3 Стартерні акумуляторні  батареї

 

У свинцевому акумуляторі процеси протікають зворотно. Активні речовини, витрачені в процесі реакції, можуть відновлюватися під час пропускання через акумулятор постійного струму від іншого джерела електричної енергії. Процес, під час якого хімічна енергія перетворюється на електричну, називається розряджанням, зворотний процес – заряджанням.

Будова акумуляторних батарей

Свинцевий акумулятор, як оборотне хімічне джерело струму, складається з блоку різнойменних електродів, поміщених в судину, заповнену електролітом. Батарея стартера залежно від необхідної напруги містить декілька послідовно сполучених акумуляторів.

Різні типи акумуляторних стартерних батарей мають свої конструктивні особливості, проте в їх будові багато спільного. За конструктивно-функціональною ознакою виділяють батареї; звичної конструкції – в моноблоці з окремими кришками і міжелементними перемичками над кришками; батареї в моноблоці із загальною кришкою і міжелементними перемичками під кришкою; батареї необслуговувані - із загальною кришкою, не вимагаючі обслуговування в експлуатації. У АКБ зібрані в напівблоки 3 і 12 (рис 3.1) позитивні 15 і негативні 16 електродів (пластини) акумуляторів розміщені в окремих комірках моноблоку (корпуси) 2. Моноблоки 2, виготовлені з ебоніту, термопласту (наповненого поліетилену), поліпропілену чи з полістиролу. Ці матеріали забезпечують тепло-, морозо- і кислотостійкість, а також механічну міцність.

Співвідношення між кількістю позитивних та негативних електродів в одному акумуляторі в різних типах батарей різне. Звичайно, кількість негативних електродів на одиницю більша, ніж позитивних. Різнополярні електроди в блоках розділені сепараторами 9 з кислотостійкого поруватого матеріалу. Вони призначені для запобігання стиканню різнойменних електродів і короткому замиканню між ними. Завдяки великій поруватості та добрій змочуваності сепаратори не перешкоджають вільному доступу електроліту до активної поверхні пластини.

 

а                              б                              в

1 – опорні призми моноблоку; 2 – моноблок; 3 – напівблок негативних електродів; 4 – баретка; 5 – пробка;6 – між елементна перемичка; 7 – кришка; 8 – полюсний вивід; 9 – сепаратор; 10 – борн; 11 – місток; 12 – напівблок позитивних електродів; 13 – перегородка моноблоку; 14 – індикатор рівня электролита:15 – позитивний электрод; 16 – негативний електрод; 17 – виступ моноблоку; 18 – ручка; 19 – планка

Рисунок 3.1 – Будова акумуляторних батарей: а – в моноблоці з осередковими кришками і міжелементними перемичками над кришками (обслуговувані); б, в – з міжелементними перемичками через перегородки (напівобслуговувані та необслуговувані)

 

Маркування стартерних акумуляторних батарей

Стартерні акумуляторні батареї маркують згідно з державними стандартами. Типове маркування за вимогами ДСТУ ГОСТ 959:2006 (ГОСТ 959-2002) (рисунок 3.2):

 

Рисунок 3.2 – Приклад позначення АКБ:

1 – інформація про виготовлювача; 2 – індикатор зарядження; 3 – особливості конструкції (технології); 4 – знаки безпеки; 15 – полюсний вивод; 5 – дата виготовлення; 6 – позначки max і min рівня електроліту; 7 – маркування;

8 – номінальна, резервна ємність; 9 – пряма полярність виводів; 10 – варіант кріплення; 11 – маса АКБ; 12 – номінальна напруга; 13 – струм холодного прокручування; 14 – знак полярності відповідного штиря.

 

– Перша цифра маркування (поз. 7 рис. 3.2) (3 або 6) характеризує кількість послідовно з'єднаних акумуляторів у батареї, яка визначає її номінальну напругу (6 або 12 В). 

– Літери СТ, вказують, призначення батареї за функціональною ознакою (СТ – стартерна).

– Подальші цифри визначають номінальну ємність батареї у 20-годинному режимі розряджання  в ампер-годинах (А-год).

