Как влияет плотность электролита на эдс аккумулятора. Нормальное напряжение аккумулятора автомобиля и как его измерить. Где используются разные виды ЭДС

Выражаю искреннюю благодарность Кувалде (Kuvalda.spb.ru Ушкалов Евгений Юрьевич)
за поддержку и побудительство меня: тряхнуть стариной, вспомнить,
что я все-таки физик и химик, и взяться за старое:

Прежде всего, считаю долгом отметить, что (не смотря на мои старания) нижеприведенные соображения основаны на фундаментальных науках, а потому требуют все же некоторых усилий для осмысления. Не желающим прилагать эти усилия, а также тем, кто путает напряжение и емкость, читать не рекомендуется - берегите себя!

Для ясности изложения, и не желая перегружать текст слишком сложными понятиями термодинамики и химической кинетики, далеко выходящими за рамки общих курсов физики и химии технических вузов, я позволю себе некоторые упрощения (во всех случаях корректные), которые (ни в коем случае) не будут противоречить истине - заранее приношу свои извинения перфекционистам. Точные выкладки все желающие могут исполнить самостоятельно - вся необходимая литература имеется в любой научно-технической библиотеке

Путаница

Мои дискуссии на страницах уазовской конфы, ясно продемонстрировали, что не все участники автомобилизации страны ясно представляют себе что же такое аккумуляторная батарея. Чтобы быть понятым верно, постараюсь определить понятия с которыми буду иметь дело.

Батарея (АКБ)

Набор ячеек (банок), соединеных последовательно в количестве шести. В тексте на правах синонимов используются слова "аккумулятор" и АКБ.
Ячейка, она же "банка" -- элементарный элемент аккумулятора, состоящий как минимум (реально более 10) из одной пары активных пластин Pb - PbO2, залитых электролитом.

Напряжение

То, что измеряется на клеммах АКБ путем подключения тестера или напряжеметром, который находится на приборной панели. Исключительно внешняя характеристика. Зависит от множества факторов, как внешних по отношению к АКБ, так и внутренних.

В общем то, напряжение это единственная нормально измеряемая величина, ассоциированная с АКБ. Ничего другого нормально померить не удается. Ни емкость. Ни реальный ток. Ни внутреннее сопротивление, ни ЭДС

ЭДС

Сугубо внутренняя характеристика ячейки АКБ, к сожалению самым драматическим образом влияющая на внешние проявления АКБ.

Величина ЭДС определяется равновесным состоянием реакции основных реагентов. В нашем случае это Pb+PbO2+2H2SO4(-)+2H(+) = 2PbSO4+2H2O.

Определить ее формально достаточно сложно - для этого требуется применение сложных термодинамических расчетов термодинамического состояния системы, но в инженерной практике применяется инженерная формула, обеспечивающая инженерную точность для свинцовых аккумуляторов в диапазоне плотностей электолита 1.1-1.3 кг/л E=0.85+P где Р - плотность электолита.

Применяя ее для определения ЭДС при стандартном значении плотности электролита автомобильного аккумулятора 1.27 получаем значение 2.12В на банку или 12.7В на АКБ.
Для перфекционистов. Искать здесь размерность бессмысленно - как в большинстве формул для упрощенных инженерных рассчетов.

В практическом смысле эта формула нам еще пригодится.
С точностью, нас тут интересующей, никакие другие факторы на величину ЭДС не влияют. Зависимость ЭДС от температуры оценивается тысячными вольта на градус, чем очевидно можно пренебречь.
Все легирующие добавки и прочее серебро действительно улучшают эксплуатационные характеристики (повышают стабильность, увеличивают срок службы, снижают внутреннее сопротивление) но не влияют на ЭДС.

К сожалению, в современном аккумуляторе померить ее можно только косвенно и с известными допущениями. Например, допуская, что токи утечки равны нулю (то есть АКБ чистый и сухой снаружи, не имеет трещин и протечек внутри между банками, что в электролите нет солей металлов, а сопротивление измерительного прибора бесконечно).

Для измерений с интересующей нас точностью, достаточно просто отсоединить АКБ от всех потребителей (снять клемму) и воспользоваться цифровым мультиметром (тут надо иметь в виду, что класс точности большинства этих приборов не позволяет определить истинное значение, делая их пригодными лишь для относительных измерений).

Внутреннее сопротивление

Величина играющая ключевую роль в нашем восприятии действительности АКБ.
Именно благодаря ему, точнее его увеличению, происходят все неприятности, связанные с АКБ.

