Реферат на тему:

Стартерні акумуляторні батареї

Без акумуляторів життя нині не можна уявити, оскільки їх застосовують в
усіх галузях народного господарства і в побутових приладах, починаючи
від поширених мобілок, портативної радіоелектронної апаратури і
закінчуючи електрообладнанням усіх видів автотракторної техніки. Ця
стаття присвячена тільки стартерним кислотним акумуляторам.

Основне призначення стартерної акумуляторної батареї — надійний пуск
двигуна та забезпечення роботи споживачів за непрацюючого або ж
працюючого з малою частотою обертання колінчастого вала двигуна.

Із хімічного погляду акумуляторна батарея належить до вторинних хімічних
джерел струму, які є оборотними джерелами енергії: після розрядження
їхню працездатність можна відновити завдяки їхньому зарядженню. Для
цього слід через батарею пропустити електричний струм у напрямі,
зворотному тому, в якому він протікав під час розрядження. У процесі
зарядження утворені під час розрядження речовини перетворюються на
початкові активні речовини. Активними речовинами зарядженого свинцевого
акумулятора, які беруть участь у струмоутворювальному процесі, є: на
позитивному електроді — діоксид (перекис) свинцю PbO2 (темно-коричневого
кольору); на негативному електроді — губчастий свинець Pb (сірого
кольору); електроліт — водний розчин сірчаної кислоти H2SO4.

Не вникаючи в хімію, внаслідок розряду акумулятора, активні речовини
позитивного й негативного електродів перетворюються в сульфат свинцю
PbSO4. Під час утворення сульфату свинцю витрачається сірчана кислота й
утворюється вода, що призводить до зниження крутості електроліту в
момент його розрядження.

Під час зарядження акумулятора під впливом напруги джерела постійного
струму в зовнішньому ланцюгу встановлюється напрям руху електронів до
виводу “–” акумулятора. Як наслідок, на негативному електроді
утворюється (відновлюється) губчастий свинець, на позитивному електроді
утворюється діоксид свинцю — при цьому утворюється сірчана кислота,
внаслідок чого крутість електроліту підвищується.

Коли процеси перетворення речовин на активні маси позитивного й
негативного електродів закінчуються, крутість електроліту перестає
змінюватися, що є ознакою закінчення зарядження акумулятора. За
подальшого зарядження відбувається так званий вторинний процес —
електролітичне розкладання води на кисень і водень. Виокремлюючись із
електроліту у вигляді бульбашок газу, вони створюють ефект його
інтенсивного кипіння, що теж служить ознакою закінчення процесу
зарядження.

Номінальною ємністю акумулятора називається кількість електроенергії,
яку може віддати повністю заряджений акумулятор у разі розрядження
струмом 20-годинного режиму за температури електроліту 30°С та
початкової крутості 1,285 г/см3 до напруги 1,7 В. Ємність виражається в
ампер-годинах (А·год) і залежить від кількості й розміру паралельно
з’єднаних електродів (пластин), сили розрядного струму, а також
температури електроліту.

Кожний акумулятор складається з просторово розділених різнойменних
електродів, занурених у розчин електроліту й розміщених у міцному
корпусі, стійкому до хімічної дії електроліту, механічних навантажень і
температурних коливань.

Розрізняють кілька виконань батарей.

Класичне (традиційне) виконання

Акумуляторну батарею збирають в одному багатокамерному корпусі —
моноблоці з кислотостійкої пластмаси (ебоніт, наповнений поліетилен,
поліпропілен), розділеному перегородками на окремі камери (комірки).
Кількість камер дорівнює кількості акумуляторів у батареї. На дні кожної
камери вмонтовано по чотири призми, на які спирається електродний блок.
Простір, обмежений призмами, служить для нагромадження шламу — осаду,
який утворюється під час експлуатації батареї внаслідок осипання
активної маси позитивних пластин, що запобігає замиканню шламом
різнойменних електродів.

Акумулятор складається з півблоків позитивних і негативних пластин,
ізольованих одна від одної сепараторами, які виготовлено з пористих
пластмас. Півблоки з позитивними й негативними пластинами складають у
блок так, що позитивні пластини розміщують між негативними, тому
останніх завжди на одну більше. Це дає змогу краще використати активну
масу позитивних пластин і захищає крайні з них від жолоблення та
руйнування.