– Літери або цифри, які містять додаткову інформацію про виконання батареї (при необхідності) і матеріали, застосовані для її виготовлення. Матеріал моноблока (Е /"Э"/ – ебоніт, Т – термопласт, П – поліетилен), матеріал сепараторів (М – мінпласт, Р – міпор, П – пластипор, С – скловолокно разом із якимось із сепараторів) і виконання (Н – несухозаряджена, А – зі спільною кришкою, 3 – батарея залита електролітом і повністю заряджена (якщо її немає – батарея сухозаряжена)), слово "необслуговувана" – для батарей, що відповідають вимогам стандарту щодо витрати води.

Вади, притаманні звичайним акумуляторним батареям (зниження рівня електроліту, прискорена корозія ґраток позитивного електрода, саморозряджання), спричинюються наявністю 4,5-6,0% сурми в сплаві свинцю, що використовується для виготовлення ґраток електродів. Крім того, потрібно періодично перевіряти рівень електроліту, і в разі потреби доливати дистильовану воду.

Вад притаманних обслуговуваним акумуляторним батареям (зниження рівня електроліту, прискорена корозія ґраток позитивного електрода, підвищене саморозряджання), не мають необслуговувані батареї, в яких замінено матеріали ґраток з застосуванням нової технології виготовлення акумуляторних деталей, що не вимагає особливих ливарних якостей, дає змогу зменшити вміст сурми до 2,5-1,5%, а добавка кадмію до 1,5% забезпечує дрібнокристалічну структуру, яка сприяє зменшенню корозії електродів.

У мало- і необслуговуваних батареях не тільки замінено матеріал ґраток, а й зроблено такі конструктивні зміни:

1) блок електродів розміщено на дні моноблока для збільшення кількості електроліту без збільшення габаритних розмірів батареї,  позитивні електроди вміщено в сепаратор-конверт, який закритий із трьох боків;

2) товщина електродів не перевищує 1,9 мм, що дало змогу збільшити їх кількість, тобто знизити питомі струми без зміни габаритних розмірів батареї;

3) застосовано сепаратори з меншими питомими опором і товщиною; акумулятори з'єднано через перегородки моноблока; внутрішній опір батареї також зменшується внаслідок того, що питомий опір ґраток із свинцево-кальцієвоолив'янистих, а також малосурм'янистих сплавів менший, ніж ґраток із звичайного свинцево-сурм'янистого сплаву.

Необслуговувані батареї мають такі переваги: кращі пускові якості, збільшений термін служби, поліпшені зарядні характеристики, менше саморозряджання, послаблену корозію позитивних електродів, немає потреби у доливанні води в процесі експлуатації, їх випускають у герметичному виконані. Вони не мають заливних горловин, проте обладнані спеціальним індикатором зарядженості, колір якого змінюється, коли вона досягає певного мінімального рівня.

Хімічні процеси та характеристики свинцевих акумуляторів

Активні речовини зарядженого акумулятора: діоксид свинцю РЬО₂ темно-коричневого кольору на позитивному електроді, губчастий свинець РЬ темно-сірого кольору на негативному електроді і водний розчин сірчаної кислоти H₂SO₄ + Н₂О – електроліт, в якому розміщено електроди. Якщо позитивний та негативний електроди з'єднати між собою споживачем електричної енергії,  наприклад, лампочкою  (рис. 3.3,а), то через неї (зовнішня ділянка кола) і акумулятор (внутрішня ділянка кола) протікатиме розрядний струм.

Під час розряджання акумулятора активна маса негативного й позитивного електродів перетворюється на сульфат свинцю PbSO₄. Темно-сірий колір негативного електрода змінюється на світло-сірий, а темно-коричневий позитивного – на світло-коричневий. Оскільки в процесі розряджання на проходження реакції витрачається сірчана кислота й утворюється вода, то густина електроліту поступово зменшується.

У процесі заряджання акумулятора (рис. 3.3,б) струм по колу протікає у протилежному напрямі, і матеріал електродів відновлюється. Під час процесу збільшується кількість сірчаної кислоти в електроліті, завдяки чому густина його збільшується.

