Что такое эдс батареи на зарядном устройстве

Первым делом разберемся с определением. Что означает эта аббревиатура?

ЭДС или электродвижущая сила – это параметр характеризующий работу любых сил не электрической природы, работающих в цепях где сила тока как постоянного, так и переменного одинакова по всей длине. В сцепленном токопроводящем контуре ЭДС приравнивается работе данных сил по перемещению единого плюсового (положительного) заряда вдоль всего контура.

Ниже на рисунке представлена эдс формула.

Аст – означает работу сторонних сил в джоулях.

q – это переносимый заряд в кулонах.

Сторонние силы – это силы которые выполняют разделение зарядов в источнике и в итоге образуют на его полюсах разность потенциалов.

Для этой силы единицей измерения является вольт . Обозначается в формулах она буквой « E».

Только в момент отсутствия тока в батареи, электродвижущая си-а будет равна напряжению на полюсах.

ЭДС индукции:

ЭДС индукции в контуре, имеющем N витков:

При движении:

Электродвижущая сила индукции в контуре, крутящемся в магнитном поле со скоростью w :

Таблица значений

Простое объяснение электродвижущей силы

Предположим, что в нашей деревне имеется водонапорная башня. Она полностью наполнена водой. Будем думать, что это обычная батарейка. Башня — это батарейка!

Вся вода будет оказывать сильное давление на дно нашей башенки. Но сильным оно будет только тогда, когда это строение полностью наполнено H 2 O.

В итоге чем меньше воды, тем слабее будет давление и напор струи будет меньше. Открыв кран, заметим, что каждую минуту дальность струи будет сокращаться.

В результате этого:

1. Напряжение – это сила с которой вода давит на дно. То есть давление.
2. Нулевое напряжение — это дно башни.

С батареей все аналогично.

Первым делом подключаем источник с энергией в цепь. И соответственно замыкаем ее. Например, вставляем батарею в фонарик и включаем его. Изначально заметим, что устройство горит ярко. Через некоторое время его яркость заметно понизится. То есть электродвижущая сила уменьшилась (вытекла если сравнивать с водой в башне).

Если брать в пример водонапорную башню, то ЭДС это насос качающие воду в башню постоянно. И она там никогда не заканчивается.

Эдс гальванического элемента – формула

Электродвижущую силу батарейки можно вычислить двумя способами:

• Выполнить расчет с применением уравнения Нернста. Нужно будет рассчитать электродные потенциалы каждого электрода, входящего в ГЭ. Затем вычислить ЭДС по формуле.
• Посчитать ЭДС формуле Нернста для суммарной ток образующей реакции, протекающей при работе ГЭ.

Таким образом вооружившись данными формулами рассчитать электродвижущую силу батарейки будет проще.

Где используются разные виды ЭДС?

1. Пьезоэлектрическая применяется при растяжении или сжатии материала. С помощью нее изготавливают кварцевые генераторы энергии и разные датчики.
2. Химическая используется в и аккумуляторах.
3. Индукционная появляется в момент пересечения проводником магнитного поля. Ее свойства применяют в трансформаторах, электрических двигателях, генераторах.
4. Термоэлектрическая образуется в момент нагрева контактов разнотипных металлов. Свое применение она нашла в холодильных установках и термопарах.
5. Фото электрическая используется для продуцирования фотоэлементов.

ЭДС аккумулятора (Электродвижущая сила) это разность электродных потенциалов при отсутствии внешней цепи. Электродный потенциал складывается из равновесного электродного потенциала. Он характеризует состояние электрода в состоянии покоя, то есть отсутствии электрохимических процессов, и потенциала поляризации, определяющемуся как разность потенциалов электрода при зарядке (разрядке) и при отсутствии цепи.

Процесс диффузии.

Благодаря процессу диффузии, выравниванию плотности электролита в полости корпуса аккумулятора и в порах активной массы пластин, электродная поляризация может сохраняться в аккумуляторе при отключении внешней цепи.

Скорость прохождения диффузии напрямую зависит от температуры электролита, чем выше температура, тем быстрее проходит процесс и может сильно отличаться по времени, от двух часов до суток. Наличие двух составляющих электродного потенциала при переходных режимах привело к разделению на равновесную и не равновесную ЭДС аккумулятора .
На равновесную ЭДС аккумулятора влияет содержание и концентрация ионов активных веществ в электролите, а так же химические и физические свойства активных веществ. Главную роль в величине ЭДС играет плотность электролита и практически не влияет на неё температура. Зависимость ЭДС от плотности можно выразить формулой:

Где Е – ЭДС аккумулятора (В)

Р – плотность электролита приведённая к температуре 25 гр. С (г/см3) Эта формула истинна при рабочей плотности электролита в пределах 1,05 – 1,30 г/см3. ЭДС не может характеризовать степень разрежённости аккумулятора напрямую. Но если замерить его на выводах и сравнить с расчётным по плотности, то можно, с долей вероятности, судить о состоянии пластин и ёмкости.
В состоянии покоя плотность электролита в порах электродов и полости моноблока одинаковы и равны ЭДС покоя. При подключении потребителей или источника заряда, изменяется поляризация пластин и концентрация электролита в порах электродов. Это приводит к изменению ЭДС. При заряде значение ЭДС увеличивается, а при разряде уменьшается. Это связано с изменением плотности электролита, который участвует в электрохимических процессах.

Если замкнуть внешнюю цепь заря­женного аккумулятора, появится элек­трический ток. При этом происходят сле­дующие реакции:

у отрицательной пластины

у положительной пластины

где е — заряд электрона, равный

На каждые две молекулы расходуе­мой кислоты образуются четыре моле­кулы воды, но в то же время расходуют­ся две молекулы воды. Поэтому в итоге имеет место образование только двух молекул воды. Складывая уравнения (27.1) и (27.2), получаем реакцию разряда в окончательном виде:

Уравнения (27.1) — (27.3) следует чи­тать слева направо.

При разряде аккумулятора на пласти­нах обеих полярностей образуется сульфат свинца. Серная кислота расхо­дуется как у положительных, так и у отри­цательных пластин, при этом у поло­жительных пластин расход кислоты больше, чем у отрицательных. У поло­жительных пластин образуются две мо­лекулы воды. Концентрация электро­лита при разряде аккумулятора сни­жается, при этом в большей мере она снижается у положительных пластин.

Если изменить направление тока че­рез аккумулятор, то направление хими­ческой реакции изменится на обратное. Начнется процесс заряда аккумулятора. Реакции заряда у отрицательной и поло­жительной пластин могут быть пред­ставлены уравнениями (27.1) и (27.2), а суммарная реакция — уравнением (27.3). Эти уравнения следует теперь читать справа налево. При заряде сульфат свинца у положительной пластины вос­станавливается в перекись свинца, у от­рицательной пластины — в металличе­ский свинец. При этом образуется серная кислота и концентрация электролита повышается.

Электродвижущая сила и напря­жение аккумулятора зависят от мно­жества факторов, из которых важней­шими являются содержание кислоты в электролите, температура, ток и ею направление, степень заряженности. Связь между электродвижущей силой, напряжением и током может быть запи-

сана следующим образом:

при разряде

где Е 0 — обратимая ЭДС; E п — ЭДС по­ляризации; R — внутреннее сопротивле­ние аккумулятора.

Обратимая ЭДС — это ЭДС идеаль­ного аккумулятора, в котором устра­нены все виды потерь. В таком аккумуля­торе энергия, полученная при заряде, полностью возвращается при разряде. Обратимая ЭДС зависит только от со­держания кислоты в электролите и темпе­ратуры. Она может быть определена аналитически, исходя из теплоты образо­вания реагирующих веществ.

Реальный аккумулятор находится в условиях, близких к идеальным, если ток ничтожно мал и продолжитель­ность его прохождения также мала. Такие условия можно создать, если уравновесить напряжение аккумулятора некоторым внешним напряжением (эта­лоном напряжения) с помощью чувстви­тельного потенциометра. Напряжение, измеренное таким образом, называется напряжением при разомкнутой цепи. Оно близко к обратимой ЭДС. В табл. 27.1 приведены значения этого напряжения, соответствующие плотности электро­лита от 1,100 до 1,300 (отнесены к тем­пературе 15°С) и температуре от 5 до 30 °С.

Как видно из -таблицы, при плотности электролита 1,200, обычной для стацио­нарных аккумуляторов, и температуре 25 °С напряжение аккумулятора при разомкнутой цепи равно 2,046 В. В про­цессе разряда плотность электролита несколько снижается. Соответствующее снижение напряжения при разомкнутой цепи составляет всего несколько сотых долей вольта. Изменение напряжения при разомкнутой цепи, вызванное измене­нием температуры, ничтожно мало и представляет скорее теоретический ин­терес.