Упрощенно это можно представить как подключенный последовательно с аккумулятором резистор, некоторого сопротивления:

Величина, которую невозможно не пощупать, ни померить. Зависит она от конструктивных особенностей АКБ, емкости, степени его разряженности, наличию сульфатации пластин, внутренних обрывов, концентрации электролита и его количества и, конечно же, температуры. К сожалению, внутреннее сопротивление зависит не только от "механических" параметров, но и от тока, при котором работает АКБ.

Чем АКБ больше, тем внутреннее сопротивление меньше. У новой АКБ 70-100 Ач величина внутреннего сопротивления около 3-7 мОм (при нормальных условиях).

При понижении температуры скорость обмена химических реакций падает, а внутреннее сопротивление, соответственно, возрастает.

У нового аккумулятора внутреннее сопротивление самое маленькое. В основном оно определяется конструкцией токонесущих элементов и их сопротивлением. Но в процессе эксплуатации начинают накапливаться необратимые изменения - уменьшается активная поверхность пластин, появляется сульфатация, изменяются свойства электролита. И сопротивление начинает возрастать.

Ток утечки

Присутствует в аккумуляторе любого типа. Бывает внутренним и внешним .

Внутренний ток утечки невелик и для современной батареи 100Ач составляет около 1 мА (примерно эквивалентно потери 1% емкости в месяц) Его величина определяется чистотой электролита, особенно степенью загрязненности его солями металлов.

Надо заметить, что внешние токи утечки через бортовую сеть автомобиля, существенно выше внутренних исправного АКБ.

Процессы

Нежелающие "вдаваться" могут пропустить этот раздел и перебраться прямо к разделу

Разряд аккумулятора

При разряде аккумулятора генерируется ток за счет осаждения SO4 на пластинах, в связи с чем снижается концентрация электролита и постепенно повышается внутреннее сопротивление.

Характеристики разряда АКБ.
Верхняя кривая соответствует току десятичасового разряда
Нижняя - трехчасового

При полном разряде практически вся активная масса превращается в сернокислый свинец. Именно поэтому долгое пребывание в состоянии разрядки губительно для аккумулятора. Чтобы избежать сульфатации необходимо как можно быстрее провести зарядку батареи.

При этом, чем больше в АКБ электролита (относительно массы свинца) тем меньше снижается ЭДС ячейки. Для разряженного на 50% аккумулятора падение ЭДС составляет около 1%. Кроме того, "запас" электролита у разных производителей разный, поэтому и снижение ЭДС, равно как и плотности электролита будет отличаться.

Из-за незначительного снижения ЭДС практически невозможно определить степень разряженности батареи, просто измеряя напряжение на ней (для этого существуют нагрузочные вилки, задающие значительный ток). Особенно применяя штатный напряжеметр (прибор это не является вольтметром в точном понимании этого слова - скорее индикатором напряжения) автомобиля.

Максимальный ток, который способна обеспечить батарея в основном зависит от активной поверхности пластин, а ее емкость от активной массы свинца. При этом более толстые пластины могут быть даже менее эффективны, поскольку "внутренние слои свинца при этом трудно сделать "активными". Кроме того, требуется дополнительный электролит.
Чем более пористой ухитрился сделать производитель пластину, тем больший ток она способна обеспечить.

Поэтому все батареи, построенные по сходной технологии обеспечивают примерно одинаковые стартовые токи, но более тяжелые могут обеспечить большую емкость при сопоставимых размерах.

Зарядка Батареи

Процесс зарядки батареи состоит в электрохимическом разложении PbSO4 на электродах под воздействием постоянного тока внешнего источника.
Процесс заряда полностью разряженной батареи похож на процесс разряда как бы "перевернутый" вверх ногами.

Первоначально ток заряда ограничен лишь способностью источника генерировать необходимый ток и сопротивлением токонесущих элементов. Теоретически он ограничен только кинематикой процесса растворения (скоростью с которой продукты реакции выводятся из активной зоны). Затем, по мере "растворения" молекул серной кислоты, ток снижается.

Если бы можно было пренебречь побочными процессами, при полной зарядке батареи ток стал бы равен нулю. Аккумулятор перестает "принимать" заряд. К сожалению в реальной батарее всегда есть ток утечки и вода. Для компенсации тока утечки применяется постоянный подзаряд батареи.

Стандартно свинцовую АКБ рекомендуют заряжать используя источник напряжения.
Рекомендуемое напряжении заряда на одну ячейку (по данным VARTA) составляет приблизительно 2.23В или 13.4В на всю батарею. Более высокое напряжение заряда приводит к более быстрому накоплению заряда, но одновременно увеличивает количество разлагаемой воды.

Легенда:
"Перезаряженный" аккумулятор портится и теряет емкость.
Действительно Ni-Cd аккумуляторы портятся (теряют емкость) при длительном перезаряде, чего не происходит со свинцовыми. Свинцовые при заряде большими напряжениями только теряют воду (выкипает именно вода) - в широких пределах процесс полностью обратим простым добавлением воды. При длительным подзаряде "правильным" напряжением (2.23В) потерь воды не происходит.