Кожний акумулятор після встановлення електродного блока в камеру
моноблока накривають окремою кришкою, виготовленою з ебоніту або
пластмаси. У кожній кришці зроблено по два отвори із залитими у них
свинцевими втулками, через які під час збирання проходять вивідні штирі
електродного блока. Між ними розміщено нарізні отвори для заливання
електроліту та обслуговування акумулятора. Після заливання електроліту
нарізні отвори закупорюють пробкою. У пробках заливних отворів (або
безпосередньо в кришці) передбачено вентиляційні отвори для виходу
газів.

Електродний блок, встановлений в окремій камері, є окремим акумулятором
з номінальною напругою 2 В. З’єднують акумулятори в батарею за допомогою
міжелементних з’єднань у вигляді свинцевих перемичок, які містяться над
кришкою. Для послідовного з’єднання акумуляторів у батарею один кінець
перемички приварюють до вивідного штиря одного акумулятора, привареного
до баретки, що з’єднує позитивні пластини, а інший її кінець приварюють
до вивідного штиря сусіднього акумулятора, що приварений до баретки, яка
з’єднує негативні пластини й так далі.

До вивідних штирів крайніх акумуляторів приварюють полюсні штирі для
під’єднання споживачів, які позначені, відповідно, “+” і “–”. Щоб
унеможливити неправильне вмикання батареї у мережу, діаметр плюсового
штиря роблять дещо більшим.

Герметизацію акумуляторів у місцях з’єднання кришок зі стінками та
перегородками моноблока здійснюють за допомогою бітумної заливної
мастики.

На корпусні деталі у батарей з окремими кришками і мастикою припадає від
15 до 20% маси батареї. Крім того, ебоніт — матеріал із відносно низькою
механічною міцністю, тому стінки ебонітових моноблоків можуть мати
товщину до 12 мм. У разі заміни ебоніту на сополімер поліпропілену з
етиленом удається зменшити товщину стінок удвічі та зменшити масу
корпусних деталей без погіршення їхньої міцності. Крім того, властивості
термопластичної пластмаси дали змогу внести низку істотних технологічних
і конструктивних удосконалень. Відтак з’явилися батареї із загальною
кришкою.

Батареї із загальною (єдиною) кришкою

У моноблоці встановлено електродні блоки, які складаються з різнойменних
пластин, розділених сепаратором, як і в батареях з окремими кришками.
Але електродні блоки з’єднані між собою за допомогою укорочених
міжелементних з’єднань через отвори в перегородках моноблока.

Використання нових конструкцій міжелементних з’єднань дає змогу, якщо
порівняти з батареями класичної конструкції, знизити електричні втрати
на з’єднувальних деталях і підвищити напругу стартерного розряду на
0,2–0,3 В. При цьому маса свинцю в батареях зменшується на 0,5–3,0 кг
залежно від ємності батареї.

Властивості термопластичної пластмаси дали змогу застосовувати для
герметизації батарей із загальною кришкою зовсім інший метод
герметизації, зробити батарею надійнішою і стійкішою до коливань
температури навколишнього середовища.

Основними недоліками традиційних свинцевих батарей є: потреба у
регулярному (не рідше одного-двох разів за місяць) контролі густини й
рівня електроліту та доливання дистильованої води у разі його зниження;
порівняно висока швидкість саморозрядження (майже 14% за місяць), яка у
процесі експлуатації постійно збільшується й після 1,5–2 років роботи
зростає втроє-вчетверо.

Ці недоліки зумовлені тим, що сурма, що міститься у складі позитивних
струмовідводів (решіток), поступово, в міру їх корозії, переходить через
розчин на поверхню негативних пластин. Відкладання великої кількості
сурми на поверхні негативної активної маси знижує напругу газовиділення.
Тому наприкінці зарядного процесу відбувається дедалі активніше
газовиділення, що супроводжується “кипінням” електроліту, внаслідок
електролітичного розкладання води, що міститься в ньому.

За останні 25 років відбувся бурхливий розвиток технології та
вдосконалення обладнання для виробництва акумуляторів. Відтак з’явилися
батареї так званого необслуговуваного виконання.

Необслуговувані батареї. Необслуговуваним, або герметизованим, називають
свинцевий акумулятор, який не потребує ані контролю електроліту, ані
періодичного доливання води. Він не виділяє крапель і парів електроліту,
має запобіжний клапан, який відводить гази, що утворюються під час
зарядження й розрядження акумулятора.

