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.