Если через аккумулятор проходит некоторый ток в направлении заряда или разряда, напряжение аккумулятора изменяется вследствие внутреннего па­дения напряжения и изменения ЭДС, вызванного побочными химическими и физическими процессами у электродов и в электролите. Изменение ЭДС акку­мулятора, вызванное указанными необ­ратимыми процессами, называется по­ляризацией. Основными причинами поляризации в аккумуляторе являются изменение концентрации электролита в порах активной массы пластин по отно­шению к концентрации его в осталь­ном объеме и вызываемое этим изме­нение концентрации ионов свинца. При разряде кислота расходуется, при заряде образуется. Реакция происходит в порах активной массы пластин, и приток или удаление молекул и ионов кислоты происходит через диффузию. Последняя может иметь место только при наличии некоторой разности концентраций элек­тролита в области электродов и в осталь­ном объеме, которая устанавливается в соответствии с током и температурой, определяющей вязкость электролита. Изменение концентрации электролита в порах активной массы вызывает измене­ние концентрации ионов свинца и ЭДС. При разряде вследствие понижения концентрации электролита в порах ЭДС уменьшается, а при заряде вследствие повышения концентрации электролита ЭДС повышается.

Электродвижущая сила поляризации направлена всегда навстречу току. Она зависит от пористости пластин, тока и

температуры. Сумма обратимой ЭДС и ЭДС поляризации, т. е. Е 0 ± Е п , представ­ляет собой ЭДС аккумулятора под током или динамическую ЭДС. При разряде она меньше обратимой ЭДС, а при заряде — больше. Напряже­ние аккумулятора под током отличается от динамической ЭДС только на значе­ние внутреннего падения напряжения, которое относительно мало. Следова­тельно, напряжение аккумулятора под током также зависит от тока и темпе­ратуры. Влияние последней на напряже­ние аккумулятора при разряде и заряде значительно больше, чем при разомкну­той цепи.

Если разомкнуть цепь аккумулятора при разряде, напряжение его медленно увеличится до напряжения при разомкну­той цепи вследствие продолжающейся диффузии электролита. Если разомкнуть цепь аккумулятора при заряде, напряже­ние его медленно уменьшится до напря­жения при разомкнутой цепи.

Неравенство концентраций электро­лита в области электродов и в остальном объеме отличает работу реального акку­мулятора от идеального. При заряде аккумулятор работает так, как если бы он содержал очень разбавленный элек­тролит, а при заряде — очень концентри­рованный. Разбавленный электролит все время смешивается с более концентри­рованным, при этом некоторое коли­чество энергии выделяется в виде тепла, которое при условии равенства кон­центраций могло бы быть использовано. В результате энергия, отданная акку­мулятором при разряде, меньше энергии, полученной при заряде. Потеря энергии происходит вследствие несовершенства химического процесса. Этот вид потерь является основным в аккумуляторе.

Внутреннее сопротивление аккумуля­ тора. Внутреннее сопротивление сла­гается из сопротивлений каркаса пластин, активной массы, сепараторов и электро­лита. Последнее составляет большую часть внутреннего сопротивления. Со­противление аккумулятора увеличивает­ся при разряде и уменьшается при заряде, что является следствием изменения кон­центрации раствора и содержания суль-

фата в активной массе. Сопротивле­ние аккумулятора невелико и заметно лишь при большом разрядном токе, когда внутреннее падение напряжения достигает одной или двух десятых долей вольта.

Саморазряд аккумулятора. Самораз­рядом называется непрерывная потеря химической энергии, запасенной в акку­муляторе, вследствие побочных реакций на пластинах обеих полярностей, вызван­ных случайными вредными примесями в использованных материалах или при­месями, внесенными в электролит в про­цессе эксплуатации. Наибольшее практи­ческое значение имеет саморазряд, выз­ванный присутствием в электролите различных соединений металлов, более электроположительных, чем свинец, на­пример меди, сурьмы и др. Металлы вы­деляются на отрицательных пластинах и образуют со свинцом пластин мно­жество короткозамкнутых элементов. В результате реакции образуются свин­цовый сульфат и водород, который выде­ляется на металле загрязнения. Самораз­ряд может быть обнаружен по легкому выделению газа у отрицательных пластин.

На положительных пластинах само­разряд происходит также вследствие обычной реакции между свинцом осно­вы, перекисью свинца и электролитом, в результате которой образуется суль­фат свинца.

Саморазряд аккумулятора проис­ходит всегда: как при разомкнутой цепи, так и при разряде и заряде. Он зависит от температуры и плотности электролита (рис. 27.2), причем с повыше­нием температуры и плотности электро­лита саморазряд увеличивается (потеря заряда при температуре 25 °С и плотности электролита 1,28 принята за 100%). По­теря емкости новой батареи вследствие саморазряда составляет около 0,3% в сутки. С возрастом батареи саморазряд увеличивается.

Ненормальная сульфатация пластин. Свинцовый сульфат образуется на пластинах обеих полярностей при каж­дом разряде, что видно из уравнения реакции разряда. Этот сульфат имеет

тонкое кристаллическое строение и за­рядным током легко восстанавливается в металлический свинец и перекись свин­ца на пластинах соответствующей по­лярности. Поэтому сульфатация в этом смысле — нормальное явление, состав­ляющее неотъемлемую часть работы аккумулятора. Ненормальная сульфата­ция возникает, если аккумуляторы под­вергаются чрезмерному разряду, систе­матически недозаряжаются или остают­ся в разряженном состоянии и бездейст­вии в течение длительного времени, а также если они работают с чрезмерно высокой плотностью электролита и при высокой температуре. В этих условиях тонкий кристаллический сульфат стано­вится более плотным, кристаллы растут, сильно расширяя активную массу, и трудно восстанавливаются при заряде вследствие большого сопротивления. Если батарея находится в бездействии, образованию сульфата способствуют колебания температуры. При повышении температура мелкие кристаллы суль­фата растворяются, а при последующем ее понижении сульфат медленно вы­кристаллизовывается и кристаллы рас­тут. В результате колебаний температу­ры крупные кристаллы образуются за счет мелких.

У сульфатированных пластин поры закупорены сульфатом, активный мате­риал выдавливается из решеток и пласти­ны часто коробятся. Поверхность суль­фатированных пластин становится жест­кой, шероховатой, и при растирании

материала пластин между пальцами ощущается как бы песок. Темно-корич-невые положительные пластины стано-вятся светлее, и на поверхности высту-пают белые пятна сульфата. Отрицательные пластины становятся твердыми, желовато-серыми. Емкость сульфатиро-шнного аккумулятора понижается.

Начинающаяся сульфатация может быть устранена длительным зарядом лалым током. При сильной сульфатации необходимы особые меры для приведе-гая пластин в нормальное состояние.

Эксплуатация, зарядка, хранение аккумуляторной батареи ч.1

Содержание:
1. Техническое отступление
2.Основные характеристики аккумуляторных батарей
2.1. Расход воды
2.2. Долговечность батареи
2.3. Рекомендации по эксплуатации
3. Терминология
4. Маркировка АКБ
5. Выбор и покупка АКБ
6. Установка АКБ
7. Рекомендации по эксплуатации и обслуживанию
7.1. Обслуживание АКБ в процессе эксплуатации
7.2. Продление жизни новой батарее
7.3. Зарядка аккумулятора зарядным устройством
8. Особенности эксплуатации АКБ в зимний период
8.1. Прикуривание от другого автомобиля
9. Особенности эксплуатации АКБ в летний период
10. Вопросы безопасности
11. Хранение аккумуляторной батареи
12. Приложения
12.2. Реанимация аккумулятора
12.4. Ещё несколько способов, основанных на использовании электрического тока

1. Техническое отступление
Назначение автомобильной аккумуляторной батареи понятно каждому мало-мальски сведущему в технических вопросах автолюбителю. С первой ее функцией — обеспечением запуска двигателя — мы сталкиваемся каждый день. Есть и вторая — реже применяемая, но от того не менее значимая — использование в качестве аварийного источника питания при выходе из строя генератора. Кроме того, на современных автомобилях с инжекторным впрыском аккумулятор выполняет роль сглаживателя пульсаций напряжения, выдаваемого генератором. Из этого следует, что следует крайне осторожно относиться к отключению аккумулятора на работающем двигателе. Карбюраторному двигателю ничего не будет, а вот как поведёт себя компьютер, управляющий распределённым впрыском — одному богу известно… Можно загубить компьютер.
Все стартерные батареи, выпускаемые в настоящее время для автомобилей, являются свинцово-кислотными. В основу их работы заложен известный еще с 1858 г., и по сей день остающийся практически неизменным принцип двойной сульфатации.

Как наглядно видно из формулы, при разряде батареи (стрелка вправо) происходит взаимодействие активной массы положительных и отрицательных пластин с электролитом (серной кислотой), в результате чего образуется сульфат свинца, осаждающийся на поверхности отрицательно заряженной пластины и вода. В итоге плотность электролита падает. При зарядке батареи от внешнего источника происходят обратные электрохимические процессы (стрелка влево), что приводит к восстановлению на отрицательных электродах чистого свинца и на положительных — диоксида свинца. Одновременно с этим повышается плотность электролита.
Любая автомобильная батарея представляет из себя корпус — контейнер, разделенный на шесть изолированных ячеек — банок (см. рис.1).

