Аккумуляторные батареи

 

ГБОУ НПО РБ

Белебеевский ПЛ№89

 

 

 

 

       Письменная экзаменационная работа

 

на тему:   «Аккумуляторные батареи»

 

 

 

 

 

 

 

                                                      Разработал:

                                            Учащийся 8 группы трактористов-машинистов

                                                 Любимцев Павел

                                                     Руководитель:

                                     Преподаватель высшей квалификационной                                       

                                                 категории Адельшин В.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Белебей

2013-2014учебный год

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение------------------------------------------------------------------3
2. УСТРОЙСТВО АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ-----------------------------------------4
3. Виды аккумуляторов, доступных в России------------------------5-8
4. Маркировка отечественных и импортных аккумуляторов----8-10
5. Назначение стартерных аккумуляторных батарей--------------11-12
6. Принцип действия аккумуляторной батареи---------------------12-13
7. Параметры автомобильного аккумулятора-----------------------13-14
8. Как грамотно эксплуатировать аккумуляторную батарею.---14-16

9. Электролит для аккумуляторов---------------------------------------------------16-19

10. Приготовление электролита------------------------------------------19

11. Как заряжается аккумуляторная батарея--------------------------19-21
12. Что нам прогресс технический готовит----------------------------21
13. ЛИТЕРАТУРА-----------------------------------------------------------22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Общеизвестно, что аккумулятор играет одну из главных ролей в функционировании многих устройств, агрегатов, механизмов и электронных девайсов. В транспортных средствах подобное устройство называют автомобильной стартерной аккумуляторной батареей (АКБ). Принципиальная схема ее работы и устройства рассматривается еще в рамках курса физики в средней школе, однако к началу взрослой жизни многие из нас уже успевают изрядно подзабыть полученные знания.

Итак, что же такое аккумулятор, и каким образом он выполняет возложенные на него функции? В основу работы аккумулятора положен принцип возникновения разности потенциалов (напряжения) между двумя пластинами, погруженными в раствор электролита. Впервые элемент, работающий по такому принципу, был создан в 1836-1838 гг. Одна пластина в нем была медной, вторая – цинковой, которая очень быстро растворялась.

За минувшие десятилетия элемент Даниэля-Якоби был существенно модернизирован, устройства, вырабатывающие электричество, стали гораздо компактнее и производительнее, к тому же «научились» многократно восстанавливать свой ресурс. Тем не менее, общий принцип действия аккумулятора остается неизменным и поныне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УСТРОЙСТВО АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Обычная автомобильная аккумуляторная батарея, как правило,  состоит из шести 2-вольтовых элементов, что дает на выходе напряжение 12 В. Каждый элемент, в свою очередь, включает набор  свинцовых решетчатых пластин, покрытых активным веществом и погруженных в сернокислотный электролит. Отрицательные пластины покрыты мелкопористым свинцом, а положительные - двуокисью свинца. Когда к аккумулятору подключают нагрузку, активное вещество вступает в химическую реакцию с  электролитом, вырабатывая электрический ток. На пластинах при этом осаждается сульфат свинца, и электролит, соответственно, истощается. При зарядке эта реакция проходит в обратном направлении, и способность аккумулятора давать ток восстанавливается. Аккумулятор выполняет три функции: запускает двигатель, питает бортовые электрические устройства (при неработающем двигателе) и «помогает» генератору, когда тот не справляется с нагрузкой.

Аккумулятор обычно размещается в моторном отсеке (крайне редко в багажнике или в салоне). Однако,  высокой температуры он не переносит. С целью снижения уровня шума производители все тщательнее закрывают любые отверстия в моторном отсеке, что, как правило, приводит к повышению температуры внутри него. Верхний предел рабочей температуры аккумуляторов — 100 о С, выше него электролит закипает. Однако, даже при приближении к этой температуре срок службы батарей все равно снижается в три-четыре раза. На сегодняшний день это, пожалуй, самая большая проблема для производителей аккумуляторов.

Стандартная свинцовая стартерная аккумуляторная батарея (АКБ) — вторичный источник электроэнергии. После глубокого разряда ее работоспособность можно восстановить  пропусканием электрического тока в направлении, обратному тому, в котором протекал ток при разряде. Работает АКБ, превращая электрическую энергию в химическую при заряде и  химическую энергию в электрическую при разряде. Назовем активные вещества свинцового аккумулятора, принимающие участие в токообразующем процессе:

• на положительном электроде — двуокись свинца темно-коричневого цвета;
• на отрицательном электроде — губчатый свинец серого цвета.