К счастью для нас, свинцовый аккумулятор не портится в режиме непрерывного подзаряда. Напротив, этот режим всячески поощряется и рекомендуется. Поэтому на автомобиле (и во всех прочих случаях промышленного использования) свинцовые АКБ находятся в режиме постоянной подзарядки при напряжениях в пределе 2.23 - 2.4В на ячейку.

Из рисунка видно, что при увеличении избыточного напряжения на аккумуляторе в два раза, ток подзаряда возрастает в десять раз, что приводит к неоправданному расходу воды и преждевременному выходу АКБ из строя.

Для современного аккумулятора ток оптимальный ток подзаряда около 15 мА (что как раз и соответствует напряжению подзаряда в 2.23В на ячейку). При таком токе вода, разлагающаяся при электролизе, "успевает" рекомбинировать в растворе и не теряется - то есть процесс может продолжаться бесконечно долго (в инженерном смысле).

Практика

Напряжение на АКБ

Многие путают напряжение на батарее с ЭДС аккумулятора. Как уже отмечалось, эти величины взаимосвязаны, но не тождественны. Тут колоссальную роль играет внутреннее сопротивление.

Например при разряде стартерными токами, обозначенными порядка 400 А, внутреннее сопротивление в 4 мОм в соответствии с законом Ома превращается в падение напряжения в 1.6 В, сопротивление поляризации добавляет еще около 0.5В - и это в самом начале разряда. Приведенные данные соответствуют новым АКБ емкостью порядка 100 Ач. Для старых, устаревших батарей или батарей меньшей емкости потери будут больше. Для батареи в 50 Ач того же типа потер приблизительно вдвое больше.

При заряде от генератора (который прикидывается источником напряжения, на самом деле являясь источником тока, придушенным регулятором), напряжение должно соответствовать условиям быстрого подзаряда и определяется реле регулятором.

Поскольку средний пробег автомобиля недостаточен для полной зарядки аккумулятора, применяется компромиссное значение напряжения, несколько превышающее оптимальное значение подзаряда в 2.23В на банку или 13.38 на батарею, но несколько меньшее, чем напряжение быстрой подзарядки в 2.4В (14.4В на батарею). Оптимальным считается значение 13.8-14.2В. При этом потери воды остаются приемлемыми, а аккумулятор получает достаточно полный заряд при среднестатистическом пробеге.

Старение (разряд) АКБ приводит к тому, что напряжение, которое он способен обеспечить под нагрузкой падает за счет больших потерь на внутреннем сопротивлении, при том, что без нагрузки его значение остается практически тождественным новому (полностью заряженному). Поэтому определить состояние АКБ просто вольтметром практически не представляется возможным.

Разные типы батарей могут иметь разные плотности электролита. При этом ЭДС (и соответственно напряжение разомкнутого аккумулятора) может несколько отличаться для разных батарей. При этом разряженная батарея с большей плотностью электролита может выдавать большее значение напряжения, чем полностью заряженная батарея с меньшей плотностью электролита.

Легенда:
Напряжение на АКБ зависит от температуры.
Напряжение отсоединенного аккумулятора практически не зависит от температуры. Зависит внутреннее сопротивление и количество запасенной энергии. Стартер плохо крутит по причине большого падения напряжения на внутреннем сопротивлении, а ограничение времени работы стартера связано с пониженной емкостью аккумулятора из за сниженной активности химических реакций.

Соединение АКБ

Именно эта тема и вынудила меня взяться за этот масштабный труд. Выводы, представленные тут, основаны на аргументации, приведенной выше. Практические выводы аргументации не требуют.

Легенда 1
Автомобильные аккумуляторы соединять параллельно нельзя, поскольку при этом аккумулятор, обладающий большим напряжением будет постоянно дозаряжать аккумулятор с меньшим напряжением. Соответственно один будет постоянно перезаряжен, а другой разряжен.

В этой легенде присутствует несколько фактических и понятийных ошибок.

Ячейка АКБ образуется несколькими парами (или несколькими десятками пар) пластин, срединными параллельно для повышения эффективной поверхности элемента. Так что параллелизм заложен в основе технологии аккумулятора.

Напряжение на аккумуляторе при отсутствии нагрузке условно равно его ЭДС.
Как известно, величина ЭДС практически не зависит ни от каких внешних и внутренних параметров, кроме плотности электролита. Эта величина не зависит ни от емкости АКБ, ни от пористости электрода, ни от легирующих добавок, ни от материала токоведущих частей. Также слабо она зависит от степени разряженности батареи. Поэтому напряжение двух свинцовых автомобильных аккумуляторов, соответствующих нормам будет всегда близким . Технологическая разница, возникающая за счет неточности плотности электролита (1.27-1.29 по ГОСТ, допуски VARTA на порядок меньше) может быть легко определена (см. выше) и составляет 0.02В, то есть 20 мВ.

