчна мощност от генератора.Основният потребител, който определя вида и дизайна на батерията, е стартерът. Токът, който се изразходва при стартиране на двигателя, особено при ниски температури, достига няколко стотин ампера. Автомобилните акумулатори са монтирани в двигателното отделение, кабината или извън нея на определени места.Всеки източник на енергия преобразува енергия от един вид в друг. Оловната батерия е химически източник на ток, който преобразува енергията, генерирана по време на химичните реакции, в електрическа енергия.Процесите в оловния акумулатор са обърнати. Активните вещества, консумирани по време на реакцията, могат да бъдат възстановени при преминаване през постоянен ток от друг източник на електрическа енергия. Процесът, по време на който химическата енергия се преобразува в електрическа енергия, се нарича разряд, обратният процес е заряд.Активни вещества на заредена батерия: оловен диоксид PbO ₂ тъмнокафяв на положителния електрод и гъба олово Pb тъмносив на отрицателния електрод и воден разтвор на сярна киселина H ₂ SO ₄ + H ₂ O – електролита, в който са поставени електродите. Ако положителните и отрицателните електроди са свързани помежду си от консуматор на електроенергия, като електрическа крушка, през нея ще потече разряден ток (секцията на външния кръг) и батерията (секцията на вътрешния кръг).

Структурата на батерията

Батерията се състои от серия от свързани клетки. Превозните средства използват стартерни батерии с номинално напрежение 6 и 12 V.Трябва да се отбележи, че 6-волтовите батерии вече са извадени от производството.Батериите се произвеждат в едно цяло тяло (фиг.11.2), изработено от ебонит, термопластично (напълнено с полиетилен), полипропилен или полистирол. Тези материали осигуряват устойчивост на топлина, замръзване и киселина, както и механична якост. Единицата е разделена на дялове в клетки. В долната част на всяка клетка са разположени призми, които поддържат електродите и сепараторите и създават пространство, предназначено за натрупване на утайки в резултат на плаващата активна маса на електродите. Това не позволява на утайките да затворят едноименните електроди.Всяка клетка на моноблока съдържа отрицателни и положителни електроди, разделени чрез сепаратор и сглобени в блока на електрода. Електродите с една и съща полярност са заварени заедно с известен мост 6 на пролуката, към който е заварен.

 

Фигура 1.2 Стартова батерия:

1 – отрицателна плоча; 2 – разделител; 3 – положителна плоча;4 – полюс; 5 – мрежа; 6 – мост; 7 – капак; 8 – джъмпер; 9 – тапа; 10 – скоба; 11 – моноблок; 12 е призма; 13 – блок от електроди

Електродът на всяка полярност се състои от активна маса и решетка. предназначени за събиране на ток и задържане на активната маса. Решетките се изсипват от оловни сплави, към които се добавят 4,5 … 6,0% антимон за увеличаване на механичната якост и 0,2% арсен за увеличаване на корозионната устойчивост. Теглото на прътите е до 50% от теглото на плочата. На решетката на плочите се прави паста, която е направена от оловен прах и разтвор на сярна киселина; към пастата с отрицателна плоча се добавя отрицателен разширител, за да се предотврати загубата на оловен кабел при работа на батерията. Пастата се трансформира в силно пореста активна маса след електрохимична обработка (формоване). След изсушаване на плочите те се събират на блокове.Дебелината на плочите зависи от режима на работа, живота на батерията и съответно е 1,5 … 2,0 мм и 2,4 … 2,6 мм за батериите на автомобили и камиони. Плочите имат форма, близка до квадратна; ширина и височина – съответно 143 и 119 или 133,5 мм.Съотношението между броя на положителните и отрицателните електроди в различните видове батерии е различно. Обикновено броят на отрицателните електроди на единица е по-голям от положителните.Между плочите в блоковете се поставят сепаратори 2 – сепаратори на киселинно устойчив порест материал. Те са проектирани да предпазват електродите от сблъскване и късо съединение между тях. Поради високата порьозност и добрата омокряемост, сепараторите не пречат на свободния достъп на електролита до активната повърхност на плочата. Батерийните сепаратори са направени от mipor, porovinil miplast. Дебелината им е 1,1; 1.3; 1.5; 1.7; 1,9mm.Ебонитовите или пластмасови капаци могат да покриват отделни отделения за батерии. Съвременните батерии използват единични капаци, които са заварени или залепени към моноблока, капаците имат отвори за пълнене на електролита. Отворите за пълнене се затварят с тапи с отвори. Специалните отражатели в тапите предотвратяват разпръскването на електролита през отворите.Дефекти, присъщи на конвенционалните акумулаторни батерии (намалени нива на електролити, ускорена корозия на решетка с положителни електрод. Саморазряд) са причинени от наличието на 4,5 … 6,0% антимон в оловна сплав, използван за производство на електродната решетка. В допълнение, нивото на електролита трябва да се проверява периодично и, ако е необходимо, да се долива с дестилирана вода.Тези дефекти нямат така наречените необслужваеми батерии, при които решетъчните материали се подменят, тоест положителните електроди са изработени от олово, легирано със антимон до 1,5% и кадмий до 1,5%, а решетките с отрицателен електрод са направени от калциево-калаена сплав. съдържащи до 0,6 … 0,9% калций и до 0,5 … 1,0% калай. Колкото повече антимон има в оловото, толкова по-бързо при по-малко напрежение се прилагат към електродите, те се нагряват и се получава електролитично разлагане на водата с отделянето на водород и кислород. Следователно, дори при нормално напрежение в електрическия контакт на автомобила, батерията кипи малко по малко. Използването на нова технология за производството на части за батерии, която не изисква специални качества за отливане, позволява да се намали съдържанието на антимон до 2,5 … 1,5%, а добавянето на кадмий до 1,5% осигурява фина кристална структура, т.е.При батерии, които не изискват поддръжка, бяха заменени не само решетъчните материали, но и следните промени в дизайна:

1.положителните електроди се поставят в разделителна обвивка, която е затворена от три страни;

2.в дъното на моноблока се поставя електроден блок за увеличаване на количеството електролит, без да се увеличават общите размери на батерията;

3 дебелината на електродите не надвишава 1,9 mm, което направи възможно увеличаването на техния брой, т.е. намаляване на специфичните токове без промяна на общите размери на акумулатора;

4.използват се сепаратори с по-ниско съпротивление и дебелина; батериите са свързани чрез преградите на моноблока; вътрешното съпротивление на акумулатора също намалява поради факта, че съпротивлението на решетката на олово-калциево-маслиновите, както и ниско жълтите сплави, е по-малко от решетката на обичайната сплав на олово-антимон.

Акумулаторите без поддръжка имат следните предимства:

по-добро качество на стартиране, по-дълъг живот, подобрени характеристики на зареждане, по-малко саморазряд, по-малко корозия на положителните електроди, няма нужда вода да се пълни по време на работа. Те се произвеждат в запечатано производство. Те нямат отвори за пълнене, но те са оборудвани със специален индикатор за зареждане, цветът на който се променя, когато достигне определено минимално ниво. Напоследък се разработва технологията на производство на плочи по метода на разпръскване на активната маса върху пластмасова лента, която е сепаратор. Това води до значително намаляване на теглото на батерията.Стартовите батерии са етикетирани в съответствие с националните стандарти. Първата цифра на маркировката (3 или 6) показва броя на батериите, свързани последователно, което определя нейното номинално напрежение (6 или 12 V). Буквите „CT“ означават, че батерията е стартер. Следващите цифри определят номиналния капацитет при 20-часов режим на разтоварване, а буквите – материалът на моноблока (Е – ебонит, Т – термопласт, Р – полиетилен), материалът на сепараторите (М – мипласт, Р – мипор, Р – пластир, С – фибростъкло заедно с някои от сепараторите) и производителност (H – не се зарежда. И – с общ капак, 3 – акумулаторът е напълнен с електролит и напълно зареден (без надзор), H – батерията с нагревателен елемент).

Основни характеристики на стартерните батерии.

Основните характеристики на стартерните батерии включват: EMF. напрежение, вътрешно съпротивление, капацитет, мощност, енергия, саморазряд, живот.Електромоторната сила на една батерия се нарича алгебраичната разлика на нейните електродни потенциали, ако външният кръг е отворен:

E _a = φ ₊ – φ _– ,

където φ ₊ и φ _са потенциалите на положителните и отрицателните електроди, съответно, когато външната верига е отворена. За практически цели EMF може да се определи чрез волтметър с високо вътрешно съпротивление (не по-малко от 300 ома на 1 V) или потенциометър.

EMF на батерията зависи от плътността и температурата.