В токообразующем процессе принимает участие также электролит — водный раствор серной кислоты плотностью 1,28 г/см3. В процессе разряда активная масса как положительного, так и отрицательного электродов превращается в сульфат свинца (двойная сульфатация). При этом плотность электролита снижется к концу разряда до 1,08-1,10 г/см3. 
Наиболее распространены автомобильные АКБ с номинальным напряжением 12 В и емкостью  от 36 до 190 А-ч.

 

 

Виды аккумуляторов, доступных в России

У многочисленных свинцовых стартерных АКБ в зависимости от исполнения имеются свои конструктивно-технологические особенности, однако, в их устройстве много общего. Все они содержат разноименные электроды, разделенные сепараторами, помещенными в сосуд, заполненный электролитом. В зависимости от применяемых при производстве материалов и используемых конструктивных, технологических и эксплуатационных особенностей, современные батареи можно подразделить на два основных вида исполнения: классический и необслуживаемый. Классические АКБ В России батареи классического исполнения выпускают как в моноблоках с отдельными крышками, герметизируемыми битумной смазкой, так и в моноблоках с общей крышкой, герметизируемой контактно-тепловой сваркой. Аккумуляторные батареи с отдельными крышками имеют многоячеечный, как правило, эбонитовый корпус (или из другой кислотоупорной пластмассы), который разделен перегородками (16) на банки по числу аккумуляторов. Каждая банка содержит блок чередующихся положительных (5) и отрицательных (3) электродов с расположенными между ними сепараторами. Таким образом, каждый блок можно назвать отдельным аккумулятором, обеспечивающим на выводах  электродов напряжение 2 В. Ввиду того, что в процессе работы аккумулятора неизбежно образуется шлам в виде осадка, оседающего на дно моноблока, между дном и опорными призмами электродов (1) предусмотрен зазор. Аккумулятор выходит из строя, если все пространство под электродами будет заполнено шламом, и он замкнет разноименные электроды. Причина образования шлама заключается в оплывании частиц активной массы положительных электродов.

 Рис. 1 Аккумуляторная  батарея с отдельными крышками 

Электроды состоят из активной массы, удерживаемой на токоотводе решетчатой структуры. Роль сепараторов заключается в разделении друг от друга реагентов – участников электрохимических процессов, а также обеспечении диффузии электролита от одного электрода к другому. Для улучшения доступа электролита к активной массе положительного электрода сторона сепаратора, обращенная к нему, выполнена ребристой. Соседние аккумуляторы в батарее последовательно соединяет между собой наружный токоотвод, называемый борном (8). К выводным клеммам крайних аккумуляторов батареи приваривают полюсные выводы (9) и (14), через которые происходит связь батареи со всем электрооборудованием автомобиля. Выводы аккумуляторной батареи намеренно выполняют разного диаметра. Это гарантирует от ошибки при подключении аккумуляторной батареи в сеть, когда вместо отрицательного может быть подключен положительный вывод. Чтобы исключить случаи повреждения верхних кромок сепараторов при замерах уровня и плотности электролита в верхней части электродного блока монтируют защитный щиток (7). Аккумулятор, устанавливаемый в камеру-ячейку моноблока, комплектуется специальной индивидуальной эбонитовой крышкой с двумя отверстиями, снабженными втулками для выводных борнов электродного блока. Для залива электролита и проведения технического обслуживания аккумулятора служит специальное резьбовое отверстие в крышке, закрываемое полиэтиленовой пробкой с вентиляционным отверстием для выхода газов. С целью герметичной укупорки новых сухозаряженных батарей пробка, закрывающая вентиляционное отверстие, имеет глухой прилив, удаляемый (срезаемый) перед началом эксплуатации аккумулятора. Широкое распространение получили в последнее время аккумуляторные батареи с общей крышкой моноблока из сополимера пропилена с этиленом, устройство которых показано на рис. 2. Моноблок (1) включает электродные блоки, включающие разноименные электроды (2) и (3) и сепараторы (4). Блоки связаны между собой посредством укороченных межэлементных связей (6) через отверстия в перегородках (5) моноблока. Все 6 аккумуляторов накрыты единой крышкой (7). Благодаря параметрам термопластичной пластмассы и примененному методу контактно-тепловой сварки герметичность аккумуляторной батареи, как по периметру, так и между отдельными аккумуляторами сохраняется при температуре от – 50 до + 70 °С.