Если считать, что в момент прекращения заряда (выключения двигателя) оба аккумулятора полностью заряжены, максимально возможная разность потенциалов на их клеммах составит 20 мВ, независимо от их состояния, производителя и проч.

Даже если предположить, что используются АКБ разных классов (например автомобильная и промышленна с плотностью электролита 1.25), то и в этом случае разность потенциалов составить лишь около 40 мВ. Для полностью заряженной батареи это приведет к возникновению тока электролиза порядка 3-5 мА, что примерно соответствует току утечки не очень хорошего аккумулятора.

Разряд такими токами для батареи несущественен, а перезаряд не наступает.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда параллельно объединены два аккумулятора существенно разной емкости.

В начале зарядки, когда ток ограничен возможностями генератора, естественно предположить, что он поделится между батареями пропорционально активной площади пластин. То есть степень заряженности аккумуляторов при неполном заряде будет примерно одинаковой (коротком пробеге).. Система будет себя вести как большой аккумулятор, который не успел дозарядиться.

Легенда 2
В импортных автомобилях используют специальные реле для подключения батарей дополнительного оборудования (Auxiliary), чтобы не соединять их параллельно (Легенда 1)

Полная чушь, имея ввиду вышесказанное. Это реле служит для куда более прозаичной цели. При большой нагруженности электросистемы автомобиля дополнительным оборудованием (типа телевизор, музыка большой мощности, холодильник и проч), существует большая вероятность "посадить" аккумулятор. Для того, чтобы после того, как весело провел день на природе под музыку, все таки уехать, стартерную батарею отключают, избегая тем самым ее глубокого разряда.
Есть старый анекдот про наших ментов, которые всласть "настрелявшись" радаром суетились "прикурить":

Так вот этот эффект куда значительнее, чем "перезарядки".

Практические выводы

Параллельно соединять аккумуляторы возможно, но учитывая следующие рекомендации.

• Не стоит использовать АКБ разных классов (например автомобильные и промышленные), а так же различных исполнений (например тропического и арктического) поскольку они используют электролит разной плотности.
• При длительной стоянке стоит отключать АКБ не только от потребителей, но и друг от друга.

Аккумулятор - ЭДС аккумулятора - Электродвижущая сила

Эдс аккумулятора, не включенного на нагрузку, составляет в среднем 2 Вольта. Она не зависит от величины аккумулятора и размера его пластин, а определяется различием активных веществ положительных и отрицательных пластин.
В небольших пределах эдс может изменяться от внешних факторов, из которых практическое значение имеет плотность электролита, т. е. большее или меньшее содержание кислоты в растворе.

Электродвижущая сила разряженного аккумулятора, имеющего электролит высокой плотности, будет больше эдс заряженного аккумулятора с более слабым раствором кислоты. Поэтому о степени заряда аккумулятора с неизвестной начальной плотностью раствора не следует судить на основании показаний прибора при измерении эдс без подключенной нагрузки.
Аккумуляторы имеют внутреннее сопротивление, которое не остается постоянным, а изменяется во время заряда и разряда в зависимости от химического состава активных веществ. Одним самым очевидным фактором сопротивления батареи является электролит. Поскольку сопротивление электролита зависит не только от его концентрации, но и от температуры, то и сопротивление аккумулятора зависит от температуры электролита. С увеличением температуры сопротивление уменьшается.
Наличие сепараторов также повышает внутренней сопротивление элементов.
Другим фактором, увеличивающим сопротивление элементов, является сопротивление активного материала и решеток. Кроме того, на сопротивление аккумуляторной батареи влияет степень заряда. Сульфат свинца, образующийся во время разряда как на положительных, так и на отрицательных пластинах, не проводит электричества, и его присутствие значительно повышает сопротивление прохождению электрического тока. Сульфат закрывает поры пластин, когда последние находятся в заряженном состоянии, и таким образом препятствует свободному доступу электролита к активному материалу. Поэтому, когда элемент заряжен, сопротивление его оказывается меньше, чем в разряженном состоянии.

Аккумуляторная батарея - одно из самых сложных устройств современного автомобиля. В ней непрерывно протекают многие электрохимические и физические процессы, взаимосвязанные и в значительной мере обусловленные влиянием внешних факторов. И как любое сложное устройство, требует соответствующего ухода при соответствующей квалификации.

