|
Мат часть:
Электри́ческий аккумуля́тор — химический источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд[1]) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования.
Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде.
Несколько аккумуляторов, объединённых в одну электрическую цепь, составляют аккумуля́торную батаре́ю.
Ёмкость аккумулятора — это заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ ёмкость аккумуляторов измеряют в кулонах, на практике часто используется внесистемная единица — ампер-час. 1 А⋅ч = 3600 Кл.
Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита.
На автомобилях устанавливаются свинцово-кислотные аккумуляторы (Lead Acid) ЭДС 2.1В
По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток падают, аккумулятор перестаёт действовать. Зарядить аккумулятор (батарею аккумуляторов) можно от любого источника постоянного тока с бо́льшим напряжением при ограничении тока. Наиболее распространённым считается зарядный ток (в амперах) в 1/10 номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер⋅часах), однако эта величина не имеет никакого научного обоснования. Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эксплуатации, например NiMH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду, литиевые — к переразряду, напряжению и температуре. NiCd- и NiMH-аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении ёмкости, в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд, даже не будучи подключенными к нагрузке.
Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: аккумуляторные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.
Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде.
Энергия возникает в результате взаимодействия оксида свинца и серной кислоты до сульфата (классическая версия). Проведенные в СССР исследования показали, что внутри свинцового аккумулятора протекает как минимум ~60 реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита (нехимические)
Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на аноде и окисление свинца на катоде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.
В итоге получается, что при разряде аккумулятора расходуется серная кислота из электролита (и плотность электролита падает, а при заряде, серная кислота выделяется в раствор электролита из сульфатов, плотность электролита растёт). В конце заряда, при некоторых критических значениях концентрации сульфата свинца у электродов, начинает преобладать процесс электролиза воды. При этом на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. При заряде не стоит допускать электролиза воды, в противном случае необходимо её долить для восполнения потерянного в ходе электролиза количества.
Устройство свинцово-кислотного аккумулятора:
Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов (положительных и отрицательных) и разделительных изоляторов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой свинцовые решётки. У положительных активным веществом является диоксид свинца (PbO2), у отрицательных активным веществом является губчатый свинец.
На самом деле электроды выполнены не из чистого свинца, а из сплава с добавлением сурьмы в количестве 1-2 % для повышения прочности и примесей. Иногда в качестве легирующего компонента используются соли кальция, в обеих пластинах, или только в положительных. Применение солей кальция вносит не только положительные, но и много отрицательных моментов в эксплуатацию свинцового аккумулятора, например, у такого аккумулятора при глубоких разрядах существенно и необратимо снижается емкость.
Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной дистиллированной водой серной кислоты (H2SO4). Наибольшая проводимость этого раствора наблюдается при комнатной температуре (что означает наименьшее внутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) и при его плотности 1,23 г/см³
Однако на практике, часто в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29−1,31 г/см³.
Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовой пленкой. Используя меньшее количество свинца и распределив его по большой площади, батарею удалось сделать не только компактной и легкой, но и значительно более эффективной — помимо большего КПД, она заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов.
Теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30-60.
Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250.[4]
ЭДС заряжённого аккумулятора = 2,11 — 2,17 В, рабочее напряжение = 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В (12 В)).[1]
Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.[1]
Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
КПД: порядка 80-90 %
Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде[5] малым током (1/20 номинальной емкости, выраженной в А*ч).
Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев замеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики[6] замера отличаются, главным образом, допускаемым конечным напряжением.
Резервная емкость (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25 А до конечного напряжения 10,5 В согласно ГОСТ Р 53165-2008
При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми крышками над банками) на автомобиле при движении по неровностям неизбежно происходит просачивание проводящего электролита на корпус аккумулятора. Во избежание сильного саморазряда необходимо периодически нейтрализовывать электролит протиранием корпуса, например слабым раствором пищевой соды или разведенным в воде до состояния консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита, что увеличивает его плотность, увеличивая напряжение на аккумуляторе, и может оголить свинцовые пластины. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и своевременно доливать дистиллированную воду.
Такие нехитрые операции вместе с проверкой автомобиля на утечку тока и периодической подзарядкой аккумулятора могут на несколько лет продлить срок эксплуатации батареи.
Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах
По мере снижения окружающей температуры, параметры аккумулятора ухудшаются, однако в отличие от прочих типов аккумуляторов, свинцово-кислотные снижают их относительно медленно, что не в последнюю очередь обусловило их широкое применение на транспорте. Считается что свинцово-кислотный аккумулятор теряет ~1% ёмкости на каждый градус от +20°C. Т.е. в -30°C свинцово-кислотный аккумулятор будет иметь 50% ёмкости.
Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита, который уже не может в полном объёме поступать к электродам, и вступает в реакцию лишь в непосредственной близости от них, быстро истощаясь.
Не полностью заряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1.10)
Хранение[править]
Свинцово-кислотные аккумуляторы необходимо хранить только в заряжённом состоянии. При температуре ниже −20 °C заряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,45 В/секцию 1 раз в год в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/секцию в течение 6-12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.