Рис. 2 Аккумуляторная батарея с общей крышкой

Необслуживаемые АКБ Переход сурьмы, содержащейся в сплаве положительных токоотводов, (по мере их коррозии) через раствор на поверхность отрицательного электрода – главная «болезнь» традиционных свинцовых батарей. Появление этой «болезни» характеризуется бурным газовыделением, сопровождающимся «кипением» электролита вследствие электролитического разложения входящей в него воды в конце зарядного процесса и при небольшом перезаряде. Осаждение сурьмы  снижает напряжение на электродах батареи, при котором вода разлагается на кислород и водород. В необслуживаемых аккумуляторных батареях используют сплавы для производства токоотводов с пониженным содержанием сурьмы или вовсе без нее. Кроме того, преимуществом батарей такого типа является и то, что один из электродов помещают в сепаратор-конверт из микропористого полиэтилена с низким электрическим сопротивлением. В подобной конструкции батареи ввиду полного исключения замыкания электродов разной полярности опорные призмы устанавливать уже нет необходимости, блок электродов монтируют на дно моноблока, при этом габаритная высота батареи снижается. А та часть электролита, которая ранее не использовалась в работе батареи (она размещалась в шламовом отсеке моноблока), теперь находится выше электродов и пополняет запас, расходуемый в процессе эксплуатации. В США такие батареи начали выпускать, используя свинцово-кальциевый сплав (Са – 0,07 – 1,0 %; Sn – 0,1 – 1,2 %; остальное – Pb) в качестве материала для токоотводов, а также положительного и отрицательного электродов. В этих батареях газовыделение настолько уменьшилось, что позволило эксплуатировать их в течение как минимум двух лет без долива воды. Конструкторы лишили их отверстий для долива воды и назвали полностью необслуживаемыми. Саморазряд таких батарей замедлился более, чем в 6 раз, при этом проявились и серьезные недостатки. При нескольких глубоких разрядах такие батареи быстро теряли емкость, и это обстоятельство не позволило получить им достаточно заметного распространения в Европе и в России. Позднее в США на рынок были выведены аккумуляторные батареи так называемой системы «кальций плюс» или гибридные. Они содержали до 1,5 – 1,8 % сурьмы и до 1,4 – 1,6 % кадмия в положительном токоотводе, при этом имели свинцово-кадмиевый отрицательный токоотвод. Подобные батареи имеют параметры по расходу воды и саморазряду в 2 раза выше, чем малосурьмяные, однако все же уступают свинцово-кальциевым. В Европе необслуживаемые батареи получили широкое распространение в начале 80 г.г. Это были батареи с содержанием сурьмы, сниженным до 2,5 – 3 процентов. Расход воды и саморазряд таких батарей выше, чем у батарей с кальциевыми токоотводами в 2 – 3 раза, и это послужило причиной дальнейшей работы над совершенствованием АКБ, в частности, разработке гибридных батарей. Конец 90-х годов – время появления в США и Европе батарей с токоотводами из свинцово-кальциевого сплава с добавкой новых легирующих компонентов (в том числе, серебра), не боящихся глубоких разрядов. В нашей стране производят необслуживаемые батареи емкостью от 44 до 90 А-ч, токоотводы которых изготавливают из малосурьмяного сплава с содержанием сурьмы от 1,7 до 3 %. Эксплуатируя АКБ без отверстий для долива воды автовладельцы должны знать, что эти батареи являются очень чувствительными к техническому состоянию всей системы электрооборудования автомобиля. Генератор, регулятор напряжения, натяжение ремня привода генератора должны постоянно быть в норме. На долговечность АКБ влияет также наличие утечек тока в системе электрооборудования. Абсолютное большинство АКБ, поступающих на российский рынок из стран Европы, имеют гибридное исполнение, либо два токоотвода из свинцово-кальциевого сплава. Малосурьмяные сплавы с содержанием сурьмы от 1,6 до 1,8 % заводы-изготовители АКБ применяют для электродов обеих  полярностей при производстве сухозаряженных батарей.

