Устройтсво и работа аккумуляторной батареи (аккумулятора)
В настоящее время все еще самым распространенным аккумулятором является кислотный. Прежде всего, технология его изготовления и стоимость оптимальны, как для производителя, так и для нас потребителей. Кислотный аккумулятор состоят из отдельных элементов питания (так называемых банок) каждая банка сделана по аналогии и подобию. Принцип работы каждой банки сводится к физико — химической реакции в ней, выделению в результате этого электричества, на выводах электродов банки.
Банки в аккумуляторе соединяются последовательно, для повышения потенциала напряжения. Если одна из банок откажет по какой-то причине, то аккумулятор сможет работать определенное время на других банках, если это только не разрыв цепи, при этом, будет наблюдаться падение напряжение, соизмеримое с числом банок вышедших из строя.
Химические процессы протекающие в аккумуляторе при работе
Протекающий процесс физико-химической реакции в аккумуляторе называется электролизом. Для его осуществления необходимо два материала – двуокись свинца (РЬО2 – положительный электрод) и свинец (РЬ — отрицательный электрод). Конечно, применяться могут и другие материалы, но принцип остается тот же.
Итак, серная кислота и те два материала, про которые мы уже упоминули реагирют следующим образом:
При разряде (работе) аккумулятора на отрицательном электроде:
Из Рb + HSO4 = РЬSO4 + Н + выделившиеся в результате реакции электроны
… на положительном электроде:
РbО2+ HSO4+3Н+электроны = РbSO4+2Н2О
При зарядке аккумулятора на отрицательном электроде:
РbSO4 + Н + электроны = Рb+ HSO4
… на положительном электроде:
РЬSO4+2Н2О = РЬО2+ HSO4+3Н+электроны
Из реакций видно, что она обратимая, это является важнейшим свойством аккумулятора. Обратимость аккумулятора позволяет разряжать и заряжать его определенное количество раз. Конечно, через какое-то время пластины крошаться, концентрация кислоты падает, аккумулятор приходит в негодность.
Хороший кислотный аккумулятор может зарядится, разрядится 500 раз, с сохранением своих номинальных параметров. Зарядка, разрядка аккумулятор назвается циклом, то есть аккумулятор способен быть работоспособным в течении порядка 500 циклов.
Также важно заметить, что в реакции присутствует газ — водород, который выделяется в воздух и в последствии регенерируется из него же. В следствии этой особенности кислотные аккумуляторы не подлежат полной герметизации, то есть они зависимы от сообщения с внешней средой, с атмосферой. Именно поэьтому при зарядке рекомендуется выкручивать пробки банок аккумуляторов. Но об этом мы еще поговрим в разделе «Режимы зарядки аккумулятора».
Заряд АКБ
Заряд свинцовых аккумуляторных батарей необходимо производить от источника постоянного (выпрямленного) тока. Можно использовать любые выпрямители, допускающие регулировку зарядного тока или напряжения. При этом зарядное устройство, предназначенное для заряда одной 12-вольтовой батареи, должно обеспечить возможность увеличения зарядного напряжения до 16,0-16,5 В, поскольку иначе не удастся зарядить современную необслуживаемую батарею полностью (до 100% ее фактической емкости).
Положительный провод (клемму) зарядного устройства соединяют с положительным выводом батареи, отрицательный — с отрицательным.
В практике эксплуатации пользуются, как правило, одним из двух методов заряда батареи: заряд при постоянстве тока или заряд при постоянстве напряжения. Оба эти метода равноценны с точки зрения их влияния на долговечность батареи. При выборе зарядного устройства следует руководствоваться информацией, приведенной ниже.
Заряд при постоянстве тока
Заряд батареи производится при постоянной величине зарядного тока, равной 0,1 х С20 (0,1 от номинальной емкости при 20-часовом режиме разряда). Это значит, что для батареи емкостью 60 А•ч ток заряда должен быть равен 6 А. Для поддержания постоянства тока в течение всего процесса заряда необходимо регулирующее устройство.
Недостаток такого способа — необходимость постоянного (каждые 1-2 часа) контроля и регулирования зарядного тока, а также обильное газовыделение в конце заряда.
Для снижения газовыделения и повышения степени заряженности батареи целесообразно ступенчатое снижение силы тока по мере увеличения зарядного напряжения. Когда напряжение достигнет 14,4 В, зарядный ток уменьшают в два раза (3 Ампера для батареи емкостью 60 А•ч) и при таком токе продолжают заряд до начала газовыделения. При заряде батарей последнего поколения, которые не имеют отверстий для доливки воды, целесообразно при увеличении зарядного напряжения до 15 В еще раз уменьшить ток в два раза (1,5 А для батарей емкостью 60 А•ч).