EMF на оловната батерия може да бъде приблизително изчислена по емпиричната формула, B:

E _и = 0,84 + γ

където γ е плътността на електролита при температура +25 ° C, g / cm ³ , EMF на акумулатора, състоящ се от последователно свързани батерии,

E _σ = mЕ

Напрежението на батерията на практика е по-важен параметър. При разряд е по-ниска от ЕМП, а когато се зарежда над ЕМП, стойността на спада на напрежението върху вътрешното активно съпротивление и поляризацията на електрода. Напрежението на акумулатора се нарича алгебраична разлика на нейните електродни потенциали, ако външната верига е затворена (наличието на консуматор).Вътрешното съпротивление на акумулатора е ниско (стотици или дори хиляди ома), така че в режимите на разреждане на акумулатора на стартера могат да се получат високи токове с нисък спад на напрежението.Съпротивлението Ro се състои от плочи резистори, сепаратори, свързващи клеми и електролит. По-голямата част от него се създава от съпротивлението на електролита, което зависи от порьозността на сепаратора, плътността и температурата на електролита.Омичното съпротивление на акумулатора зависи паралелно от повърхността на плочите, разстоянието между тях, плътността и температурата на електролита, силата на разрядните и зареждащите токове, степента на разреждане на акумулатора. Минималното съпротивление има електролитна плътност 1,23 … 1,3 g / cm ³ при температура + 15 ° C. С намаляването на температурата съпротивлението на електролита се увеличава значително..В процеса на зареждане и разреждане на акумулатора, вътрешното й съпротивление се променя поради промени в плътността на електролита и химичния състав на активната маса на плочите.Капацитетът на една батерия се нарича количеството електроенергия, което тя доставя по време на разреждане до определено напрежение. Колкото по-висок е разрядният ток и по-ниска е температурата на електролита, толкова по-ниско е напрежението, което акумулаторът може да разрежда. Например, определянето на номиналния капацитет на разряда на акумулатора се извършва с ток от;

I = 0,5 C ₂₀ до напрежение 10,5 V при температура + 25 ° C, а в случай на стартов ток I = 3C ₂₀ и температурата на електролита – 18 ° C – до 1V на батерия или 6V на 12V батерия.

Мощността на батерията е количеството енергия, което изразходва за единица време. Захранване на батерията по време на разреждане

P _b = U _p I _p = I _p ² R _n = E _s I _p -I _p ² R _s

където R _n, R _s са съответно опорите на външния товар и батерията;

U _p, I _p – напрежението и токът на акумулатора по време на разреждане.

Енергията на батерията се определя от произведението на капацитета на разреждане (заряд) при средното напрежение на разряд (заряд),

[W • h]:

W _p = C _p U _p ; W _c = C _c U _c ;

където C _p , C _от – съответно капацитетът по време на разреждане и зареждане;

A • h, U _с, U _p – средни стойности на напрежението на разреждане и заряд.

Саморазреждането на батерията се нарича естествена загуба на нейния капацитет по време на неактивност. Според сегашните стандарти, саморазреждането на заредена батерия след неактивност в продължение на 14 дни при температура на околната среда (+ 20 ± 5 ° C) не трябва да надвишава 10%, а след неактивност в продължение на 28 дни – 20%.Саморазрядът на акумулатора се влияе от следните фактори: повишаване на температурата и плътността на електролита, наличие на примеси (мед, никел, желязо, манган, солна и азотна киселина и др.), Прехвърляне на антимон от пръчките на положителни плочи към отрицателни плочи по време на живота на батерията.

Животът на оловно-киселинни батерии

При ниска плътност на тока на разтоварване (до 1,5 mA / cm ² ) преобладават корозионните задействания – разрушаването на активната маса.Презареждането води до корозия на положителната решетка на плочата, а при големи токове на презареждане активната маса на положителните плочи се унищожава.Животът на батерията е силно повлиян от плътността на електролита, ако g = 1,25 g / cm ³ , експлоатационният живот е с 30 … 40% по-дълъг, отколкото когато g = 1,30 g / cm ³ . Повече от 65% от всички батерии се провалят поради унищожаването на положителните плочи.

Основните повреди на батерията

За пуснатите в момента акумулаторни батерии съотношението на различните неизправности е (приблизително), 42 %: корозия на решетка с положителен електрод ; флотация на активната маса и затваряне на долните ръбове на електродите – 35.5%; покълване на сепаратори от минпласт и унищожаване на сепаратори от мипор – 16%; други неизправности – 6.5. % Нека да разгледаме тези недостатъци.