Маркировка отечественных и импортных аккумуляторов

Маркировка российских АКБ наносится в соответствии с требованиями ГОСТ 959-91. Она выполняется по следующей схеме: 6 СТ-60 А1 , где 6 - Цифра, указывающая число последовательно соединенных аккумуляторов в батарее (6 или 3) и, соответственно, характеризующая ее номинальное напряжение (при 6 аккумуляторах 12 В, при 3 аккумуляторах  - 6 В); СТ - Буквы, характеризующие назначение батареи по функциональному признаку (СТ — стартерная); 60 - Число, указывающее номинальную емкость батареи в ампер-часах (А·ч); А1 - Буквы или цифры, которые содержат дополнительную информацию об исполнении батареи (при необходимости) и материалах, примененных для ее изготовления, например: «А» — батарея с общей крышкой; буква «3» — залитая и полностью заряженная (если ее нет — батарея сухозаряженная); слово «Необслуживаемая» — для батарей, соответствующих требованию ГОСТ по расходу дистиллированной воды; «Э» — корпус-моноблок из эбонита; «Т» — корпус-моноблок из термопластичной пластмассы; «М» — сепаратор типа мипласт из поливинилхлорида; «П» — сепаратор-конверт из полиэтилена. Маркировка аккумуляторной батареи российского производства: адрес предприятия-изготовителя; масса батареи; особенности технологии; торговая марка; модель аккумуляторной батареи; номинальное напряжение; номинальная емкость; ток холодной прокрутки; срок гарантии. Итак, условное обозначение батареи «6СТ-60А1» указывает на то, что батарея состоит из шести аккумуляторов, соединенных последовательно. Таким образом, ее номинальное напряжение — 12 В. По своему назначению батарея стартерная, ее номинальная емкость — 60 А·ч при 20-часовом режиме разряда. Батарея изготовлена в моноблоке с общей крышкой в сухозаряженном исполнении.  Условное обозначение батарей, применяемое большинством европейских производителей, представляет собой пятизначный код по немецкому стандарту DIN (например, 560 19) или девятизначный код по европейскому стандарту EN (например, 560 059 042). В структуре кодов как по DIN, так и по EN, значение первых трех цифр одинаково. Они обозначают номинальную емкость и напряжение батареи. Для 6-вольтовых батарей первые три цифры (от 001 до 499) информируют о номинальной емкости в ампер-часах. Для наиболее распространенных 12-вольтовых АКБ номинальную емкость можно получить, вычитая 500 из трехзначного числа (от 501 до 799). Таким образом, если первая цифра обозначения равна 5, то емкость батареи составляет от 1 до 99 А·ч, если 6 — от 100 до 199 А·ч, а если 7 — от 200 до 299 А·ч. К примеру, батареи типа 560 19 (по DIN) или 560 059 042 (по EN) имеют емкость 60 А·ч. Последние две цифры в обозначении по DIN, так же как вторая тройка цифр в обозначении по EN, указывают на вариант конструктивного исполнения, характеризующий размеры и тип полюсных выводов, конструкцию крепежных элементов, тип газоотвода, тип крышки, наличие ручек, вибропрочность и т. п. Число из трех последних цифр в обозначении по EN составляет 0,1 от величины тока холодной прокрутки по EN. Для приведенного выше примера ток холодной прокрутки равен:  I = 042 x 10 = 420 А.  Для сопоставительного пересчета величины тока по EN в DIN применяют коэффициент 1,7:  I = 1,7 · DIN  Кроме вышеуказанных обозначений маркировка батареи должна содержать следующие данные: товарный знак завода-изготовителя; «+» и «−» — знаки полярности; «0901» — дата изготовления по ГОСТ 959-2002 (две первые цифры — месяц, две последующие — год изготовления); условное обозначение (по ГОСТ); 420 А — пусковой ток или ток холодной прокрутки при −18°C в амперах (А); 12 V — номинальное напряжение в вольтах (В или V); 20 kg — масса батареи в состоянии поставки с завода. Кроме того на батарее должны быть предупреждающие надписи: «Опасно - едкое вещество», «Не курить», «Не кантовать» и т. п.   Назначение стартерных аккумуляторных батарей Основная функция аккумуляторной батареи - надежный пуск двигателя. Другая функция - энергетический буфер при работающем двигателе. Помимо штатных энергопотребителей, появилось большое количество дополнительных сервисных устройств, улучшающих комфорт водителя и безопасность движения.   Автомобильный аккумулятор обеспечивает энергией при движении в городском цикле с частыми и длительными остановками, когда генератор не справляется с полным обеспечением всех включенных энергопотребителей. Третья рабочая функция – это энергоснабжение при выключенном двигателе. Но длительное пользование электроприборами во время стоянки с неработающим или работающим на холостом ходу двигателе, приведет к глубокой разрядке аккумулятора и резкому снижению его стартерных характеристик. Аккумуляторная батарея предназначена еще и для аварийного электропитания. При выходе из строя генератора, выпрямителя, регулятора напряжения или при обрыве ремня генератора, она должна поддержать работу всех потребителей, которые необходимы для безопасного движения