Любая автомобильная батарея представляет из себя корпус — контейнер, разделенный на шесть изолированных ячеек — банок

Каждая банка является законченным источником питания напряжением порядка 2.1 В. В банке находится набор положительных и отрицательных пластин, отделенных друг от друга сепараторами. Как известно из школьного курса физики, две разнозаряженные пластины уже сами по себе являются источником постоянного напряжения, параллельное же их соединение увеличивает ток. Последовательное соединение шести банок и дает батарею с напряжением порядка 12.6-12.8 В. Любая из пластин, как положительная, так и отрицательная, есть ни что иное, как свинцовая решетка, заполненная активной массой. Активная масса имеет пористую структуру с тем, чтобы электролит заходил в как можно более глубокие слои и охватывал больший ее объем. Роль активной массы в отрицательных пластинах выполняет свинец, в положительных — диоксид свинца.
Вес залитой АКБ ёмкостью 55 Ач составляет около 16.5 кг. Эта цифра складывается из массы электролита — 5кг (что соответствует 4,5 л), массы свинца и всех его соединений — 10 кг, а также 1 кг, приходящегося на долю бака и сепараторов.

2. Основные характеристики аккумуляторных батарей

2.0. Электродвижущая сила (ЭДС)
Зависимость ЭДС (грубо говоря, напряжение на выводах аккумулятора) от плотности электролита выглядит так:

Е = 6 * (0,84 + р), где Е — ЭДС аккумулятора, (В) р — приведенная к температуре 5°С плотность электролита, г/мл

2.1. Расход воды
Показатель, имеющий непосредственное отношение к степени обслуживаемости батареи. Определяется в лабораторных условиях. Батарея считается необслуживаемой, если она имеет очень низкий расход воды в эксплуатации. Необслуживаемые батареи не требуют доливки дистиллированной воды в течении года и более при условии исправной работы регулятора напряжения.
На расход воды прямое влияние оказывает процентное содержание сурьмы в свинцовых решетках пластин. Как известно, сурьма добавляется для придания пластинам достаточной механической прочности. Однако у каждой медали есть обратная сторона. Сурьма способствует расщеплению воды на кислород и водород, следствием чего является выкипание воды и снижение уровня электролита. В батареях предыдущего поколения содержание сурьмы доходило до 10%, в современных этот показатель снижен до 1.5 %.
Панацею от этой беды фирмы видят в освоении т.н. гибридной технологии — замене сурьмы в одной из пластин на кальций. Кальций в решетке является веществом нейтральным по отношению к воде, не снижая при этом механической прочности решеток. А потому разложения воды не происходит и уровень электролита остается неизменным.
Преимущества "кальциевых" АКБ — можно устанавливать в местах, не не требующих удобного доступа для обслуживания. Меньше вероятность выхода из строя из-за коррозии решеток электродов. Лучшие стартерные характеристики.
Недостаток "кальциевых" АКБ — при глубоких разрядах происходит образование нерастворимых солей кальция, и емкость АКБ необратимо теряется. Производители АКБ пытаются устранить этот недостаток добавлением в АКБ серебра и др. компонентов, результат пока окончательно не ясен.

2.2. Долговечность батареи
Средний срок службы современных АКБ при условии соблюдения правил эксплуатации — а это недопущение глубоких разрядов и перезарядов, в том числе по вине регулятора напряжения — составляет 4-5 лет.
Наиболее губительными для батарей являются глубокие разряды. Оставленные на ночь включенными световые приборы, либо другие потребители способны разрядить ее до плотности 1.12 — 1.15 г/см3, т.е. практически до воды, что приводит к главной беде аккумуляторов — сульфатации свинцовых пластин. Пластины покрываются белым налетом, который постепенно кристаллизуется, после чего батарею практически невозможно восстановить. Отсюда вытекает главный вывод — необходимо постоянно следить за состоянием батареи, периодически замерять плотность электролита. Особенно актуально это в зимнее время. Следует отметить, что сульфатация в определенных пределах — явление нормальное и присутствует всегда. (Вспомните — на основе теории двойной сульфатации построен принцип работы батарей). Но при малом разряде и последующей зарядке батарея легко восстанавливается до исходного состояния. Это возможно и при глубоком разряде батареи, но только в том случае, если следом сразу, же последует заряд. Если же разряжать батарею длительное время, не давая ей "подпитки", то падение плотности, ниже критического значения неизбежно приводит к образованию кристаллов сульфата свинца, не вступающих в реакцию ни при каких обстоятельствах. А это означает, что начался необратимый процесс сульфатации.
Не менее опасен для батареи и перезаряд. Это происходит при неисправном регуляторе напряжения. При этом электролит начинает "кипеть" — происходит разложение воды на кислород и водород, и понижение уровня электролита. Вот почему необходимо следить за зарядным напряжением. Естественно, это не составляет труда, если на панели приборов присутствует вольтметр. Ну а если его нет? В этом случае также можно довольно просто оценить зарядное напряжение. Для этого запустите и прогрейте двигатель, установив средние обороты и подключите тестер (в режиме вольтметра) между "+" и "массой" аккумуляторной батареи. Нормальный зарядный режим батареи обеспечивается в диапазоне 14±0.5В. Если напряжение меньше — стоит проверить натяжение ремня, надежность контактных соединений цепей системы электроснабжения. Если же это не помогает — неисправность нужно искать в регуляторе напряжения. Впрочем, точно также вина ложится на регулятор, если напряжение превышает 14.5В.
В последнее время широкое распространение получили сепараторы карманного типа — т.н. конвертные сепараторы. Их название говорит за себя — в эти конверты помещают одноименно заряженные пластины. Такая конструкция увеличивает срок службы батареи, так как осыпающаяся в процессе эксплуатации активная масса остается в конверте, тем самым предотвращается замыкание пластин.

2.3. Рекомендации по эксплуатации
Батарея, не эксплуатировавшаяся в течении длительного времени (4-5 мес.) нуждается в подзарядке. Связано это с тем, что батареям свойственно такое явление, как саморазряд. На графиках рис.2,3 показаны характеризующие саморазряд величины для различных батарей. В первом случае — это снижение плотности от времени хранения, во втором — падение напряжения.

это снижение плотности от времени хранения падение напряжения

Впрочем, зачастую подзарядки требует и находящаяся в эксплуатации батарея. Плотность полностью заряженной батареи составляет 1.27- 1.28 г/см3, напряжение — 12.5 В. О степени разряженности батареи судят по плотности электролита. Чем ниже плотность электролита, тем сильнее батарея разряжена. Уменьшение плотности на 0.01 г/см3 по сравнению с номинальной означает, что батарея разрядилась примерно на 6 — 8%. Используя график (см. рис.4) можно оценить зависимость степени разряженности батареи от плотности. Степень разряженности определяют по той банке, в которой плотность электролита минимальная. Всем известна аксиома, тем не менее, позволим повторить ее еще раз — батарею, разряженную летом более чем на 50%, а зимой более чем на 25%, необходимо снять с автомобиля и зарядить. При этом следует помнить, что пониженная плотность зимой более опасна, т.к. кроме всего прочего может привести к замерзанию электролита. Так, при плотности электролита 1.2 г/см3 температура его замерзания составляет около -20°С.
Также необходимо подзарядить батарею, если плотность в разных банках отличается более чем на 0.02 г/см3. Оптимальной является зарядка батареи током, равным 0.05 от ее ёмкости. Для батареи с ёмкостью 55 Ач эта величина составляет 2.75 А. Чем меньше зарядный ток, тем глубже заряд. Однако не стоит впадать в крайность — при совсем низком токе батарея просто не "закипит", к тому же время зарядки будет несравнимо большим. Наоборот, при очень большом токе батарея "закипит" значительно быстрее, но при этом не успеет зарядиться на все 100%. Признаками окончания зарядки служит бурное выделение газа (т.н. "кипение") и неизменяющаяся на протяжении 1-2 часов плотность электролита.
Для ориентировочной оценки времени, требуемого на зарядку батареи, можно воспользоваться следующим алгоритмом.

Первоначально, используя график (рис.4) необходимо определить степень разряженности батареи, исходя из реальной плотности АКБ, замеренной ареометром. Далее по степени разряженности определяем потерянную ёмкость (или ёмкость, которую необходимо принять батарее).
Затем, выбрав величину зарядного тока, вычисляем ориентировочное время зарядки по формуле:

ориентировочное время зарядки

Тут следует отметить, что не вся энергия идет на повышение ёмкости. КПД процесса составляет 60-80%, остальное тратится на нагрев, а также связанные с этим электрохимические процессы. Потому реальное время увеличивается примерно в полтора раза от расчетного (что и учитывается коэффициентом "1.5" в формуле).