Корозия на положителна електродна решетка. По време на работа решетката с положителен електрод, състояща се от олово с различни примеси (антимон, калций, сребро, арсен), се окислява и губи своята механична якост. Процесът на корозия се ускорява чрез понижаване на температурата на електролита, плътността на тока на заряда и други условия, които допринасят за отделянето на кислород (например поради електролитичното разлагане на водата при презареждане).

Плаване на активната маса от положителни електроди. Същността на това явление е отпадането от електродите на най-малките кристали и зърната на PbO ₂ (с размер под 0,1 mm). Проучванията показват, че наводнението се влияе главно от плътността на тока и концентрацията на електролити по време на разреждане. Например, увеличаването на плътността на електролита с приблизително 0,2 g / cm ³ намалява живота на активната маса с 8 … 10 пъти, а увеличаването на плътността на тока на заряда от 0,65 до 1,8 A / dm 2 намалява тази цифра с почти 50 %, Температурата на електролита също е много повлияна от плаващата активна маса.

Изкривяване на електрода.Този процес се причинява главно от прегряване на акумулаторните и разрядните токове с висока плътност. Изразява се в надлъжното огъване на електродите (със стрелка на огъване до 3… 4 mm).

Разделяне покълване и късо съединение. Подуването на активната маса на положителните електроди и нейните плавания причинява неблагоприятни ефекти. Често подутата активна маса запълва сепараторите с най-голям диаметър на порите и през тях се образуват мостове, което води до частично затваряне на електродите и драстично увеличава саморазряда на батериите.

Необратимо сулфатиране. Под необратима сулфация на електродите се разбира тяхното състояние, когато те не се зареждат, докато предават нормален заряден ток за определен период от време. Проявлението на това явление върху отрицателния електрод е наличието на повърхността му на твърд слой оловен сулфат. Активният материал на такива електроди е твърд и пясъчен.

Поради сулфатирането електродите губят капацитета си и батерията става неизползваема. Необратимото сулфатиране може да бъде причинено от непълно образуване на електродите, високо саморазреждане под въздействието на различни примеси или късо съединение, систематично недопълване на батериите, продължително зареждане на батериите в незарядно състояние, намаляване на нивото на електролита спрямо горните ръбове на електродите.

Саморазреждане. Причината за това явление е запушването на активната маса от примеси, които образуват локални електронни двойки. появата на високо устойчиви електроди с късо съединение (напр. по време на покълване на сепаратора) и замърсяване на акумулатора.

Батерия.Проверка на батерията

Аерометърът е уред, с който се измерва плътността на електролита и така дава информация за разреждането на акумулатора. Ниски стойности означават, че акумулаторът е разреден. Състои се от стъклена тръба, на която в единия край е вкарана тапа с тънка тръбичка в нея, а другият влиза в гумен балон. За измерване се стиска балона, така че да излезе въздухът, вкарва се тръбичката в отвора на клетката, така че да опре до плочите и се отпуска, при което уредът се напълва с електролит до колкото е необходимо да се повдигне поплавъкът от дъното. Нивото на течността показва върху скалата на поплавъка плътността на електролита. Съществуват и ареометри с повече поплавъци.

 

Фиг.1.3

Волтметърът служи за измерване на напрежението на акумулатора. Напрежението се измерва при изключен двигател и дава приблизителна оценка на степента на разреждане:

Напрежение	Плътност	~ Заряд
12,65 V	1,265 g/cm³	100%
12,45 V	1,225 g/cm³	75%
12,24 V	1,190 g/cm³	50%
12,06 V	1,155 g/cm³	25%
11,89 V	1,120 g/cm³	0%

Таб.11.2

Поддръжката на батериите се извършва с честотата на поддръжка на целия автомобил: на всеки 3 … 4 хиляди км пробег, извършен от работата, принадлежаща към номенклатурата на работи TO-1, и на всеки 12 … 14 хиляди км – работа TO-2 за акумулаторни батерии.

Електролитна плътност

g ₂₅ = g _t +0,00075 (25-T)

където g _25, g _t – плътността на електролита, измерена съответно при температура t = + 25 ⁰ С и различна от нея; T е температурата на електролита, ⁰ С.