до ближайшей СТО. Аккумуляторные батареи должны удовлетворять следующим основным требованиям: обеспечить нужный разрядный ток для работы стартера, то есть иметь малое внутреннее сопротивление для минимума внутренних потерь напряжения внутри аккумулятора, обеспечить необходимый запас энергии стартерного разряда для необходимого количества попыток пуска двигателя, иметь достаточную мощность и энергию с минимальными возможными размерами и массой, иметь запас энергии, необходимый для энергопитания потребителей при неработающем двигателе или в аварийной ситуации, сохранять необходимое напряжение для работы стартера при пониженных температурах (ток холодной прокрутки), в течение продолжительного времени сохранять работоспособность при повышенных (до 70°С) температурах окружающей среды, принимать заряд по восстановлению емкости, которая была израсходована на пуск двигателя и питание других энергопотребителей, от генератора при работающем двигателе (прием заряда), не требовать специальной подготовки пользователей, обслуживания в процессе эксплуатации, иметь высокую механическую прочность, соответствующую условиям эксплуатации; сохранять рабочие параметры длительное время в процессе эксплуатации (срок службы), иметь незначительный саморазряд, иметь невысокую стоимость. Принцип действия аккумуляторной батареи Принцип действия аккумуляторной батареи основан на преобразовании электрической энергии в химическую энергию при заряде и наоборот химической энергии в электрическую при разряде. Работа аккумуляторной батареи носит циклический характер: разряд-заряд. Разряд происходит при подключении потребителей. При разряде активная масса положительных (диоксид свинца) и отрицательных (губчатый свинец) электродов взаимодействует с электролитом. При этом образуется сульфат свинца и вода, плотность электролита уменьшается. Рисунок  Принцип работы аккумуляторной батареи. При работающем двигателе аккумуляторная батарея заряжается от генератора. Аккумуляторную батарею также можно зарядить с помощью специального зарядного устройства. При зарядке сульфат свинца и вода преобразуются в свинец, двуокись свинца и серную кислоту. Плотность электролита повышается. Заряд батареи должен производиться при оптимальном напряжении. Высокое напряжение приводит к сильному разложению воды и снижению уровня электролита. Низкое напряжение чревато неполной зарядкой батареи и, соответственно, уменьшением срока ее службы. Работа аккумуляторной батареи зависит от температуры окружающего воздуха. При повышении температуры увеличивается отдаваемая мощность, но вместе с ней увеличивается саморазряд и коррозия электродов. Понижение температуры сопровождается снижением разрядной емкости, замедлением химических процессов и уменьшением плотности электролита. При отсутствии нагрузки процессы в аккумуляторной батарее продолжаются - происходит ее саморазряд. Величина саморазряда зависит от температуры окружающего воздуха и конструкции батареи (электродов). Срок службы аккумуляторной батареи составляет в среднем 4-5 лет и во многом зависит от режима эксплуатации. Производители постоянно работают над повышением эффективности аккумуляторной батареи, увеличением срока ее службы. Среди перспективных направлений: внедрение системы управления энергетическим балансом (регулирует подключение потребителей); использование двух аккумуляторных батарей (одна для запуска, другая для всего остального); совершенствование конструкции аккумуляторных батарей (AGM, EFB технологии). Параметры автомобильного аккумулятора Основными параметрами автомобильной аккумуляторной батареи являются: номинальная емкость, номинальное напряжение и ток холодной прокрутки. Данные параметры отражаются в маркировке аккумуляторной батареи, которая наносится на корпусе. Номинальная емкость определяется отдаваемой энергией полностью заряженной батареи при двадцатичасовом разряде. Измеряется в ампер-часах (Ач). К примеру, батарея емкостью 50 Ач в течение двадцати часов может отдавать ток 2,5 А. Большее практическое значение имеет т.н. резервная емкость. Данный неофициальный параметр измеряется в минутах. Резервная емкость аккумуляторной батареи легкового автомобиля при нагрузке 25 А и падении напряжения до 10,5 В должна составлять не менее 90 минут. В течение данного промежутка времени аккумулятор может работать за себя и за генератор. Номинальное напряжение аккумуляторной батареи складывается из напряжения отдельных аккумуляторов. Номинальное напряжение аккумуляторной батареи легкового автомобиля составляет 12 В. Ток холодной прокрутки определяет возможность аккумуляторной батареи при запуске в холодное время. Представляет собой величину тока, который батарея способна отдать при температуре -18оС в течение 10 с напряжением не менее 7,5 В. Чем выше ток холодной прокрутки, тем легче двигатель будет запускаться зимой. Как грамотно эксплуатировать аккумуляторную батарею.