Автолюбителя, в большинстве своем, интересуют чисто практические вопросы. Такие, как например, почему батарея уже через два сезона не обеспечивает пуск совершенно исправного двигателя? Почему батарея прослужила всего два года, а не 5 или 8 лет, хотя и прошел автомобиль по 3 тысячи км в год из-за отсутствия бензина? Что надо делать для того, чтобы аккумуляторная батарея служила долго и не подводила в самый неподходящий момент? И сколько ей уделять времени, и не следует ли с ней возиться каждый день? И многие другие подобные вопросы.

Для ответов на эти вопросы необходимо пользоваться не только готовыми рекомендациями и инструкциями, но и иметь определенный уровень знаний об аккумуляторных батареях.

Аккумуляторы, как и иные химические источники тока, интенсивно изучаются и совершенствуются, однако зачастую многие публикации недоступны для автолюбителя и понимание ряда вопросов требует специальной профессиональной подготовки. Во многих журнальных статьях, пособиях, рекомендациях, инструкциях и т.п. наряду с безусловно правильной и полезной информацией много субъективизма, а в ряде случаев, к сожалению, просматривается непонимание, незнание и корпоративные интересы авторов (особенно в журнале "За рулем").

Настоящее пособие преследует очень простую цель - дать автолюбителю начальные знания по уходу за аккумуляторной батареей. Мы старались избежать сложных теоретических выкладок м формул. Тем не менее, полностью исключить теоретические сведения нельзя.

Без понимания основных процессов, протекающих в аккумуляторе в тех или иных условиях, невозможно построить оптимальную тактику ухода за аккумуляторной батареей в реальных условиях эксплуатации

(собственно аккумулятора), избежать досадных ошибок, даже пользуясь огромным количеством правильных рекомендаций.

Мы понимаем, что данное пособие тоже не лишено недостатков, однако постарались в логической последовательности изложить известные факты, различные методики и выполняемые работы по уходу за

аккумулятором. Надеемся, что материал, изложенный в пособии, поможет автолюбителю в уходе за аккумуляторной батареей.

2. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ В АККУМУЛЯТОРЕ

2.1. Понятия и определения

Аккумулятор является обратимым источником тока. Он способен отдавать в нагрузку во внешней цепи ранее запасенную энергию. На легковые автомобили устанавливаются аккумуляторные батареи, состоящие из шести последовательно включенных аккумуляторов. Они способны обеспечивать большие разрядные токи и относятся к классу стартерных аккумуляторных батарей. Это отражено в маркировке батарей. Например, батарея 6СТ-55 содержит 6 аккумуляторов, стартерная, номинальная энергоемкость составляет 55 ампер-часов.

Приведем некоторые основные понятия и определения, характеризующие аккумуляторную батарею в различных режимах работы.

Электродвижущая сила (ЭДС) - это разность электродных потенциалов при разомкнутой электрической цепи. ЭДС аккумулятора зависит от плотности температуры электролита и состава активной массы пластин. Выражается ЭДС в вольтах и обычно обозначается буквой Е . Измерить ЭДС можно вольтметром с большим внутренним сопротивлением, превышающим 20 кОм.

ЭДС покоя (Е0) - это ЭДС аккумулятора, находящегося длительное время (более 2-3 часов) без нагрузки.

ЭДС аккумулятора под нагрузкой отличается от ЭДС покоя. Это вызвано том, что при прохождении тока в цепи на электродах и в электролите происходят необратимые физические и химические процессы, связанные с потерей энергии. Один из них - это процесс поляризации.

ЭДС поляризации (Еп ) - это ЭДС аккумулятора при наличии поляризации пластин.

Еп всегда направлена навстречу току.

При заряде ЭДС аккумулятора равна сумме ЭДС покоя и ЭДС поляризации:

Е = Е0 + Еп ,

а при заряде

Е = Е0 - Еп .

Величину Е называют динамической ЭДС, или просто ЭДС аккумулятора.

В замкнутой электрической цепи постоянного тока, когда к аккумулятору подключены потребители, связи между ЭДС, проходящим по цепи током и сопротивлением цепи определяется по закону Ома:

Е = I (R + r), (1)

где Е - ЭДС, В;

I - сила тока в цепи, А;

R - активное сопротивление внешней цепи, Ом;

r - полное сопротивление участка электрической цепи внутри самого источника тока, Ом.

Выражение (1) можем переписать в виде:

Е = IR + Ir , (2)

т.е. ЭДС аккумулятора компенсирует падение напряжения на внешней цепи U=IR и падение напряжения внутри самого источника тока на его полном внутреннем сопротивлении Ur=I*r .

Величина U=I*R - это напряжение аккумулятора. Это напряжение на зажимах аккумулятора, которое используется для работы потребителей тока.

Из уравнения (2) видно, что при работе аккумулятора его напряжение U всегда меньше чем ЭДС, так как

U = E - Ur .