Степента на разреждане се определя от плътността на електролита,в (%:)

 

където g ₃ – плътността на електролита на напълно заредена батерия,

g / cm ³ , g _p = 1,10 g / cm ³ , g ₂₅ – измерена плътност, намалена до температура от +25 ⁰ C, g / cm ³.Електролитът се приготвя в следната последователност: първо изсипете необходимия обем дестилирана вода в съда, устойчив на киселини, и след това постепенно изсипете съответния обем сярна киселина в него с малък поток. Не наливайте вода в киселина, за да предотвратите инциденти. Когато се комбинира с вода, сярната киселина отделя голямо количество топлина. Ако излеете вода в киселина, която има плътност 1,8 пъти по-голяма от водата, тогава водата тече по киселата повърхност, затопля се бързо, за да образува пара, и се напръсква с киселината. Ако излеете киселина във водата, киселината се потапя в нейната дебелина, в резултат на което полученият електролит дава топлина на водата и няма пръскане.Методи за зареждане на батерии. По време на работа акумулаторните батерии могат да се зареждат от всеки източник на постоянен ток, при условие че тяхното напрежение е по-голямо от това на акумулаторната батерия. За да се зареди, положителният полюс на източника на ток трябва да бъде свързан към положителния полюс на заредената батерия, а отрицателният – към отрицателния. Когато напреженията на зарядното устройство и батерията са еднакви, токът за зареждане ще бъде нулев. Когато напрежението на батерията е по-малко от напрежението на зарядното, токът на зареждане е по-голям от нула; в противен случай, т.е. когато напрежението на батерията е по-голямо от напрежението на зарядното устройство, токът променя посоката и батерията се разрежда.

 

Фиг.1.4. Методи за зареждане

В зависимост от системата за управление процесът на зареждане може да се извърши по различни методи. В случай на зареждане с постоянен ток, батериите със същия капацитет са свързани последователно в групи Зарядният ток се определя по формулата:

& C. = (0,05 – 0,1) С

където C е номиналният капацитет на батерията, A × h.

По-големи токове за зареждане се вземат за използване на батерии повече от година, по-малки стойности за батерии, които да се използват по-малко от година.където i n е номиналният ток на зарядното устройство.Ако напрежението на батерията достигне 2.7V (16.2V на 12V батерия), зареждането ще продължи 1 … 2 часа; в този случай е възможно да се гарантира 100% без презареждане на новата батерия. Когато този метод се използва за зареждане на използваната батерия, зареждането се спира след достигане на напрежение 2,7 V на батерията (16,2 V в 12 V батерия).

В случай на зареждане с постоянен ток ,батериите или техните групи се свързват паралелно към източника на захранване. Зарядното напрежение се поддържа постоянно на 2,35 … 2,40 V на батерия. При това напрежение в началото на тока на заряда на газ (електролит) ще има стойност, която не е опасна за унищожаването на активната маса на плочите.В началото на зареждането на напълно разредена батерия, токът за зареждане може да достигне (0,5 … 1,0) C 20 и в този случай се препоръчва леко да се спусне UJ . В процеса на зареждане EMF на батерията се увеличава и токът на зареждане А bc = (U j -E b ) автоматично намалява. Препоръчително е да използвате този метод за зареждане на използваните батерии. Предимството му е, че няма нужда да се контролира токът на зареждане.В случай на зареждане на батериите чрез ускорено зареждане , токът съответства на 70% от номиналния капацитет. Колкото времето за зареждане е по-ниско, толкова по-голям е токът. На практика продължителността на зареждане с мощност 0,7 C 20 не трябва да надвишава 30 min, 0,5C 20 – 45 min и 0,3 C 20 – 90 min.В процеса на принудително зареждане трябва да се следи температурата на електролита и при достигане на 45 ° С да се спре по-нататъшното зареждане. Трябва да се отбележи, че принудителното зареждане се използва като изключение, защото когато се повтаря систематично за една и съща батерия, животът на батерията й ще бъде забележимо по-кратък.

Изравняващото зареждане се извършва при постоянен ток, който съответства на 10% от номиналния капацитет, както и зареждане при постоянен ток, но за по-дълго време от обикновено. Целта му е да осигури в акумулатора пълно възстановяване на активните маси върху всички електроди на всички батерии. Изравняващият заряд неутрализира въздействието на дълбоките разряди върху отрицателните електроди и затова се препоръчва като средство за премахване на сулфатирането на плочите. Зареждането продължава докато всички батерии имат постоянна електролитна плътност и напрежение в продължение на 3 часа.