Необслуговувані акумулятори мають такі конструктивні особливості:
замість рідкого використовують желеподібний або матричний електроліт,
сурм’яний сплав свинцю замінений безсурм’яним сплавом або чистим
свинцем, змінено співвідношення активних мас різнойменних електродів,
застосовано великопористі сепаратори або сепаратори-роз’єднувачі. Кожне
з цих удосконалень має своє обгрунтування.

Електроліт на основі сірчаної кислоти стає нерухомим (фіксованим) за
допомогою кремнієвої кислоти або дрібнодисперсного діоксиду кремнію,
набуваючи тиксотропних властивостей. Такий електроліт зберігає високу
електричну провідність сірчаної кислоти, водночас, завдяки желеподібному
стану, практично повністю усуває руйнування активної маси позитивних
пластин, стримує розбухання губчастого свинцю на негативних пластинах.
Тому потреба в мікропористих сепараторах, які розділяють електроди та
створюють дифузійне обмеження для гідросульфат-іонів, відпадає.
Використовують склоповстяні сепаратори з об’ємною пористістю понад 90%
або пластмасові рамкові роз’єднувачі; в останньому разі роль пористого
сепаратора відіграє желеподібний електроліт.

Матричний електроліт не містить желеутворюючих добавок. Електроліт не
виливається за рахунок абсорбції розчину сірчаної кислоти у порах
відносно товстих мікропористих сепараторів, які заповнюють
міжелектродний простір, а також у порах активних мас. Такий електроліт
нині використовують найчастіше.

Першими з’явилися гібридні батареї, які мають позитивні струмовідводи зі
сплаву з малим вмістом сурми (не більше 2%) з додаванням миш’яку, олова,
міді, селену в різних комбінаціях; а негативні — із свинцево-кальцієвого
сплаву.

Наразі найбільше поширення набули батареї із струмовідводами із
свинцево-кальцієвого сплаву з багатокомпонентними добавками, в тому
числі й срібла. Витрата води у них настільки мала, що конструктори
забрали з кришок отвори для доливання води й зробили батарею повністю
необслуговуваною та унеможливили доступ до електроліту під час
експлуатації.

?

Така зміна конструкції стала можливою лише завдяки спільним зусиллям
виробників батарей і автотракторного електрообладнання, оскільки для
максимального використання ресурсу повністю необслуговуваної батареї
(без отворів для доливання води) слід забезпечити стабільний рівень
зарядної напруги, яка б забезпечила найменше розкладання води під час
зарядження батареї. Водночас ступінь зарядження батареї має бути
достатнім для безвідмовної роботи всього електрообладнання. Це
уможливлено завдяки створенню системи регулювання зарядної напруги, що
забезпечує її стабільність із точністю ±0,1 В. Тому користувачі
необслуговуваних батарей мають уважніше ставитися до забезпечення
справної роботи електрообладнання. Насамперед це стосується натягу
клинопасового приводу генератора, справності регулятора напруги,
відсутності втрат струму в системі електрообладнання та низки інших
чинників, наведених нижче (питання експлуатації батарей).

Удосконалення конструкції під час створення необслуговуваних батарей
полягає ще й у тому, що для збільшення запасу електроліту, без зміни
висоти батареї, одну з акумуляторних пластин розміщують у
сепараторі-конверті, який виготовляють із мікропористого поліетиленового
матеріалу з низьким електричним опором. У цьому разі замикання пластин
різної полярності практично неможливе, крім того, опорні призми не
потрібні, й блок пластин можна встановити прямо на дні камери, внаслідок
чого збільшується обсяг електроліту, що бере участь у роботі
акумулятора.

Батареї, в яких немає отворів для доливання води, натомість є зв’язок
внутрішньої поверхні з навколишнім середовищем тільки через невеликий
отвір на торцях кришки, зазвичай мають індикатори стану зарядженості:
кулька-поплавець зеленого кольору розміщена над пластинами та
піднімається, коли електроліт під час зарядження сягне певної крутості.
Ця величина відповідає мінімальному ступеню зарядженості (62–64 %
номінального значення), за якого індикатор починає давати інформацію про
працездатність батареї у пусковому режимі. Дальше підвищення крутості
електроліту (до 100% зарядження) не змінює показників індикатора (зелене
віконце), що є недоліком цього пристрою. Якщо акумулятор розряджений
(заряд менше 65%) і потрібне його зарядження, колір віконця чорний. У
разі зниження рівня електроліту (колір віконця жовтий) акумулятор слід
замінити. Іншим недоліком цього пристрою є те, що за працюючого
індикатора його інформація належить тільки до однієї із шести банок
(акумуляторів) батареї. У разі виникнення дефекту в другій банці, де
немає індикатора, його інформація стає необ’єктивною, оскільки не
відтворює загального стану (працездатності) акумулятора.