По мере износа аккумулятора его внутреннее сопротивление возрастает. Это одна из причин пониженного напряжения на зажимах аккумулятора под нагрузкой. поскольку увеличивается Ur. У разряженного аккумулятора ситуация подобная.

Различают зарядное напряжение, равное

Uэ = E + Iз*r ,

и разрядное напряжение:

Uр - E - Iр*r ,

где Iз - зарядный ток, А;

Iр - разрядный ток, А;

r - внутреннее сопротивление аккумулятора, Ом.

Нормальный зарядный ток - величина зарядного тока (А ).

численно равная 0.1 емкости аккумуляторной батареи, выраженная в ампер-часах.

Внутреннее сопротивление аккумулятора складывается из сопротивления электродов, электролита и сопротивления, обусловленного сепараторами (прокладками между пластинами). Внутреннее сопротивление - величина непостоянная. Оно зависит от конструкции электродов, состояния активной массы, плотности электролита, температуры. В полностью заряженном аккумуляторе внутреннее сопротивление значительно меньше, чем у разряженного. Объясняется это тем, что электропроводность активной массы заряженного аккумулятора выше, чем у разряженного.

Емкость аккумулятора - это количество электричества, которое может запасти или отдать аккумулятор.

Емкость зависит от величины тока разряда. Емкость аккумулятора определяется как величина, равная произведению постоянного тока на время при 20-часовом режиме разряда до напряжения 1.7 В:

Q20 = Ip*tp = Ip*20 (А*ч),

где Iр - величина разрядного тока,

tр - время разряда.

Емкость по току разрядная Qр - номинальная емкость аккумулятора при разряде:

Qp = Ip*tp ,

где Ip - величина разрядного тока, А;

tp - время разряда.

Зарядная емкость аккумулятора - характеризует количество электричества, полученное аккумулятором в процессе заряда:

Qз = Iз * tз ,

где Qз - зарядная емкость, А*ч;

Iз - зарядный ток, А;

tз - время заряда, ч.

У современных аккумуляторов КПД по емкости равно 0.85.

Емкость по энергии - характеризует способность аккумулятора выполнить электрическую работу за определенное время.

Измеряется в ватт-часах.

Емкость по энергии при разряде:

Ap = Up * Ip * tp ,

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.

Давайте рассмотрим основные параметры аккумулятора, которые понадобяться нам при его эксплуатации.

1. Электродвижущая сила (ЭДС) аккумуляторной батареи - напряжение между выводами аккумуляторной батареи при разомкнутой внешней цепи (и, конечно-же, при отсутствии каких-либо утечек). В «полевых» условиях (в гараже) ЭДС можно измерить любым тестером, перед этим сняв одну из клемм («+» или «-») с аккумулятора.

ЭДС аккумулятора зависит от плотности и от температуры электролита и совершенно не зависит от размеров и формы электродов, а также от количества электролита и активных масс. Изменение ЭДС аккумулятора от температуры весьма мало и при эксплуатации им можно пренебречь. С повышением плотности электролита ЭДС повышается. При температуре плюс 18°С и плотности d = 1,28 г/см 3 аккумулятор (имеется в виду одна банка) обладает ЭДС рав­ной 2,12 В (АКБ - 6 х 2,12 В = 12,72 В). Зависимость ЭДС от плотности электролита при изме­нении плотности в пределах 1,05 ÷ 1,3 г/см 3 вы­ражается эмпирической формулой

Е=0,84+d , где

Е - ЭДС аккумулятора, В;

d - плотность электролита при температуре плюс 18°С, г/см 3 .

По ЭДС нельзя точно судить о степени разряженности ак­кумулятора. ЭДС разряженного аккумулятора с большей плот­ностью электролита будет выше, чем ЭДС заряженного акку­мулятора, но имеющего меньшую плотность электролита.

Путём измерения ЭДС можно только быстро обнаружить серьезную неисправность аккумуляторной батареи (замыкание пластин в одной или нескольких банках, обрыв соединительных проводников между банками и тому подобное).

2. Внутреннее сопротивление аккумулятора представляет собой сумму сопротивлений выводных зажимов, межэлементных соеди­нений, пластин, электролита, сепараторов и сопротивления, во­зникающего в местах соприкосновения электродов с электро­литом. Чем больше емкость аккумулятора (число пластин), тем меньше его внутреннее сопротивление. С понижением темпера­туры и по мере разряда аккумулятора его внутреннее сопротив­ление растет. Напряжение аккумулятора отличается от его ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении ак­кумулятора.

При заряде U 3 = Е + I х R ВН ,

а при разряде U Р = Е - I х R ВН , где

I - ток, протекаю­щий через аккумулятор, A;

R ВН - внутреннее сопротивление акку­мулятора, Ом;

Е - ЭДС аккуму­лятора, В.

