Глава 2 АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ
Устройство и работа аккумуляторных батарей
Источником электроэнергии на автомобиле при неработающем или работающем с малой частотой вращения коленчатого вала двигателе является аккумуляторная батарея. Широкое распространение получили свинцовые аккумуляторные батареи, состоящие из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. Применение кислотных аккумуляторов объясняется тем, что они обладают небольшим внутренним сопротивлением и способны в течение короткого промежутка времени (несколько секунд) отдавать ток силой в несколько сотен ампер, что необходимо для питания стартера при пуске двигателя.
Аккумулятор представляет собой сосуд, заполненный электролитом, в который опущены свинцовые электроды. Электролитом является раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Электроды выполнены в виде пластин, одна из которых изготовлена из губчатого свинца РЬ, вторая — из диоксида свинца РЬ02. В результате взаимодействия электролита с электродами на них возникает разность потенциалов.
При подключении потребителя в аккумуляторе возникает разрядный ток. При этом ионы серно-кислотного остатка S04 соединяются со свинцом электродов и образуют на них сернокислый свинец PbS04, а ионы водорода — с кислородом, выделяясь на положительной пластине в виде воды. В результате электроды покрываются серно-кислым свинцом, а серная кислота разбавляется образующейся водой, т. е. при разрядке аккумулятора плотность электролита уменьшается. Поэтому по плотности электролита можно определить степень разряженности аккумуляторной батареи.
При прохождении электрического тока через аккумуляторную батарею протекают обратные электрохимические процессы. Ионы водорода, образующиеся в результате распада воды, взаимодействуют с серно-кислым свинцом электродов. Водород, соединяясь с сернистым осадком, образует серную кислоту, а на электродах восстанавливается губчатый свинец. Выделяющийся из воды кислород, соединяется со свинцом положительной пластины, образуя перекись свинца, содержание воды в электролите уменьшается, а содержание кислоты увеличивается, в результате чего плотность электролита повышается.
Когда прекращается восстановление свинца на электродах, процесс зарядки аккумулятора заканчивается. При дальнейшем прохождении электрического тока начинается процесс электролиза (распада) воды, аккумулятор «закипает», образуется взрывоопасная смесь газообразного водорода с кислородом.
Значения плотности электролита для различных климатических зон при разной степени разряженности аккумуляторной батареи приведены на странице 15. С уменьшением плотности электролита повышается температура его замерзания. Поэтому при низких температурах окружающего воздуха плотность электролита полностью заряженного аккумулятора должна быть больше. Это предотвращает замерзание электролита в частично разряженном аккумуляторе.
Напряжение на электродах кислотного аккумулятора возрастает с увеличением плотности электролита и меняется в зависимости от степени заряженности аккумулятора от 2 до 2,15 В. Напряжение на электродах при зарядке аккумулятора выше, а при разрядке ниже электродвижущей силы (ЭДС) на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора. Это падение напряжения прямо пропорционально силе зарядного или разрядного тока. Для зарядки аккумулятора напряжение на клеммах заряжающего источника тока должно быть выше ЭДС аккумулятора. Чем больше разница между этими величинами, тем больше сила зарядного тока. При постоянном напряжении источника тока по мере увеличения степени заряженности аккумулятора повышается его ЭДС и, следовательно, уменьшается сила зарядного тока. Таким образом, если напряжение на клеммах источника тока будет равно ЭДС полностью заряженного аккумулятора плюс ЭДС поляризации, то зарядный ток прекратится, как только аккумулятор полностью зарядится.
Среднее значение напряжения аккумулятора — 2 В. Поэтому для того, чтобы напряжение аккумуляторной батареи соответствовало напряжению в цепях электрооборудования автомобиля (12 В), необходимо последовательно соединить шесть аккумуляторов.
На автомобилях с дизелями для увеличения мощности стартера используется напряжение 24 В. В этом случае устанавливают аккумуляторную батарею, состоящую из двенадцати последовательно соединенных аккумуляторов, или две последовательно соединенные аккумуляторные батареи напряжением 12 В каждая.
Важным параметром аккумулятора является его емкость, т. е. количество электрической энергии, которую способен отдать аккумулятор. Емкость — это произведение силы разрядного тока на продолжительность разрядки (достижение полностью заряженного аккумулятора предельно допустимого разряженного состояния), измеряется в ампер-часах (А ч). Емкость аккумулятора зависит в первую очередь от площади электродов. Поэтому для повышения емкости аккумулятора необходимо увеличивать площадь пластин и обеспечивать участие в реакции всей массы электродов, а не только их поверхности. С этой целью для изготовления электродов используют пористый материал. Увеличение площади пластин достигается параллельным включением нескольких пластин.
Емкость аккумулятора не является постоянной величиной, она зависит от силы разрядного тока и температуры электролита. При увеличении разрядного тока и понижении температуры электролита емкость аккумулятора уменьшается, что объясняется неполным протеканием химических реакций разрядки в этих условиях, вследствие сокращения времени разрядки и увеличения вязкости электролита при низких температурах.