Герметизовані батареї з імобілізованим електролітом

Створення повністю необслуговуваних свинцево-кислотних батарей
уможливлене, якщо їх конструкцію змінити так, щоб зв’язати газ, що
виділяється на позитивних пластинах на поверхні негативних пластин,
тобто реалізувати кисневий цикл. Для цього ємність негативних пластин в
акумуляторі має на кілька відсотків перевищувати ємність позитивних.
Тоді в процесі зарядження позитивні пластини повністю зарядяться раніше,
ніж негативні, й активне виділення кисню на позитивних пластинах
почнеться до початку видимого виділення водню на негативній. Кисень, що
виділяється, вступає в хімічну реакцію з активною масою негативної
пластини.

Для прискорення надходження кисню від позитивної пластини до негативної
слід обмежити об’єм вільного електроліту. Тому для виробництва
герметизованих батарей розроблено методи зв’язування рідкого
електроліту:

— створення загущеного (желеподібного) електроліту;

— абсорбція рідкого електроліту в сепараторах з високою об’ємною
пористістю.

Загусниками для одержання желеподібного електроліту є силікагель,
алюмогель та інші речовини. Змочені сірчаною кислотою, ці речовини
утворюють тиксотропний гель. Як сепаратори використовують скломати з
ультратонких волокон. Об’ємна пористість сучасних склосепараторів сягає
80–85%. Тому їх використовують не тільки для батарей із желеподібним
електролітом, а й для батарей із абсорбованим рідким електролітом.

Штучне обмеження ємності позитивних платин і об’єму електроліту
призводить до того, що ємність герметизованих батарей з імобілізовним
електролітом на 15–20% менша, ніж у батарей з вільним електролітом того
самого об’єму та маси.

Свинцеві батареї з імобілізованим електролітом — герметизовані, але не
герметичні, оскільки мають запобіжний клапан. Він служить для того, щоб
тиск усередині акумулятора не перевищував величини, яка є допустимою за
умовами працездатності й міцності корпусних деталей. Річ у тім, що,
попри обмеження ємності позитивних пластин, виділення водню на
негативних пластинах під час зарядження акумулятора, особливо на
заключній стадії, повністю усунути неможливо. Причому швидкість його
виділення наприкінці зарядного процесу дещо вища, ніж швидкість
виділення кисню. Надлишкова частина водню спричинює зростання тиску
всередині акумулятора, для обмеження якого й призначений запобіжний
клапан.

Нормальна експлуатація герметизованих свинцевих акумуляторів можлива
лише за значно жорсткішого діапазону регулювання зарядної напруги, ніж
під час експлуатації необслуговуваних батарей із рідким електролітом,
навіть тих, що не мають отворів для доливання води. Максимальна величина
зарядної напруги для батарей із желеподібним електролітом становить
14,35 В. У разі перевищення цієї величини на 0,05 В швидкість
газовиділення стає такою великою, що порушується рівновага кисневого
циклу. Утворений через це надлишок газів призводить до порушення
контакту активної маси пластин з електролітом, і батарея перестає
працювати. У батарей з абсорбованим електролітом максимально допустима
величина зарядної напруги обмежена 14,8 В.

Дуже жорсткі обмеження рівня зарядної напруги разом зі значно більшою
вартістю герметизованих батарей порівняно з необслуговуваними створюють
певні труднощі для їхнього широкого застосування на автотракторній
техніці.

Свинцеві стартерні акумуляторні батареї випускають в Україні за ГОСТ
959–91, що містить загальні технічні вимоги, правила приймання й методи
контролю, які використовують під час виробництва й випробування батарей.
Основні параметри й розміри батарей, їх умовне позначення повинні бути
наведені в нормативній документації на батарею конкретного типу.