Нужно сказать, что использование данного алгоритма оправдано лишь для облегчения процедуры, но ни в коей мере не избавляет от контроля за ходом зарядки. Процесс заряда, а особенно его окончание Вам необходимо контролировать самому, дабы не прозевать начало бурного кипения.
Другой вариант — использование для этих целей автоматических зарядных устройств, отличающихся тем, что зарядка идет при постоянном напряжении, но автоматически изменяющемся в зависимости от степени заряженности батареи токе. При этом зарядное устройство перестает давать ток, если батарея полностью заряжена. Принцип, используемый в подобных устройствах аналогичен зарядке от генератора на автомобиле.
Для примера определим время зарядки батареи ёмкостью 55 Ач током в 5А, плотность которой составляет 1.25 г/см3. Как видно из графика, при данной плотности батарея разряжена на 25%, что означает потерю ёмкости на величину

Таким образом, примерное время зарядки

Каждодневным способом зарядки батареи является ее заряд от бортовой сети автомобиля (естественно, при условии исправности последней). При данном способе, во первых, невозможен перезаряд, а во-вторых, происходит постоянное перемешивание электролита и наиболее полное его проникновение во внутренние слои активной массы.
Однако было бы ошибочным полагать, что заряд батареи начинается сразу же после пуска двигателя и продолжается все время, пока двигатель в работе. Исследования показывают, что батарея начинает принимать заряд только после прогрева электролита до положительной температуры, что при эксплуатации в зимних условиях происходит примерно через час после начала движения. Именно этим и опасен довольно распространенный, по крайней мере, в нашем автомобильном городе, способ эксплуатации транспортных средств. Холодный запуск зимой с получасовым движением до работы, и затем редкие непродолжительные поездки на протяжении рабочего дня не дают прогреться электролиту и, следовательно, зарядиться Вашей батарее. Тем самым разряженность АКБ увеличивается изо дня в день и в итоге может привести к печальному результату. Из этого следует, что зимой необходимо проверять состояние АКБ и своевременно подзаряжать ее регулярно
Физические процессы, происходящие при пуске двигателя, отличаются от процессов при разряде батареи потребителями. При пуске участвует не весь объем активной массы и электролита, а лишь та ее часть, которая находится на поверхности пластин и соприкасающийся с поверхностью пластин электролит. Поэтому, после неудачной попытки запустить двигатель, следует подождать некоторое время для того, чтобы электролит перемешался, плотность его выровнялась, он проник в поры активной массы. Нормальный запуск двигателя при однократном вращении стартера в течении 10с забирает ёмкость 300А х 10с = 3000 Ас = 0.83 Ач, что составляет около 1.5% от ёмкости аккумулятора.
При медленном же разряде участвуют не только поверхностные слои активной массы, но и глубинные, потому и разряд происходит более глубокий. Однако это не означает, что стартерные режимы не так губительны для батареи — стартером точно также можно разрядить батарею до критической величины.
Каковы же признаки выхода из строя батареи? Батарея не заряжается, плотность низкая и не повышается в процессе заряда. Большой саморазряд — батарея зарядилась, но не держит заряд. Можно попытаться потренировать батарею, однако если произошло осыпание активной массы пластин, либо кристаллизация сульфата свинца, то это уже не исправить.
Вообще, освоить способ оценки степени возможной разрядки батареи от каких-либо действий (в том числе и осознанных) не составит большого труда. Необходимо усвоить несколько истин и запомнить несколько цифр.
Батарея начинает принимать заряд лишь только после прогрева электролита до положительной температуры (как вы понимаете, при температуре воздуха -20°С температура электролита в батарее хранящегося на свежем воздухе автомобиля будет примерно такой же.)
Коэффициент полезного действия процесса зарядки составляет примерно 50%.
Каждый автомобильный генератор характеризуется следующими показателями:
ток отдачи генератора при работе двигателя на холостом ходу.
ток отдачи генератора при работе двигателя на номинальных оборотах.
Для ВАЗовских автомобилей эти цифры имеют следующие значения:

Таблица 1
Модель автомобиля…2101-2106…2108-2109…2110
ток отдачи на холостом ходу…16…24…35
ток отдачи на номинальных оборотах 42…55…80

Как видно из таблицы, на последних моделях автомобилей Волжского автозавода устанавливаются генераторы, имеющие характеристики тока отдачи, в два раза превосходящие по величине характеристики генераторов первых моделей.

И наконец, примерное потребление энергии автомобильными потребителями:

Таблица 2
потребитель…ток, А (приблизительно)
зажигание…2
габариты…4
ближний свет…9
дальний свет…12
обогрев стекла…10-11
стеклоподьемник…20-30

вентилятор отопителя:
1-я скорость…5-7
2-я скорость…10-11
стеклоочистители…3-5
магнитола…5
ИТОГО…38-48

Таким образом, оставленные включенными габариты за три часа "съедят" 4А х 3ч= 12 Ач ёмкости батареи, что соответствует разряду приблизительно на 20%. Это не страшно для одного раза. Однако повторив это ещё раз, Вы уже рискуете не завести свою машину, особенно, если дело происходит зимой, т.к. разряд составит порядка 40% (тем более, что к тому же зимой батареи, как правило, эксплуатируются заряженными далеко не на 100%).
Аналогично можно прикинуть, что Вы имеете при продолжительной работе двигателя на холостом ходу. Как уже показано выше, ток отдачи генератора автомобиля ВАЗ-2108 на холостом ходу составляет 24А. Вычитаем из этой величины 2А, необходимые для обслуживания системы зажигания. Остается 22А. Используя таблицу 2, нетрудно прикинуть, что можно включать с тем, чтобы хоть немного досталось бы и аккумулятору (при этом помните про КПД зарядки, составляющий 50%).
Для владельцев иномарок с автоматической коробкой передач картина ещё более сложная. Обычно, стоя в пробке или на светофоре, Вы не переключаетесь на нейтраль, а давите ногой на тормоз. Это понижает обороты двигателя от стандартных 800-900 об./мин. до 600-700 об./мин., что, соответственно понизит ток, выдаваемый генератором, а стоп-сигналы добавят ещё пару ампер потребления тока. Да и обогрев заднего стекла у немцев, например, существенно мощнее, чем у отечественных автомобилей.
Следует знать, что зимние условия эксплуатации автомобиля в принципе очень тяжелы для аккумуляторной батареи. Наверняка будут полезны следующие данные. Результаты проводимых в ГДР исследований говорят о том, что при эксплуатации автомобиля в очень тяжелых условиях (испытания по так называемому режиму "город-зима-ночь") аккумулятор получает порядка 1Ач в час

3. Терминология
Аккумуляторная батарея — один из основных элементов электрооборудования автомобиля, поскольку она накапливает и хранит электроэнергию, обеспечивает запуск двигателя в различных климатических условиях, а также питает электроприборы при неработающем двигателе.
Автомобильные свинцово-кислотные 12-вольтовые АКБ состоят из 6-ти последовательно соединенных элементов (банок), объединенных в общий корпус. Каждая банка имеет газоотвод, конструкции которого могут существенно отличаться.
Электролит представляет собой раствор серной кислоты в дистиллированной воде (для средней полосы России плотностью 1.27-1.28 г/см3 при t=+20°С). Кипение электролита — бурное выделение газа при электролитическом разложении воды с выделением кислорода и водорода. Это происходит во время заряда батареи.
Саморазряд — самопроизвольное снижение ёмкости АКБ при бездействии. Скорость саморазряда зависит от материала пластин, химических примесей в электролите, его плотности, от чистоты верхней части корпуса батареи и продолжительности ее эксплуатации.
Напряжение полностью заряженной аккумуляторной батареи без нагрузки (ЭДС — электродвижущая сила) должно находиться в пределах 12.6-12.9 В. Напряжение в бортовой сети автомобиля при работающем двигателе несколько выше, чем на клеммах АКБ, и должно находиться в пределах 14.0-14.2 В (0,2 В от крайних значений). Значение напряжения ниже 13.8 В ведет к недозаряду батареи, а выше 14.4В — к перезаряду, что одинаково пагубно сказывается на ее сроке службы.
Полярность аккумуляторной батареи — термин, определяющий расположение токосъемных выводов на ее корпусе. На зарубежных батареях полярность может быть прямой или обратной, т. е. ориентировка положительного и отрицательного выводов относительно корпуса может быть различной. По российскому стандарту (если смотреть со стороны выводов) отрицательный (-) должен располагаться справа, положительный (+) слева.
Емкость батареи — способность батареи принимать и отдавать энергию — измеряется в ампер-часах (Ач). Для оценки ёмкости батареи принята методика 20-ти часового разряда током 0.05С20 (т.е. током, равным 5% от номинальной ёмкости). Т.е., если ёмкость батареи 55Ач, то разряжая ее током 2.75 А, она полностью разрядится за 20 часов. Аналогично для батарей ёмкостью 60Ач полный 20-ти часовой разряд произойдет при чуть большем токе разряда — 3А.
Данная характеристика определяет возможность питать потребителей в экстремальной ситуации (при отказе генератора). Характеризуется объемом активной массы.
Значение тока холодного старта при -18°С (по DIN) — Величина тока, которую батарея способна отдать при пуске двигателя при температуре -18°С. Наиболее важная характеристика, напрямую сказывающаяся на пуске двигателя. Ведь при -20°С ток, потребляемый стартером, составляет порядка 300А. (Для пуска в летнее время горячего двигателя этот же показатель равен 100-120А.) Значение стартового тока определяется конструкцией батареи, пластин, сепараторов. Сепараторы карманного типа без каких-либо других дополнений увеличивают напряжение батареи на 0.3В, одновременно улучшая стартовые характеристики. Чем ниже внутреннее сопротивление батареи, тем выше стартовый ток, тем надежнее пуск двигателя при низких температурах.
Резервная ёмкость — время, в течении которого батарея сможет обеспечить работу потребителей в аварийном режиме. Величина резервной ёмкости, выраженная в минутах, последнее время все чаще проставляется изготовителями батарей после значения тока холодного старта.
Корпус современных АКБ изготавливается из пластмассы, в большинстве случаев полупрозрачной, позволяющей контролировать уровень электролита.
Необслуживаемые батареи. Сразу следует оговориться, что этот термин не должен пониматься буквально и восприниматься как руководство к бездействию. Это название говорит об улучшенных потребительских свойствах батареи. Необслуживаемые АКБ требуют долива воды не чаще одного раза в год при условии использования их на автомобилях с исправным электрооборудованием и среднегодовым пробегом 15-20 тыс. км. Встречаются конструкции, исключающие всякое вмешательство на всем протяжении срока службы, но они особенно критичны к состоянию автомобильного электрооборудования.
Большинство необслуживаемых батарей выпускаются заводами-изготовителями, залитыми электролитом. Так как эти батареи имеют значительно меньший саморазряд, они могут храниться от 6 месяцев до 1 года без подзаряда. Саморазряд новых необслуживаемых батарей за 12 месяцев может составить до 50% от номинальной ёмкости.