Устройство аккумуляторной батареи показано на рис. 2.1.
Аккумуляторная батарея представляет собой моноблок, выполненный из кислотостойкой пластмассы, который разделен перегородками на отдельные секции, число которых равно числу аккумуляторов в аккумуляторной батарее. Каждая секция сверху закрыва-
Рис. 2.1. Свинцовая аккумуляторная батарея: 1 — опорная призма моноблока; 2 — моноблок; 3, 11 — полублоки отрицательных электродов; 4 — баретка; 5 — крышка; 6 — пробка; 7 — межэлементная перемычка; 8 — кислотостойкий щиток; 9 — полюсный наконечник; 10 — полюсный вывод сепаратора; 12 — полу- блок отрицательных электродов; 13 — решетка моноблока; 14 — отверстие для заливки электролита; 15 — отверстие для сообщения с окружающей средой ется эбонитовой крышкой с отверстиями: одно отверстие для заливки электролита, другое для сообщения с окружающей средой. В каждой секции установлено несколько положительных и отрицательных пластин. Пластины одной полярности соединены между собой в полублок. Так как во избежание коробления каждую положительную пластину помещают между отрицательными, то положительных пластин на одну меньше. Для предотвращения возможности контакта двух соседних пластин разной полярности между ними установлены кислотоупорные вставки из изоляционного материала — сепараторы. Сепараторы могут быть деревянные, пористо-пластмассовые или комбинированные. Для циркуляции электролита между пластинами сепараторы изготовляют пористыми.
Пластина электрода представляет собой решетку, отлитую из свинца с небольшой примесью сурьмы (6—13 %), для увеличения прочности, которая заполнена активной массой, состоящей из порошкообразного сурика со свинцовым глетом, смешанного с раствором серной кислоты. В активной массе положительных пластин больше сурика, поэтому они имеют красноватый оттенок. Отрицательные пластины содержат больше свинцового глета и имеют серую окраску. После заполнения ячеек решетки активной массой пластины просушивают, а затем подвергают формованию, т. е. нескольким последовательным циклам зарядка—разрядка.
Выступы пластин одной полярности приварены к общей перемычке, образуя полублок. Полублоки разной полярности соединены в блок, между пластинами установлены сепараторы. Блок размещается в емкостях моноблока. Края крышки каждой емкости залиты кислотостойкой мастикой. Штыри полублоков разной полярности, расположенные в соседних емкостях моноблока, соединены перемычками, что обеспечивает последовательное включение аккумуляторов. Один из штырей каждого из крайних аккумуляторов имеет полюсный наконечник, к которому присоединен провод внешней сети. Пластины опираются на выступы, выполненные на дне емкостей, чтобы активная масса, выпадающая в процессе работы, не соединяла пластины разной полярности. Сверху блоки пластин закрыты пластмассовыми кислотостойкими щитками. Отверстие в крышке для заливки электролита закрыто резьбовой пробкой с уплотнительной прокладкой. Для сообщения с окружающей средой имеется отверстие в пробке или в специальном выступе на крышке рядом с заливным отверстием.
Аккумуляторные батареи могут иметь различные конструкции (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Аккумуляторные батареи: а — с ячеистыми крышками; б, в, г — с межэлементными перемычками через перегородки; 1 — опорная призма моноблока; 2 — моноблок; 3 — полублок отрицательных электродов; 4 — баретка; 5 — пробка; 6 — межэлементная перемычка; 7 — крышка; 8 — полюсный вывод; 9 — сепаратор; 10 — борн; 11 — мостик; 12 — полублок положительных электродов; 13 — перегородка моноблока; 14 — индикатор уровня электролита; 15 — положительный электрод; 16 — отрицательный электрод; 17 — выступ моноблока;
18 — электронагреватель
Уровень электролита в аккумуляторе должен быть на 10—15 мм выше кромки пластин. При заливке электролита или доливе дистиллированной воды уровень электролита должен дистигать нижней кромки заливной горловины.
В маркировке аккумуляторной батареи указывается число последовательно соединенных аккумуляторов, определяющих ее номинальное напряжение; назначение по функциональному признаку (СТ — стартерная); номинальная емкость в ампер-часах при режиме разрядки 20 ч; при необходимости материал моноблока (Э — эбонит, Т — термопласт); материал сепараторов (М — мипласт, С — стекловолокно, Р — мипор). Буква «Н» в конце обозначения указывает, что аккумуляторная батарея не сухозаряженная.
Например, аккумуляторная батарея 6СТ-60ЭМ-Н — стартерная не сухозаряженная напряжением 12 В, емкостью 60 А ч, с моноблоком из эбонита и сепаратором из мипласта.
Отечественные стартерные свинцовые аккумуляторные батареи выпускаются номинальным напряжением 6 и 12 В и емкостью 45-190 А ч.
Стартерная аккумуляторная батарея 6СТ-190А для грузовых автомобилей с моноблоком и единой крышкой из пластических материалов имеет в нижней части моноблока переносное устройство с ручкой.