Слой грязи и накипи на поверхности аккумулятора создаёт проводник для тока от одного контакта к другому и приводит к саморазряду аккумулятора,после чего начинается преждевременная сульфатизация пластин и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.
При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.
При подготовке аккумуляторной батареи к зимнему хранению - актуально для автомобилей не эксплуатируемых в холодное время года. Специалисты старейшей лаборатории НИИАЭ рекомендуют следующие действия:
1. Правильно и до конца зарядите аккумуляторную батарею;
2. Нанесите на положительный вывод АКБ пластичную смазку (литол, солидол и т.п.), т.к. "+" борн способен абсорбировать влагу из атмосферы, что может приводить к повышенному саморазряду;
3. Оставить на холоде, т.к. при низких температурах саморазряд намного ниже. Кстати, полностью заряженная батарея начинает замерзать при температуре ниже -55 С;
В случае необходимости поездки зимой - перенесите АКБ в тепло и в течение 7-9 часов (ночь) она придёт в рабочее состояние.
Износ свинцово-кислотных аккумуляторов[править]
При использовании технической серной кислоты и не дистиллированной воды, ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи.[8]
В результате каждой реакции образуется нерастворимое вещество — сернокислый свинец PbSO4, осаждающийся на пластинах, который образует диэлектрический слой между токоотводами и активной массой. Это один из факторов, влияющий на срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.
Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:
сульфатация пластин, заключающаяся в образовании крупных кристаллитов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с токоотводами, что приводит к опаданию активной массы;
оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности.
Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, самому починить нельзя, некоторые источники описывают химические растворы и прочие способы, позволяющие «десульфатировать» пластины. Простой, но вредный для жизни аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния.[1] Раствор заливается в секции после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно батареи, что может привести к замыканию секции, поэтому обработанные секции желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства.
Первый столбец: Напряжение без нагрузки при T = 26,7 °C
Второй столбец: Примерный заряд
Третий столбец: Плотность электролита при T = 26,7 °C
12,65 В 100% 1,265 г/см3
12,35 В 75% 1,225 г/см3
12,10 В 50% 1,190 г/см3
11,95 В 25% 1,155 г/см3
11,70 В 0% 1,120 г/см3
Ёмкость аккумулятора, измеряющаяся в ампер-часах. Применительно к маркировке аккумулятора, значение емкости показывает, каким током будет равномерно разряжаться АКБ до конечного напряжения при 20-часовом (или 10-часовом) цикле разряда. Например, обозначение 6ст-60 означает, что батарея в течение 20 часов будет отдавать ток 3 А, при этом в конце напряжение на клеммах не упадет меньше 10,8 В. Однако, это вовсе не означает линейную зависимость времени разряда от разрядного тока. Целый час стабильно отдавать 60 А наша батарея не сможет.
Особенностью аккумуляторов является уменьшение времени разряда с повышением разрядных токов. Зависимость времени разряда от тока разряда близка к степенной. Распространена, в частности, формула (закон) Пейкерта — по имени немецкого ученого. Пейкерт установил, что: Ip * T = const. Здесь p — число Пейкерта — показатель степени, постоянный для данного аккумулятора или типа аккумуляторов. Для свинцовых кислотных аккумуляторов число Пейкерта обычно изменяется от 1.15 до 1.35. Величину константы в правой части уравнения можно определить по номинальной емкости аккумулятора. Тогда, после нескольких преобразований, получим формулу для реальной емкости аккумулятора E при произвольном токе разряда I: Е = Eн * (Iн / I)p-1. Здесь Eн — номинальная емкость аккумулятора, а Iн — номинальный ток разряда, при котором задана номинальная емкость (обычно ток 20-часового или 10-часового цикла разряда).
Ёмкость аккумулятора, как правило, выбирается исходя из рабочего объема двигателя (больший объем — большая ёмкость), его типа (для дизельных ёмкость АКБ будет больше, чем для бензиновых при равном объеме) и условий эксплуатации (для районов с холодным климатом ёмкость увеличивают).
Резервная ёмкость. В отличие от номинальной ёмкости, которая определяется разрядом относительно малым током, резервная ёмкость показывает, сколько времени способен проехать автомобиль зимней ночью при неисправности генератора. Ток разряда принимается равным 25 А, поскольку зимней ночью очень много энергии уходит на освещение и обогрев салона. При этом нельзя просто разделить номинальную емкость АКБ на 25 А. При таком токе резервная ёмкость составит примерно 2/3 от номинальной. Как правило, значение резервной ёмкости указывается на маркировке АКБ в минутах.
Пусковой ток. Или ток холодной прокрутки (cold cranking amps CCA). Максимальный ток, который способен отдавать аккумулятор без посадки напряжения на клеммах ниже 9В в течение 30 секунд при −18oC по ГОСТ 53165-2008.
_________________
Дорогу осилит идущий!
|
Вход
FAQ