Как правильно заряжать аккумулятор автомобиля.

Скорее всего, каждый автовладелец со стажем не менее трёх лет сталкивался с ситуацией, когда он не смог завести свою машину по причине того, что аккумулятор полностью разрядился. Вы можете спросить, почему стаж не менее трёх лет? А потому, что средняя продолжительность жизни аккумулятора составляет 3 года. Хотя в отдельных случаях возможна более длительная эксплуатация аккумулятора, но это уже зависит от того, насколько качественно и вовремя он обслуживался.

Правила безопасности при зарядке автомобильного аккумулятора.

Не рекомендуется производить зарядку в жилом помещении по причине того, что из аккумулятора выделяются взрывоопасный газ. Это актуально для обслуживаемых АКБ с пробками.

По этой же причине запрещается курить или производить любые другие работы с открытым огнем или искрообразованием.

Сначала подключается зарядное устройство к клеммам батареи, а потом уже оно включается в сеть. Отключение производится в обратном порядке. Сначала отключаем зарядное устройство (ЗУ) от сети, затем отключаем клеммы. Такой порядок действий позволит избежать образования искры при подключении ЗУ.

В обслуживаемых аккумуляторах обязательно выкручиваем все пробки. Это удобно сделать с помощью обычной монеты номиналом 2 или 5 рублей. После выкручивания пробки нужно положить обратно в отверстия, но не закручивать. Такое положение пробок позволит свободно выходить газам и одновременно защитить батарею от возможного попадания во внутрь неё пыли и грязи. Также это уменьшит потерю электролита при его испарении.

Пробки выкручены и вставлены в свои гнёзда.

Перед выкручиванием пробок обязательно стираем всю пыль и грязь с рабочей поверхности аккумулятора. Это также позволит избежать попадания грязи во внутрь батареи.

Если же зарядка производиться в квартире, то необходимо это делать на балконе с открытым окном или в помещении, где есть вытяжка, например, туалет.

Как определить заряжен или разряжен аккумулятор

Это можно определить по напряжению на контактах и по плотности электролита.

В полностью заряженном аккумуляторе (100% заряда) напряжение на клеммах должно быть 12.7В. В разряженном соответственно 11.7В (0% заряда). Следовательно, каждые 0.1В — это 10% заряда. Эти значения актуальны для температуры аккумулятора 20-25 градусов.

Например, напряжение на контактах равно 12.2В, следовательно, заряд составляет 50%.

Таблица — зависимость степени заряда АКБ от напряжения.

Второй более точный способ определить степень заряда — это определение по плотности электролита. Данный способ подойдет только для обслуживаемых аккумуляторов, в которых есть возможность выкрутить пробки и добраться до электролита.

В качестве электролита в батареях применяют раствор серной кислоты, плотность которого измеряется в г/см3. При разряде плотность электролита снижается. Зная это свойство можно определить степень разряда батареи. Плотность определяется с помощью специального прибора – ареометра.

Плотность полностью заряженной батареи (100%) при 25 °с равна 1.27-1.28 г/см3.

Плотность полностью разряженной батареи (0%) при 25 °с равна примерно 1.1 г/см3.

Зная эти данные, можно вычислить, что примерно каждая сотая единица плотности равна 6% заряда (0.01 г/см3 =6%заряда).

Для примера плотность равна 1,24 г/см3, следовательно, степень заряда составляет 76%.

График -зависимость плотности электролита от температуры.

Таблица -зависимость плотности электролита от температуры.

Перед проверкой плотности электролита обязательно отключаем зарядное устройство и ждем несколько минут. Плотность более точно определяется, когда из электролита не выделяется газ.

Каким током и напряжением следует заряжать аккумулятор

Напряжение заряда у АКБ, изготовленных по разным технологиям, отличается. Но есть общие требования, которые применимы к большинству аккумуляторов.

Самая оптимальная и безопасная зарядка — это выставить ограничение напряжения 14.7В, а силу тока 1/10 от ёмкости АКБ. Допустим ёмкость равна 70 (А*ч), тогда ток, выставляемый при заряде, должен быть 7 ампер.

Качество заряда АКБ и сила тока имеют обратную зависимость, то есть, чем меньше сила тока, тем качественнее будет заряжен аккумулятор и тем медленнее будет происходить его зарядка. Если есть время, то лучше выбрать силу тока еще меньше в размере 1/20 от емкости аккумулятора. Например, для батареи ёмкостью 70 (А*ч) это будет сила тока в 3.5А.

Для необслуживаемых батарей силу тока выбирают не более 1/20 от емкости аккумулятора. Другими словами, если ёмкость равна 60 Ампер*час, то сила тока должна быть 3А. Такая низкая сила тока обусловлена самой конструкцией АКБ. Так как АКБ необслуживаемый, то при кипении электролита выделяемому газу некуда будет выходить и батарею может разорвать давлением газа. Чтобы избежать кипения электролита и выбирают небольшие токи для зарядки.

По мере заряда напряжение будет расти до 14.7 В, а ток будет неизменен пока напряжение не достигнет этого значения. После того как напряжение достигнет значения 14.7В оно перестанет расти так как ограничено настройками ЗУ. При продолжении заряда теперь напряжение ограничено, при этом по мере продолжения заряда будет снижаться сила тока, пока не достигнет значения свидетельствующего об окончании заряда (примерно 1-0.5А). Если в течении двух трех часов сила тока не снижается, то можно считать, что аккумулятор заряжен полностью на данном режиме зарядки.

После окончания зарядки отключаем ЗУ и даем АКБ несколько минут постоять, чтобы электролит перестал выделять газ. Производим замеры плотности.

Если плотность электролита не достигла своих оптимальных значений 1.27-1.28 г/см3, то можно попробовать её поднять с помощью зарядки на более высоком напряжении. Для этого устанавливаем ограничение напряжения в 16.3В, а силу тока не более 1/20 от ёмкости аккумулятора. Силу тока можно выставить ещё меньше до уровня 0.5А. Так АКБ будет медленнее заряжаться, но таким образом снижаем вероятность кипения электролита, а значит риск разрушения пластин батареи. В таком режиме зарядки выдерживаем от одного до четырех часов. Время зависит от того, как быстро плотность электролита придёт в норму.

Если для зарядки используется автоматическое зарядное устройство, то оно само подбирает напряжение и силу тока.

Сколько времени необходимо заряжать аккумулятор

Нет точного определения времени требуемого для полного заряда , так как есть несколько факторов, влияющих на это. Поэтому время заряда может быть от пары часов и до нескольких суток.

Существует 4 основных фактора влияющих на время зарядки АКБ.

