2. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ В АККУМУЛЯТОРЕ
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,
где Up - разрядное напряжение (среднее), В;
Ip - ток разряда, А;
tp - время разряда, ч.
Емкость по энергии при заряде:
Аз = Uз * Iз * tз,
где Uз - среднее зарядное напряжение, В;
Iз - ток заряда, А;
tз - время заряда, ч.
КПД аккумулятора по энергии (отдача аккумулятора) определяется как отношение емкости по энергии при разряде к емкости при разряде:
Современный аккумулятор имеет КПД по энергии, равный 0.68* По мере износа аккумулятора эта величина уменьшается.
Емкость аккумулятора сильно зависит от режима разряда. При больших токах разряда она падает в несколько раз по сравнению с разрядом током 20-часового режима разряда. Например, в стартерных режимах, когда ток достигает 150-200 А емкость батареи падает в 2-3 раза. При снижении температуры емкость аккумулятора также уменьшается.
С повышением температуры емкость аккумулятора увеличивается, однако при температурах выше 45 С аккумуляторы необратимо теряют емкость и сокращается их срок службы.
Саморазряд аккумулятора - потеря заряда заряженным аккумулятором.
Саморазряд внутренний - обусловлен химическими реакциями в аккумуляторе. У исправных аккумуляторов при t=+1...+20 С за 1 сутки составляет 1% от номинальной емкости, или 30% за месяц. При снижении температуры ток саморазряда уменьшается.
Очевидно, что неработающий аккумулятор необходимо заряжать 1-2 раза в месяц. По мере старения аккумулятора саморазряд протекает более интенсивно.
Саморазряд внешний - обусловлен электропроводностью загрязненной поверхности между клеммами аккумулятора. Может достигать величин 0.5 А и более.
Очевидно, что батарею необходимо очищать от загрязнений.
Срок службы аккумулятора - время безотказной работы, в течение которого обеспечивается и стартерный режим.
Срок службы аккумулятора зависит от очень многих внутренних и внешних факторов. Гарантийный срок (который может быть уменьшен при неправильном уходе) указывается в паспорте и зависит от конструкции и технологии изготовления.
Обычно это 200-300 циклов заряда-разряда для намазных пластин и 1500-2000 для панцирных пластин.
Понятно, что следует избегать длительных стартерных режимов разряда, глубоких разрядов.