Рисунок 3.3  – Схеми процесів, які відбуваються у свинцевому акумуляторі: а – розряджання; б – заряджання

 

Після повного відновлення активних речовин позитивного й негативного електродів густина електроліту далі не збільшується. Це є ознакою закінчення заряджання акумулятора.

Наприкінці заряджання розпочинається процес розкладання води на кисень та водень, і на поверхні електроліту виникають бульбашки газу. Цей процес називається «кипінням» електроліту.

Хімічні зміни, які відбуваються під час розряджання-заряджання свинцевого акумулятора, описують рівнянням:

 

 розряджання                          заряджання

 PbO₂ +Pb +2H₂SO₄→2PbSO₄+2H₂O;  2PbSO₄+2H₂O→PbO₂+Pb+2H₂SO_4.

 

Основні характеристики стартерних акумуляторних батарей

До основних характеристик стартерних акумуляторних батарей належать: ЕРС, напруга, внутрішній опір, ємність, потужність, енергія, саморозряджання, термін служби.

Електрорушійною силою акумулятора називають алгебраїчну різницю його електродних потенціалів, якщо зовнішнє коло розімкнене:

 

Е_a= φ₊ – φ_–,

 

де φ₊ і φ_– – потенціали позитивного та негативного електродів, коли зовнішнє коло розімкнене (вимірюють за допомогою кадмієвого електрода, вміщеного в електроліт). З практичною метою ЕРС можна визначити вольтметром із великим внутрішнім опором (не менш як 300 Ом на 1 В) чи потенціометром.

Електродний потенціал при розімкненому зовнішньому колі складається з рівноважного електродного потенціалу і потенціалу поляризації. Рівноважний електродний потенціал характеризує стан електроду за відсутності перехідних процесів в електрохімічній системі. Потенціал поляризації визначається як різниця між потенціалом електроду при заряді і розряді і його потенціалом при розімкненому зовнішньому колі. Електродна поляризація зберігається в акумуляторі і при відсутності струму після відключення навантаження від зарядного пристрою. Це пов'язано з дифузійним процесом вирівнювання концентрації електроліту в порах електродів і просторі акумуляторних осередків. Швидкість дифузії невелика, тому загасання перехідних процесів відбувається протягом декількох годин і навіть діб залежно від температури електроліту.

 

Рисунок 3.4 – Зміна рівноважної ЕРС і електродних потенціалів свинцевого акумулятора залежно від густини електроліту: 1 – ЕРС;

2 – потенціал позитивного електроду; 3 – потенціал негативного електроду

 

ЕРС акумулятора залежить від густини, дещо й від температури, електроліту. Зміна ЕРС залежно від температури складає менше 3–4 В/град. Коли густина електроліту однакова в зарядженій і розрядженій батареї, то ЕРС майже однакова. Тому за робочих значень густини електроліту 1,07–1,30 г/см³ за ЕРС не можна робити висновок про ступінь зарядженості батареї. ЕРС також не залежить від розмірів пластин в акумуляторі.

ЕРС свинцевого акумулятора приблизно можна визначити за емпіричною формулою, В:

 

Е = 0,84 + γ₂₅,

 

де γ₂₅ – густина електроліту за температури + 25 °С, г/см³.

Напруга акумуляторної батареї – найважливіший параметр на практиці. При розряджанні він нижче, ніж ЕРС, а при заряджанні – вище ЕРС внаслідок спаду напруги на внутрішньому активному опорі та електродній поляризації.

Напругу акумуляторної батареї визначають за формулами:

 

при заряджанні:  U₃=E₆ + E_n + I₃R₆;

при розряджанні: U_p = E₆-E_n-I_pR₆,

 

де Е_б, Е_п – ЕРС акумуляторної батареї та поляризації відповідно; І₃, І_Р – струм заряджання та розряджання відповідно; R₆ – внутрішній опір акумуляторної батареї.

Явище зміни потенціалу електродів під час протікання струму називається поляризацією і залежить від різниці концентрацій електроліту між електродами і в порах активної маси електродів. (При розряді потенціали електродів зближуються, а при заряді розсовуються.)