• Процент разряженности аккумулятора. Полностью разряженную АКБ по времени придется заряжать намного дольше, чем разряженную на 50%.
• Степень износа батареи. Со временем пластины АКБ осыпаются и её емкость уменьшается. Возьмём для примера изношенную АКБ емкостью 60А*час. Но её ёмкость по факту не будет равна 60А*час, а будет меньше, например, 50-45 А*час. Следовательно, изношенный аккумулятор зарядится быстрее, чем аналогичный, но новый.
• Сила тока и напряжение зарядки. Чем меньше сила тока, тем медленнее происходит зарядка.
• Скорость приема заряда. Например, холодный аккумулятор хуже заряжается. Это связано с тем, что скорость химической реакции (электролиза) зависит от температуры. Поэтому перед зарядкой его необходимо отогреть при комнатной температуре, если он занесен зимой с улицы.

Если для зарядки используется автоматическое зарядное устройство, то оно само определит, когда АКБ заряжена, отключится и сообщит о полном заряде какой-либо индикацией. При зарядке по мере заряда уменьшается разница между ЭДС аккумулятора и зарядным напряжением, вследствие чего снижается ток. При достижении силы тока примерно в 0.5А зарядное устройство прекращает зарядку.

Если заряд производится не в автоматическом режиме, то нужно дождаться момента, когда сила тока опустится до своего минимального значения (примерно 1- 0.5А) и останется на этом уровне около трёх часов не изменяясь. После этого можно отключать ЗУ и замерять плотность электролита.

Понять, что аккумулятор заряжен полностью, можно по двум признакам. Это достижение электролитом плотности 1,27 г/см3 и напряжения на клеммах батареи 12.7В. Замеры плотности и напряжения следует производить после отключения ЗУ и прошествии некоторого времени после зарядки. Нужно, чтобы электролит устоялся и перестал выделять пузырьки газа.

Последствия глубоко разряда АКБ и как его правильно зарядить после этого

При глубоком разряде происходит сульфитация пластин. Крупные кристаллы сульфата свинца (PbSO4) откладываются на положительно заряженных пластинах АКБ, тем самым забивая их. При этом сильно уменьшается площадь поверхности пластин, свободной от кристаллов сульфата свинца. Вследствие чего уменьшается ёмкость аккумулятора. Три, четыре полных разряда и практически все пластины будут забиты, а аккумулятор можно будет выкинуть.

Пластины АКБ забитые кристаллами сульфата свинца.

При штатных режимах работы (заряд – разряд) — образуются кристаллы небольших размеров и при заряде они растворяются в электролите. Таким образом очищаются пластины и ёмкость АКБ восстанавливается. Этого не происходит если произошел глубокий разряд, так как при нормальной зарядке крупные кристаллы сульфата свинца практически не растворяются в электролите. В этом случае для их растворения нужно использовать другой режим зарядки.

Глубоко разряженный аккумулятор следует заряжать напряжением 16,2 — 16.3В и малой силой тока — 1-0.5А. В таком режиме зарядки возможно частичное восстановление его ёмкости. За один цикл восстановить ёмкость и поднять плотность электролита до 1,27 г/см3 не получится. Поэтому, когда электролит на малых токах начал кипеть, то заряд необходимо прекратить и дать отстояться 2-3 часа. После этого опять повторяем зарядку. Этот процесс повторяем несколько раз. Таким образом возможно поднять плотность электролита до состояния полностью заряженного аккумулятора.

Но не следует забывать, что напряжение выше 14.5В подходит не для всех АКБ. К таким относятся гелиевые и гибридные.

Более подробно о растворении сульфата свинца можно прочитать в статье «Восстанавливаем АКБ в домашних условиях«.

Как часто нужно подзаряжать аккумулятор?

Его следует заряжать минимум 2 раза в год, с периодичностью полгода (до зимы, после зимы).

Также после длительных простоев автомобиля, когда он долго не подзаряжался от генератора. Во время простоя АКБ сама по себе медленно разряжается, а также этому способствует включенная сигнализация на авто.

После глубокого разряда, когда забыли выключить фары или магнитолу и т.п.

Шпаргалки к экзаменам и зачётам

Шпаргалки по электрооборудованию — Основные характеристики аккумуляторов и аккумуляторных батарей

Основные характеристики аккумуляторов и аккумуляторных батарей.

ЭДС аккумулятора представляет собой разность электродных потенциалов, измеренную при разомкнутой внешней цепи. Электродный потенциал при ра­зомкнутой внешней цепи состоит из равновесного электродного потенциала и потенциала поляризации. Равновесный электродный потенциал характеризует состояние электрода при отсутствии переходных процессов в электрохимиче­ской системе. Потенциал поляризации определяется как разность между потен­циалом электрода при заряде и разряде и его потенциалом при разомкнутой внешней цепи. Электродная поляризация сохраняется в аккумуляторе и при отсутствии тока после отключения на­грузки от зарядного устройства. Это связано с диффузионным процессом выравнивания концентрации электро­лита в порах электродов и пространст­ве аккумуляторных ячеек. Скорость диффузии невелика, поэтому затуха­ние переходных процессов происходит в течение нескольких часов и даже су­ток в зависимости от температуры электролита. Учитывая наличие двух составляющих электродного потенци­ала при переходных режимах, разли­чают равновесную и неравновесную ЭДС аккумулятора.

Равновесная ЭДС свинцового акку­мулятора зависит от химических и фи­зических свойств активных веществ и концентрации их ионов в электролите. На величину ЭДС влияет плотность электролита и очень незначительно темпе­ратура. Изменение ЭДС в зависимости от температуры составляет менее 3-10-4 В/град. Зависимость ЭДС от плотности электролита в диапазоне 1,05-1,30 г/см 3 выглядит в виде формулы:

где £ — ЭДС аккумулятора, В:

р — приведенная к температуре 5°С плотность электролита, г/см 3 .

С повышением плотности электролита ЭДС возрастает (рис 2.19).

При рабочих плотностях электролита 1,07-1,30 г/см э ЭДС не дает точного представления о степени разряженности аккумулятора, так как ЭДС разряжен­ного аккумулятора с электролитом большей плотности будет выше.

ЭДС не зависит от количества заложенных в аккумулятор активных матери­алов и от геометрических размеров электродов. ЭДС аккумуляторной батареи увеличивается пропорционально числу последовательно включенных аккуму­ляторов т:

Плотность электролита в порах электродов и в моноблоке одинакова у акку­муляторов, находящихся в состоянии покоя. Этой плотности соответствует ЭДС покоя. Вследствии поляризации пластин и изменения концентрации электроли­та в порах электродов относительно концентрации электролита в моноблоке, ЭДС при разряде меньше, а при заряде больше ЭДС покоя. Основной причиной изменения ЭДС в процессе разряда или заряда является изменение плотности электролита, участвующего в электрохимических процессах.

Напряжение аккумулятора отличается от его ЭДС на величину падения на­пряжения во внутренней цепи при прохождении разрядного или зарядного то­ка. При разряде напряжение на выводах аккумулятора меньше ЭДС, а при за­ряде больше.

где £_п — ЭДС поляризации, В; /р — сила разрядного тока. А; г- полное внутреннее сопротивление. Ом; г₀ — омическое сопротивление аккумулятора, Ом.

где /₃ — сила зарядного тока, А.

ЭДС поляризации связана с изменением электродных потенциалов при про­хождении тока и зависит от разности концентраций электролита между элект­родами и в порах активной массы электродов. При разряде потенциалы элект­родов сближаются, а при заряде раздвигаются. Изменением разности концент­раций электролита обусловлено нелинейное снижение напряжения на началь­ном участке b — с (рис. 2.20) разрядной характеристики Up = f(x).

При включении аккумулятора с начальной ЭДС Е₀ на разряд происходит резкий спад напряже­ния на величину ди₀ (участок а — b разрядной характеристики), равную паде­нию напряжения на омическом сопротивлении г₀. Линейному участку с — d раз­рядной характеристики соответствует постоянная разность концентраций элек­тролита между электродами и в порах активной массы электродов. Уменьшение напряжения связано со снижением плотности электролита в моноблоке. На ли­нейном участке ЭДС поляризации име­ет максимальное значение Е_Пт-

При постоянной силе разрядного то­ка в единицу времени расходуется оп­ределенное количество активных ма­териалов. Плотность электролита уменьшается по линейному закону (рис. 2.21, а).

В соответствии с изменением плотности электролита уменьшается ЭДС и напряжение аккумулятора. К концу разряда сернокислый свинец за­крывает поры активного вещества , препятствуя притоку электролита из сосуда и увеличивая электросопротивления электродов. Равновесие нарушается и напряжение начинает резко падать. Аккумуляторные батареи разряжаются только до конечного напряжения U_K р, соответствующего перегибу разрядной характеристики Up=f(T). Разряд прекращается, хотя актив­ные материалы израсходованы не полностью. Дальнейший разряд вреден для аккумулятора и не имеет смысла, так как напряжение становится неустойчивым.

После отключения нагрузки напряжение аккумулятора повышается до значе­ния ЭДС, соответствующего плотности электролита в порах электродов. Затем в течение некоторого времени ЭДС возрастает по мере выравнивания концентра­ции электролита в порах электродов и в объеме аккумуляторной ячейки за счет диффузии. Возможность повышения плотности электролита в порах электродов во время непродолжительного бездействия после разряда используется при пу­ске двигателя. Пуск рекомендуется осуществлять отдельными кратковременны­ми попытками с перерывами в 1-1,5 мин. Прерывистый разряд способствует также лучшему использованию глубинных слоев активных веществ электродов.