Батарея считается полностью заряженной, когда ток и напряжение при заряде сохраняются без изменения в течение 1-2 часов. Для современных необслуживаемых батарей такое состояние наступает при напряжении 16,3-16,4 В в зависимости от состава сплавов решеток и чистоты электролита.
Заряд при постоянстве напряжения
При заряде этим методом степень заряженности АКБ по окончании заряда напрямую зависит от величины зарядного напряжения, которое обеспечивает зарядное устройство. Так, например, за 24 часа непрерывного заряда при напряжении 14,4 В 12-вольтовая батарея зарядится на 75-85%, при напряжении 15 В — на 85-90%, а при напряжении 16 В — на 95-97%. Полностью зарядить батарею в течение 20-24 часов можно при напряжении зарядного устройства 16,3-16,4 В.
В первый момент включения тока его величина может достигать 40-50 А и более, в зависимости от внутреннего сопротивления (емкости) батареи. Поэтому зарядное устройство снабжают схемными решениями, ограничивающими максимальный ток заряда до 20-25 А.
По мере заряда напряжение на выводах батареи постепенно приближается к напряжению зарядного устройства, а величина зарядного тока, соответственно, снижается и приближается к нулю в конце заряда (если величина зарядного напряжения выпрямителя ниже напряжения начала газовыделения). Это позволяет производить заряд без участия человека в полностью автоматическом режиме. Обычно критерием окончания заряда в подобных устройствах является достижение напряжения на выводах батареи при ее заряде, равного 14,4±0,1 В. При этом, как правило, загорается зеленый сигнал, служащий индикатором достижения заданного конечного напряжения, то есть окончания заряда. Однако, для удовлетворительного (на 90-95%) заряда современных необслуживаемых батарей с помощью выпускаемых промышленностью зарядных устройств, имеющих максимальное зарядное напряжение 14,4-14,5 В, потребуется более суток.
Заряд батареи на автомобиле
При эксплуатации батареи на автомобиле ее заряд происходит при постоянном напряжении. Производители автомобилей по согласованию с разработчиками батарей устанавливают уровень зарядного напряжения 14,1±0,2 В, что ниже напряжения интенсивного газовыделения. С понижением температуры эффективность заряда при постоянном напряжении уменьшается из-за роста внутреннего сопротивления батареи. Поэтому АКБ на автомобиле не всегда восстанавливает свою емкость после разряда полностью. Обычно степень заряженности батареи зимой составляет 70-75%, если напряжение на клеммах батареи равно 13,9-14,3 В при работающем двигателе и включенном дальнем свете. Поэтому в тяжелых условиях зимы (при низких температурах, частых и длительных пусках холодного двигателя и коротких пробегах) целесообразно периодически (желательно не реже одного раза в месяц) производить заряд АКБ от стационарного зарядного устройства и при положительной температуре.
У полностью заряженной батареи плотность электролита составляет 1,28±0,01 г/см3 Линейно снижаясь, по мере разряда АКБ, она составляет 1,20±0,01 г/см3 у батарей, степень заряженности которых снизилась до 50%. У полностью разряженной батареи плотность электролита составляет 1,10±0,01 г/см3.
Если значение плотности во всех аккумуляторах одинаково (с разбросом ±0,01 г/см3), это говорит о степени заряженности батареи и отсутствии внутренних замыканий. При наличии внутреннего короткого замыкания плотность электролита в дефектной банке аккумулятора будет значительно ниже (на 0,10-0,15 г/смі), чем в остальных ячейках.
Для измерения плотности жидкостей применяют ареометры со сменными денситометрами для измерения плотности различных жидкостей, например, антифриза с плотностью от 1,0 до 1,1 г/см3 или электролита с плотностью от 1,1 до 1,3 г/см3.
При измерении поплавок не должен касаться стенок цилиндрической части стеклянной трубки. Одновременно необходимо замерить температуру электролита. Результат измерения плотности приводят к +25°C. Для этого к показаниям денситометра надо прибавить или отнять поправку, указанную в специальной литературе.
Если при измерении окажется, что НРЦ ниже 12,6 В, а плотность электролита ниже 1,24 г/см3, батарею необходимо подзарядить и проверить зарядное напряжение на ее клеммах при работающем двигателе.