Изменение напряже­ния на аккумуляторной батарее при ее заряде и разряде показано на Рис. 1.

Рис.1. Изменение напряжения аккумуляторной батареи при её заряде и разряде.

1 - начало газовыделения, 2 - заряд, 3 - разряд.

Напряжение автомобильного генератора, от которого производится заряд батареи, составляет 14,0÷14,5 В . На автомобиле батарея, даже в лучшем случае, при полностью благоприятных условиях, остается недозаряженной на 10÷20% . Виной всему - работа автомобильного генератора.

Достаточное для зарядки напряжение генератор начинает выдавать при 2000 об/мин и более. Обороты холостого хода 800÷900 об/мин . Стиль езды в городе: разгон (длительность меньше минуты), торможение, остановка (светофор, пробка - длительность от 1 минуты до ** часов). Заряд идёт только во время разгона и движения на довольно высоких оборотах. В остальное время идёт интенсивный разряд АКБ (фары, прочие потребители электроэнергии, сигнализация - круглосуточно ).

Ситуация улучшается при движении за городом, но не критическим образом. Длительность поездок не так велика (полный заряд батареи - 12÷15 часов ).

В точке 1 - 14,5 В начинается газовыделение (электролиз воды на кислород и водород), увеличивается расход воды. Другой неприятный эффект при электролизе - увеличивается коррозия пластин, поэтому не следует допускать длительного превышения напряжения 14,5 В на клеммах АКБ.

Напряжение автомобильного генератора (14,0÷14,5 В ) выбрано из компромиссных условий - обеспечение более-менее нормальной зарядки батареи при уменьшении газообразования (снижается расход воды, понижается пожароопасность, уменьшается скорость разрушения пластин).

Из вышесказанного можно сделать вывод, что батарею нужно периодически, хотя бы раз в месяц, полностью дозаряжать внешним зарядным устройством для уменьшения сульфатации пластин и увеличения срока службы.

Напряжение аккумуляторной батареи при ее разряде стартерным током (I Р = 2÷ 5 С 20) зависит от силы раз­рядного тока и темпе­ратуры электролита. На Рис.2 показаны вольт-амперные харак­теристики аккумуля­торной батареи 6СТ-90 при различной темпе­ратуре электролита. Если разрядный ток будет постоянным (например, I Р = 3 С 20 , линия 1), то напряжение батареи при разряде будет тем меньше, чем ниже ее температура. Для сохранения по­стоянства напряжения при разряде (линия 2) необходимо с пониже­нием температуры ба­тареи снижать силу разрядного тока.

Рис.2. Вольт-амперные характеристики АКБ 6СТ-90 при различной температуре электролита.

3. Емкостью аккумулятора (С) называется количество электри­чества, которое аккумулятор отдает при разряде до наименьшего допустимого напряжения. Ёмкость аккумулятора выражается в Ампер-часах (А ч ). Чем больше сила разрядного тока, тем ниже напряжение, до которого может разряжаться аккумулятор, например при определении номинальной емкости аккумуляторной батареи разряд ведется током I = 0,05С 20 до напряжения 10,5 В , температура электролита должна быть в интервале +(18 ÷ 27)°С , а время разряда 20 ч . Считается, что конец срока службы батареи наступает, когда ее емкость составляет 40% от С 20 .

Емкость батареи в стартерных режимах определяется при температуре +25°С и разрядном токе ЗС 20 . В этом случае время разряда до напряжения 6 В (один вольт на аккумулятор) дол­жно быть не менее 3 мин .

При разряде батареи током ЗС 20 (температура электро­лита -18°С ) напряже­ние батареи через 30 с после начала разряда должно быть 8,4 В (9,0 В для необслужи­ваемых батарей), а после 150 с не ниже 6 В . Этот ток иногда называют током холодной прокрутки или пусковым током , он может отличаться от ЗС 20 Этот ток указывается на корпусе батареи рядом с ее емкостью.

Если разряд происходит при постоянной силе тока, то ем­кость аккумуляторной батареи определяется по формуле

С = I х t где,

I - ток разряда, A;

t - время разряда, ч.

Емкость аккумуляторной батареи зависит от ее конструкции, числа пластин, их толщины, материала сепаратора, пористости активного материала, конструкции решетки пластин и других факторов. В эксплуатации емкость батареи зависит от силы разрядного тока, температуры, режима разряда (прерывистый или непрерывный), степени заряженности и изношенности акку­муляторной батареи. При увеличении разрядного тока и степени разряженности, а также с понижением температуры емкость ак­кумуляторной батареи уменьшается. При низких температурах падение емкости аккумуляторной батареи с повышением разряд­ных токов происходит особенно интенсивно. При температуре −20°С остается около 50% от емкости батареи при температуре +20°С.