В режиме заряда (рис. 2.21, б) напряжение U₃ на выводах аккумулятора воз­растает вследствие внутреннего падения напряжения и повышения ЭДС при увеличении плотности электролита в порах электродов. При возрастании на­пряжения до 2,3 В активные вещества восстанавливаются. Энергия заряда идет на разложение воды на водород и кислород, которые выделяются в виде пу­зырьков газа. Газовыделение при этом напоминает кипение. Его можно умень­шить за счет снижения к концу разряда величины зарядного тока.

Часть положительных ионов водорода, выделяющихся на отрицательном электроде, нейтрализуются электронами. Избыток ионов накапливается на по­верхности электрода и создает перенапряжение до 0,33 В. Напряжение в конце заряда повышается до 2,6-2,7 В и при дальнейшем заряде остается неизменным. Постоянство напряжения в течение 1-2 ч заряда и обильное газовыделение яв­ляются признаками конца заряда.

После отключения аккумулятора от зарядного устройства напряжение падает до значения ЭДС, соответствующе­го плотности электролита в порах, а затем снижается, пока выравниваются плотности электролита в порах пла­стин и в аккумуляторном сосуде.

Напряжение на выводах аккумуля­торной батареи при разряде зависит от силы разрядного тока и температуры электролита.

При увеличении силы разрядного тока 1р напряжение снижается быст­рее (рис. 2.22, а) вследствие большей разности концентраций электролита в аккумуляторном сосуде и в порах электродов, а также большего внут­реннего падения напряжения в бата­рее.

Все зто приводит к необходимости более раннего прекращения разряда батареи. Во избежание образования на электродах крупных нерастворимых кристаллов сульфата свинца разряд батарей прекращают при конечном на­пряжении 1,75 В на одном аккумулято­ре при 20-часовом номинальном ре­жиме. В стартерном режиме разряда током силой ЗС20 при температуре 25°С U_K р = 1,5 В, а при температуре — 18°С U_K р = 1 В.

При понижении температуры увели­чивается вязкость, удельное электро­сопротивление электролита и умень­шается скорость диффузии электро­лита из аккумуляторного сосуда в по­ры активных веществ электродов. По­этому разрядные характеристики U_P = f(x) проходят ниже (рис. 2.22, б, в). При температурах от -40 до -10°С сопро­тивление электролита в 2-3 раза

больше, чем при температуре 25°С. На

рис. 2.23 показано изменение напряжения U₃₀ на 30-й секунде разряда батареи емкостью 55 А-ч с изменением силы разрядного тока.

Среднее значение раз­рядного напряжения за время Тр

Сопро­тивление аккумулятора склады­вается из сопротивления поляризации, электродов, электролита, сепараторов, межэлементных перемычек и других токоведущих деталей. Сопротивление электродов и токоведущих деталей мало изменяется с изменением температуры.

Полным внутренним сопротивлением аккумулятора принято называть сопро­тивление, оказываемое прохождению через аккумулятор постоянного разряд­ного или зарядного тока:

где г_п — сопротивление поляризации.

Сопротивление поляризации уменьшается с увеличение силы тока и возрас­тает с понижением температуры (рис. 2.24).

Омическое сопротивление аккуму­лятора складывается из сопротивле­ний электродов, электролита, сепара­торов, межэлементных перемычек и других токоведущих деталей.

Сопротивление электродов и токове­дущих деталей мало изменяется с изме­нением температуры. Рост внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи с понижением температуры (рис. 2.25) связан, в основном, с увеличением со­противления электролита (рис. 2.26, 2.27 и табл. 2.2) и пропитанных электро­литом сепараторов (рис. 2.28). При тем­пературах от -40 до -10°С сопротивле­ние электролита в 2-3 раза больше, чем при температуре 25°С.

Удельное электросопротивление электролита с увеличением концентрации раствора серной кислоты до определенного уровня снижается, а затем возрас­тает. Так, минимальное удельное электросопротивление 1,33 Ом-см при темпе­ратуре 20°С наблюдается у раствора серной кислоты с концентрацией 30,6%. При дальнейшем увеличении концентрации (или плотности) восстанавливают­ся ионные связи, скорость диссоциации уменьшается, токопроводящих ионов становится меньше и электросопротивление электролита увеличивается.

Начальная концентрация электролита заряженных свинцовых аккумулято­ров обычно составляет 35-42%, т.е. несколько больше концентрации, при ко­торой электросопротивление минимально. Это связано, прежде всего, с необ­ходимостью обеспечения запаса серной кислоты, требуемого для разряда.

Учитывается также снижение концен­трации серной кислоты в электролите в процессе разряда. Слишком малая концентрация электролита в конце разряда ведет к росту внутреннего со­противления, более быстрому паде­нию разрядного напряжения и, как следствие, снижению разрядной ем­кости. Ограничения по повышению концентрации серной кислоты в элек­тролите связаны с ускоренной пасси­вацией электродов при разряде и в процессе хранения аккумуляторов с электролитом.

Сопротивление сепараторов зави­сит от их толщины, пористости и со­противления электролита в порах. Материал и конструкция сепараторов играют особо важную роль при разря­де аккумуляторной батареи стартерными токами в условиях низких тем­ператур.

Омическое сопротивление решеток электродов толщиной 1,5-2 мм нахо­дится в пределах 1,8-2,3 мОм. Губча­тый свинец отрицательных электро­дов имеет удельное электросопроти­вление 1,83-10″* Ом-см, а двуокись свинца положительных электродов — 74-Ю — ‘ Ом-см. Электросопротивление решеток электродов стартерных ба­тарей толщиной 1,5-2,6 мм находится в пределах 1,8-3,0 мОм. В заряжен­ном состоянии сопротивление отри­цательного электрода составляет 62- 70%, а положительного — 92-98% со­противления решеток. В процессе разряда на электродах откладывает­ся сульфат свинца с удельным сопротивлением 1-Ю 7 Ом-см, и сопротивление электродов приближается к сопротивлению решеток.

Распределение сопротивления и соответственно потерь напряжения (рис. 2.29) по элементам внутренней цепи аккумуляторной батареи зависит от многих факторов.

В начале стартерного разряда при температуре -18°С сопротивление пластин и токоведущих деталей приблизительно составляет 20-30%, электро­лита и сепараторов — 34-48%, сопротивление поляризации — 32-45% от сум­марного внутреннего сопротивления батареи. С понижением температуры доля сопротивления поляризации, электро­лита и сепараторов возрастает.

Сопротивление заряженных стартерных аккумуляторов и даже бата­реи последовательно соединенных аккумуляторов составляет от не­скольких тысячных до нескольких со­тых долей ома. Сопротивление уменьшается с увеличением числа параллельных электродов в полубло­ках, т.е. с увеличением емкости акку­муляторной батареи. В процессе раз­ряда в результате химических реак­ций на пластинах образуется плохопроводящий сульфат свинца. Плот­ность электролита снижается от 1,22 — 1,30 до 1,06-1,14 г/см 3 . Поэтому сопротивление разряженной аккумулятор­ной батареи выше.

При разряде и заряде аккумулятор отдает во внешнюю цепь или получает от зарядного устройства определенное количество электричества.

Количество электричества, отдаваемое аккумуляторной батареей в пределах допустимого разряда, называют разрядной емкостью:

где т₃ — продолжительность заряда.

Разрядная емкость зависит от количества заложенных в аккумуляторе ак­тивных материалов и степени их использования. Количество активных матери­алов в стартерных аккумуляторных батареях даже при номинальных разрядных токах в 2-3 раза превышает теоретически необходимое. Полное использование заложенных в батареи активных материалов невозможно, так как обеднение электролита в порах и резкое снижение напряжения происходит раньше, чем израсходуются внутренние слои пористых активных веществ электродов и сер­ная кислота электролита в моноблоке.

Коэффициент использования активных материалов свинцового аккумулятора зависит от условий разряда. Его снижение происходит при увеличении плотно­сти разрядного тока и понижении температуры. При длительных режимах раз­ряда свинцовых аккумуляторов в течение 20-50 ч использование активных ма­териалов составляет 50-60%, тогда как при коротких стартерных разрядах — 5-10%. С увеличением электропроводности электролита, пористости активных веществ, с уменьшением толщины электродов и плотности тока использование активных материалов выше.

При равных значениях начальной и конечной пористости лучше используется активное вещество положительных электродов.

При высоких плотностях активного вещества имеют место неравномерное распределение поляризации по толщине электродов и замедление процесса по­ступления серной кислоты в зоны реакции. Вследствие закупорки пор сульфа­том свинца, разрядный процесс протекает в основном на наружной поверхности электродов, где плотность тока может быть более чем в 10 раз выше ее значе­ния в толще активного вещества.