Обычные стартерные свинцовые аккумуляторные батареи имеют достаточно высокие характеристики, однако обладают рядом существенных недостатков.
В результате электролиза при эксплуатации свинцовой аккумуляторной батареи снижается уровень электролита, что требует периодического (один-два раза в месяц) добавления дистиллированной воды. Электролитическое разложение воды происходит при зарядке, особенно интенсивно при перезарядке. Во время длительных перерывов в эксплуатации автомобиля происходит саморазрядка их аккумуляторной батареи. В сутки потери могут составить 0,5—0,8 %, а к концу срока службы и до 3—4 %, что приводит к необходимости ежемесячной подзарядки.
Необходимость в периодическом добавлении дистиллированной воды и подзарядка аккумуляторных батарей при длительном хранении усложняют обслуживание и требуют дополнительных затрат. Все эти трудности усугубляются при длительной эксплуатации автомобилей вне автопарков.
Срок службы свинцовых аккумуляторных батарей ограничивается в основном коррозией решеток электродов. Кроме того, электролиз воды с выделением активного кислорода способствует ускоренной коррозии решеток положительных электродов. Интенсивность электролиза и сопутствующей ему коррозии решеток возрастают при перезарядке, повышении температуры и старении аккумуляторных батарей. Эти недостатки присущи обычным аккумуляторным батареям и связаны с наличием 5—7 % сурьмы в сплаве свинца решетки электродов. Легирование свинца сурьмой обеспечивает необходимую механическую прочность решеток. Также в сплав вводится 0,1—0,2 % мышьяка, что повышает коррозионную стойкость положительных решеток электродов.
Сурьма в сплаве положительных пластин способствует более интенсивному выделению кислорода и, одновременно, электрохимическому переносу и отложению сурьмы на поверхности отрицательного электрода. Присутствие даже небольшого количества сурьмы на поверхности отрицательного электрода приводит к интенсивности выделения водорода.
На отрицательных электродах происходит выделение водорода, а на положительных — кислорода. Интенсивность газовыделения зависит от напряжения на электродах.
Необслуживаемые аккумуляторные батареи
Появление необслуживаемых аккумуляторных батарей стало возможно благодаря применению решеток из свинцово-кальцие- во-оловянистых сплавов и свинцово-сурьмянистых сплавов с уменьшенным содержанием сурьмы. Эти аккумуляторные батареи отличаются не только малым газовыделением и сниженным саморазрядом, но и имеют ряд других преимуществ. Их можно устанавливать в местах, не требующих удобного доступа для технического обслуживания. Они имеют лучшие зарядные характеристики и характеристики стартерного режима разрядки. Срок эксплуатации необслуживаемых аккумуляторных батарей может достигать момента постановки автомобиля на капитальный ремонт или снятия его с эксплуатации.
Обеспечить в сплаве оптимальное содержание кальция, а это 0,06—0,09 %, технологически трудно, так как кальций в процессе литья выгорает. От содержания кальция и олова (0,5—1 %) зависят прочностные и антикоррозионные свойства сплава.
Улучшение механических свойств решеток из свинцово-кальциевых сплавов достигается также добавлением 1,5 % кадмия. Добавление 1,25 % сурьмы ограничивает образование нежелательных кристаллов древовидной формы.
Из-за технологических трудностей изготовления решеток электродов из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов нашли применение аккумуляторные батареи на основе электродов с пониженным содержанием сурьмы в решетках, имеющие ограниченный объем технического обслуживания. Для сохранения необходимых технологических и эксплуатационных свойств в малосурьмянистые сплавы добавляют медь (0,02—0,05 %), серу и селен (до 0,01 %). Аккумуляторные батареи с электродами из малосурьмянистых сплавов, содержащих другие легирующие добавки, являются практически необслуживаемыми, но имеют несколько худшие показатели саморазрядки по сравнению с аккумуляторными батареями, где решетки выполнены из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов. Такие аккумуляторные батареи имеют достаточно большой срок службы и малочувствительны к глубокой разрядке.
В отечественных необслуживаемых аккумуляторных батареях по сравнению с обычными содержание сурьмы в сплаве решеток электродов уменьшено в два-три раза, что повышает значение напряжения начала выделения водорода и кислорода и обеспечивает зарядку аккумуляторной батареи без газовыделения во всем диапазоне регулируемого напряжения генераторных установок автомобиля. Примерно в пять-шесть раз ниже интенсивность саморазрядки этих аккумуляторных батарей (до 0,08—0,1 % в сутки).
Необслуживаемые батареи выпускаются в герметичном исполнении и могут не иметь заливных пробок горловин. В этом случае степень разряженности аккумуляторной батареи нельзя определить по плотности электролита и в зимнее время возникает опасность замерзания электролита разряженной аккумуляторной батареи. Поэтому на них устанавливают цветовые индикаторы заряженности. При уменьшении степени заряженности ниже определенного уровня меняется цвет видимого пятна индикатора.