Наиболее полно состояние аккумуляторной батареи показывает как раз её ёмкость. Для определения реальной емкости достаточно полностью заряженную исправную батарею поставить на разряд током I = 0,05 С 20 (например, для батареи с ёмкостью 55 Ач, I = 0,05 х 55 = 2,75 А). Разряд следует продолжать до достижения величины напряжения на батарее 10,5 В . Время разряда должно составить не менее 20 часов .

В качестве нагрузки при определении ёмкости удобно использовать автомобильные лампы накаливания . Например, чтобы обеспечить разрядный ток 2,75 А , при котором потребляемая мощность составит Р = I x U = 2,75 А x 12,6 В = 34,65 Вт , достаточно соединить параллельно лампу на 21 Вт и лампу на 15 Вт . Рабочее напряжение ламп накаливания для нашего случая должно быть 12 В . Конечно, точность установки тока подобным образом - «плюс-минус лапоть», но для приблизительного определения состояния аккумуляторной батареи вполне достаточно, а так-же дёшево и доступно.

При проверке таким образом новых батарей, время разряда может оказаться меньше 20 часов. Это обусловлено тем, что номинальную ёмкость они набирают после 3÷ 5 полных циклов заряд-разряд.

Ёмкость АКБ можно оценить также с помощью нагрузочной вилки . Нагрузочная вилка состоит из двух контактных ножек, рукоятки, переключаемого нагрузочного сопротивления и вольтметра. Один из возможных вариантов показан на Рис.3.

Рис.3. Вариант нагрузочной вилки .

Для проверки современных батарей, у которых доступны только выходные клеммы, надо использовать 12-ти вольтовые нагрузочные вилки . Нагрузочное сопротивление выбирается таким, чтобы обеспечить нагрузку аккумулятора током I = ЗС 20 (например, при ёмкости батареи 55 Ач, нагрузочное сопротивление должно потреблять ток I = ЗС 20 = 3 х 55 = 165 А). Нагрузочная вилка подсоединяется параллельно выходным контактам полностью заряженной батареи, замечается время, в течение которого выходное напряжение снизится от 12,6 В до 6 В . Это время у новой, исправной и полностью заряженной батареи должно быть не менее трёх минут при температуре электролита +25°С .

4. Саморазряд аккумулятора. Саморазрядом называют снижение емкости аккумуляторов при разомкнутой внешней цепи, то есть при бездействии. Это явление вызвано окислительно-восстановительными процессами, самопроизвольно протекающими как на отрицательном, так и на положительном электродах.

Саморазряду особенно подвержен отрицательный электрод вследствие самопроизвольного растворения свинца (отрицательной активной массы) в растворе серной кислоты.

Саморазряд отрицательного электрода сопровождается выделением газообразного водорода. Скорость самопроизвольного растворения свинца существенно возрастает с повышением концентрации электролита. Повышение плотности электролита с 1,27 до 1,32 г/см 3 приводит к росту скорости саморазряда отрицательного электрода на 40 %.

Саморазряд может возникать также, когда аккумулятор снаружи загрязнен или залит электролитом, водой или другими жидкостями, которые создают возможность разряда через электропроводную пленку, находящуюся между полюсными выводами аккумулятора или его перемычками.

Саморазряд батарей в значительной мере зависит от температуры электролита . С понижением температуры саморазряд уменьшается. При температуре ниже 0°С у новых батарей он практически прекращается. Поэтому хранение батарей рекомендуется в заряженном состоянии при низких температурах (до −30°С). Всё это показано на Рис.4 .

Рис.4. Зависимость саморазряда АКБ от температуры.

В процессе эксплуатации саморазряд не остается постоянным и резко усиливается к концу срока службы.

Для снижения саморазряда необходимо использовать возможно более чистые материалы для производства аккумуляторов, использовать только чистую серную кислоту и дистиллированную воду для приготовления электролита, как при производстве, так и при эксплуатации.

Обычно степень саморазряда выражают в процентах потери емкости за установленный период времени. Саморазряд аккумуляторов считается нормальным, если он не превышает 1% в сутки, или 30% емкости батареи в месяц.

5. Срок хранения новых батарей. В настоящее время автомобильные батареи выпускаются заводом-изготовителем только в сухозаряженном состоянии. Срок хранения батарей без эксплуатации весьма ограничен и не превышает 2 лет (гарантийный срок хранения 1 год ).

6. Срок службы автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей - не менее 4-х лет при соблюдении установленных заводом условий эксплуатации. Из моей практики шесть батарей прослужили по четыре года, а одна, самая стойкая, - целых восемь лет.