Неполное (на 60-65%) использование активных веществ при малых плотно­стях разрядного тока связано с изоляцией отдельных участков пористого веще­ства электродов сульфатом свинца и. как следствие, отсутствием единого электронопроводящего каркаса электрода.

6 аккумуляторах, предназначенных для работы в стартерных режимах разря­да, использование активных материалов и отдача по емкости могут быть повы­шены за счет снижения толщины электродов.

Емкость аккумулятора определяется суммарной емкостью электродов. При стартерных разрядах емкость, как правило, уменьшается из-за пассивации отри­цательного электрода. Особенно это характерно для низких температур. При длительных режимах разряда влияние обоих типов разнополярных электродов на отдачу батареи по емкости соизмеримо. При длительных режимах разряда поло­жительный электрод может лимитировать отдачу по емкости, если запас элект­ролита недостаточен. Причиной ограничения емкости положительным электро­дом при коротких режимах разряда может быть замедление диффузии электролита в поры активного вещества. Использование активных материа­лов зависит от конструкции электро­дов, материала сепараторов, плотно­сти и температуры электролита, силы тока и режима разряда (прерывистый, непрерывный, ступенчатый). Разрядная емкость уменьшается с увеличением разрядного тока, так как большее количество и более плотная масса сульфата свинца откладывается на поверхности электродов, изолируя активное вещество от контакта с электролитом (рис. 2.34 — 2.36). Ис­пользование активных веществ при большой силе тока составляет 5-10%.

Разрядная емкость уменьшается также с понижением температуры. При низких температурах увеличива­ется вязкость электролита и замедля­ется скорость поступления серной ки­слоты в поры активных веществ. Нап­ряжение разряда падает быстрее и большая часть активного вещества остается неиспользованной. Напря­жение аккумуляторной батареи с по­нижением температуры падает также вследствие замедления электролити­ческой диссоциации и уменьшения ионной проводимости электролита. При малой силе тока до 0,1 С₂₀ А и температурах выше 0°С снижение ем­кости на 1°С приводит к уменьшению разрядной емкости на 0,6-0,7%. При низких температурах (ниже 0°С) в стартерных режимах разряда сниже­ние емкости на 1°С достигает 2%. Свинцовые аккумуляторные батареи работоспособны при стартерных раз­рядах до температуры -(30-35)°С. Степень снижения емкости с уменьшением температуры меньше при использо­вании электролита с большей концентрацией серной кислоты.

Разрядная емкость может быть увеличена за счет пористой структуры элект­родов. При разряде пористость уменьшается, так как удельный объем сульфата свинца больше удельных объемов губчатого свинца (в 2,68 раза) и диоксида свин­ца (в 1,86 раза). Уменьшение сечения пор при разряде затрудняет проникновение серной кислоты в поры электродов и ограничивает использование активных ма­териалов, особенно при разряде большими токами. Активную поверхность элект­родов увеличивают, устанавливая большее число электродов меньшей толщины.

Так как разрядная емкость зависит от условий разряда, номинальной для стартерных свинцовых аккумуляторных батарей емкостью, гарантируемой за­водом-изготовителем, считается емкость 20-часового режима разряда. Разряд батарей при испытании на емкость 20-часового режима разряда проводят не­прерывно током силой 1р=0,05С₂₀ А до конечного разрядного напряжения на клеммах 5,25 В у 6-вольтовой и 10,5 В у 12-вольтовой батареи. Температура электролита при разряде должна находиться в интервале от 18 до 27°С.

Емкость вычисляют по формуле:

где Cf — емкость, отданная батареей в пределах допустимого разряда, А-ч; tp — продолжительность разряда до конечного разрядного напряжения, ч.

Полученную емкость C_t приводят к емкости при температуре 25°С:

Перед проверкой на емкость 20-часового режима батарею полностью заря­жают. Заряд проводят током силой 1₃=0,1С₂₀ А до напряжения не менее 2,4 В на каждом аккумуляторе, после чего ток уменьшают на 50% от первоначального и доводят до состояния полного заряда. Заряд проводят до достижения обильно­го газовыделения и постоянства напряжения и плотности электролита в тече­ние 2 ч, после чего при непрекращающемся заряде корректируют плотность электролита в аккумуляторах до (1,28±0,01) г/см 3 при 25°С и уровень электро­лита в соответствии с технической документацией по эксплуатации. Заряд при температуре, превышающей 45°С, не допускается.

Необслуживаемые батареи заряжают при температуре окружающей среды (25±5)°С при постоянном напряжении (14,4±0,1) В не менее 24 и не более 30 ч, причем сила тока не должна превышать l₃=0,05C₂₀ А.

Емкость батарей, определяемая при 20-часовом режиме разряда не позже четвертого цикла, должна быть не менее 95%, а необслуживаемых — 100% от номинального значения.

Важным для эксплуатации показателем является «резервная емкость». По этому показателю можно оценивать способность аккумуляторной батареи обес­печить необходимый минимум электрической нагрузки на автомобиле в случае выхода из строя генератора. Минимум электрической нагрузки складывается из токов, потребляемых системами зажигания и освещения, стеклоочистителем контрольно-измерительными приборами в режиме движения «зима, ночь», и составляет величину порядка 25 А.

Резервная емкость определяется временем разряда в минутах полностью за­ряженной батареи при температуре (27±5)°С током силой (25±0,25) А до конеч­ного напряжения на аккумуляторе, равного 1,75 В. Нормативный показатель «резервная емкость» обеспечивает большее соответствие режима испытания батареи условиям эксплуатации ее на автомобиле.

Характеристики стартерного разряда аккумуляторной батареи удобно оцени­вать по силе тока холодной прокрутки. Он представляет собой максимальный разрядный ток, который батарея может обеспечить при температурах -18°С и -29°С в течение 30 с, сохраняя напряжение не менее 1,2 В на каждом аккуму­ляторе (7,2 В в случае 12-вольтовой батареи). Показатель «ток холодной про­крутки» позволяет упростить подбор аккумуляторной батареи для автомобилей на стадии их проектирования: определив силу тока, потребляемую электро­стартером при пуске двигателя, можно подобрать батарею из условия, чтобы эта сила тока не превышала силу тока холодной прокрутки.

Разряженность батареи по величине измеренной плотности определяют с уче­том начальной плотности электролита полностью заряженной батареи в соот­ветствующем климатическом районе (табл. 2.6).

Ориентировочно состояние заряженности батареи можно определить из условия, что при изменении на 0,01 г/см 3 плотности электролита происходит изменение степени заряженности примерно на 6,25% (при сроке службы до 75% от установленного для батареи).

Плотность электролита измеряют денсиметром 3 (рис. 2.49, а), помещенным в сте­клянной пипетке 2, или плотномером (рис. 2.49, б). При измерении плотности полость пипетки 2 или плотномера заполняется электролитом из аккумулятора с помощью груши 1. Плотность электролита отсчитывают по делению шкалы денсиметра, кото­рое устанавливается на уровне поверхности электролита. Цена деления шкалы ден­симетра 0,01 г/см 3 . Денсиметр не должен касаться стенок пипетки. Точность пока­заний денсиметра повышается, если пе­ред измерением 2-3 раза наполнить пи­петку электролитом и вылить его. При использовании плотномера плотность определяют по последнему из всплыв­ших поплавков 7, против которого на прозрачном корпусе 6 находится надпись с большим значением плотности. Чтобы учесть температурную поправку, одновременно с измерением плотности pj измеряют температуру электролита t_3n. Для приведения плотно­сти к температуре 25°С используют график на рис. 2.50.

Аккумуляторные батареи, степень разряженности которых больше 50% летом и 25% зимой, необходимо снять с эксплуатации и зарядить в стационарных ус­ловиях.

Подготовка аккумуляторных батарей к эксплуатации.

Аккумуляторные батареи в сухозаряженном исполнении выпускаются без элек­тролита. По согласованию с потребителем допускается поставка несухозаряженных батарей, а также батарей, залитых электролитом и полностью заряженных.

Электролит готовят из серной кислоты и дистиллированной воды. Концентри­рованная серная кислота представляет собой прозрачную жидкость без цвета и запаха с плотностью 1,83 г/см 3 и содержанием в ней чистой серной кислоты 94%. Точка кипения ее — 33°С.

Температура заливаемого в аккумуляторы электролита не должна выходить за пределы 15 — 30°С. В зависимости от климатических районов эксплуатации батареи заливают электролит различной плотности

Батарея готова к эксплуатации, если через 0,3 — 2 ч плотность залитого электролита снижается не более, чем на 0,03 г/см 3 . В противном случае бата­рею необходимо подзарядить. Температура электролита не должна быть выше 35°С при подключении батареи к зарядному устройству и 45°С в процессе под- заряда. Если в конце заряда плотность отличается от нормы, ее корректируют добавлением дистиллированной воды или раствора серной кислоты плотно­стью 1,4 г/см 3 .