Умовне позначення типів батарей, що їх випускають в Україні та Росії,
відповідно до п. 2.6 за ГОСТ 959–91 і п. 5.6 за ДСТУ 959–2002,
розглянемо на прикладі батареї 6СТ-55АМЗ, де 6 — цифра, що вказує на
кількість послідовно з’єднаних акумуляторів у батареї (або 3) і
характеризує її номінальну потужність 12 В (або 6 В); СТ — літери, що
характеризують призначення батареї за функціональною ознакою — стартерна
(ТСТ — для дорожньої та інших машин, які експлуатують у важких умовах);
55 — число, що вказує на номінальну ємність батареї в ампер-годинах; АМЗ
— літери (можуть бути й цифри) вказують на додаткову інформацію про
виконання батареї (у разі потреби) і використані для її виготовлення
матеріали: А — із загальною кришкою, можуть бути літери: Е,Т,П —
матеріал моноблока, відповідно, ебоніт, термопласт, пластмаса
асфальтопекова; М — сепаратор типу міпласт із полівінілхлориду, можуть
бути літери: Р,С — матеріал сепараторів, відповідно, міпор, скловолокно;
З — залита і повністю заряджена, слово “необслуговувана” — для батарей,
що випускаються в необслуговуваному виконанні (зі зменшеною витратою
води та саморозрядом). Якщо літери З немає, значить, батарею поставляють
сухозарядженою.

Після умовного позначення батарей, призначених для внутрішнього ринку,
вказано позначення нормативної документації на батарею конкретного типу,
а для призначених на експорт — позначення ДСТУ (ГОСТ).

Крім вказаного вище, маркування батареї повинно містити такі дані:

— товарний знак заводу-виробника;

— знак полярності “+” і “-”;

— дату виготовлення (дві цифри — місяць, дві інші цифри — рік
виготовлення);

— масу батареї у стані поставки з заводу (якщо маса 10 кг і більше);

— номінальну ємність в ампер-годинах;

— номінальну напругу у вольтах (В);

— струм холодного прокручування в амперах (А).

Відповідно до вимог ДСТУ 959-2002, на батареях повинні бути вказані
також знаки безпеки та символ переробки.

У новому стандарті ДСТУ 959-2002 передбачається зміна показників щодо
струму холодного прокручування за аналогією з вимогами EN 60095-1 (EN —
European Norm).

Тому під час переходу на новий стандарт у маркуванні всіх батарей
величини струмів холодного прокручування (стартерного розряду) стануть
більшими приблизно у 1,7 раза тільки завдяки зміні методик випробування.
Приблизну відповідність струмів холодного прокручування за різними
стандартами наведено в табл.1.

Європейські виробники батарей позначають батареї п’ятизначними (за DIN)
або дев’ятизначними за ETN (ETN — European Type Number) кодами.

Перші три цифри в кодах за DIN і ETN містять інформацію про напругу та
ємність батареї.

Для батарей напругою 6 В перші три цифри (від 001 до 499) відповідають
номінальній ємності батареї за 20-годинного режиму розрядження. У
батарей напругою 12 В номінальну ємність можна одержати вираховуючи з
перших трьох цифр (від 501 до 799) число 500. Отже, для батарей напругою
12 В перша цифра 5 вказує на те, що батарея має ємність від 1 до 99
А•год; 6 — від 100 до 199 А•год; 7 — від 200 до 299 А•год. Наприклад,
позначення “555 65” (DIN) або “555 065 042” (ETN) вказує на те, що
батарея має ємність 55 А•год; “680 32” або “680 032 100” — 180 А•год, а
“725 12” або “725 012 115” — 225 А•год. Останні дві цифри в коді за DIN,
так само як і друга трійка цифр у коді за ETN, вказують на варіант
виконання батареї, що характеризує, наприклад, розміщення виводів,
конструкцію кріпильних елементів або кришки, тип газовідводу та інші
особливості.

У разі позначення батареї дев’ятизначним кодом за ETN останні три цифри
відповідають струму холодного прокручування за EN. У батарей,
дев’ятизначні коди яких наведено вище, струми холодного прокручування за
EN рівні, відповідно, 420 А, 1000 А і 1150 А.

Батарея “562 103 064” має ємність 20-годинного розряду 62 А•год, і струм
холодного прокручування за EN рівний 640 А.

Батареї від американських виробників марковано відповідно до вимог
специфікації SAE. Позначення містить номер типорозмірної групи та
значення струму холодного прокручування за температури мінус 18°С.
Наприклад, “А47420”: А — автомобільна батарея, 47 — номер типорозмірної
групи і поляр-ність (розміри — 342х175х190), струм холодного
прокручування — 420 А.

Похожие записи