Зміною різниці концентрацій електроліту обумовлене нелінійне зниження напруги на початковій ділянці b - з (рис. 3.5) розрядної характеристики Up = f(τ). При включенні акумулятора з початковою ЕРС Ео на розряд відбувається різкий спад напруги на величину ΔU₀ (ділянка а-b розрядної характеристики), рівну падінню напруги на омічному опорі r₀. Лінійній ділянці c-d розрядної характеристики відповідає постійна різниця концентрацій електроліту між електродами і в порах активної маси електродів. Зменшення напруги пов'язане із зниженням густини електроліту в моноблоці. На лінійній ділянці ЕРС поляризації має максимальне значення Епm.

 

Рисунок 3.5 – Розрахункова розрядна характеристика свинцевого акумулятора

 

При постійній силі розрядного струму в одиницю часу витрачається певна кількість активних матеріалів. Густина електроліту зменшується по лінійному закону (рис. 3.6,а). Відповідно до зміни густини електроліту зменшується ЕРС і напруга акумулятора. До кінця розряду сірчанокислий свинець закриває пори активної речовини електродів, перешкоджаючи притоці електроліту з судини і збільшуючи електроопір   електродів.

 

 

Рисунок 3.6 –  Характеристики свинцевого акумулятора:

а – розрядна; б – зарядна

 

Рівновага порушується і напруга починає різко падати. Акумуляторні батареї розряджаються тільки до кінцевої напруги U_КР, відповідної перегину розрядної характеристики Up=f(τ). Розряд припиняється, хоча активні матеріали витрачені не повністю. Подальший розряд шкідливий для акумулятора і не має сенсу, оскільки напруга стає нестійкою.

Після відключення навантаження напруга акумулятора підвищується до значення ЕРС, відповідного густині електроліту в порах електродів. Потім протягом деякого часу ЕРС зростає у міру вирівнювання концентрації електроліту в порах електродів і в об'ємі акумуляторного осередку за рахунок дифузії. Можливість підвищення густини електроліту в порах електродів під час нетривалої бездіяльності після розряду використовується при пуску двигуна. Пуск рекомендується здійснювати окремими короткочасними спробами з перервами в 1-1,5 хв. Переривистий розряд сприяє також кращому використовуванню глибинних шарів активних речовин електродів.

У режимі заряду (рис. 3.6,б) напруга Uз на виводах акумулятора зростає внаслідок внутрішнього падіння напруги і підвищення ЕРС при збільшенні густини електроліту в порах електродів. При зростанні напруги до 2,3 В активні речовини відновлюються. Наприкінці заряджання акумуляторної батареї, коли активний матеріал пластин відновиться, зарядний струм починає витрачатися на електроліз води, під час якого на негативному електроді виділяється водень, а на позитивному – кисень (інтенсивне газовиділення у вигляді бульбашок газу, газовиділення при цьому нагадує кипіння.). Оскільки електроліз води потребує вищої напруги, ніж відновлення активних матеріалів, і в процесі газовиділення зростає внутрішній опір акумуляторної батареї, то напруга наприкінці заряджання різко підвищується. Зростання напруги заряджання за постійної напруги генератора знижує зарядний струм акумуляторної батареї, а отже, можна дійти висновку про ступінь її зарядженості за показниками амперметра. Інтенсивність газовиділення можна зменшити за рахунок зниження до кінця розряду величини зарядного струму.

Частина позитивних іонів водню, що виділяються на негативному електроді, нейтралізуються електронами. Надлишок іонів накопичується на поверхні електроду і створює перенапругу до 0,33 В. Напруга в кінці заряду підвищується до 2,6-2,7 В і при подальшому заряді залишається незмінною. Постійність напруги протягом 1-2 год заряду і рясне газовиділення є ознаками кінця заряду. Після відключення акумулятора від зарядного пристрою напруга падає до значення ЕРС, що відповідає густині електроліту в порах, а потім знижується, доки вирівнюється густина електроліту в порах пластин і в акумуляторній емкості.

Внутрішній опір акумуляторної батареї невеликий (соті й тисячні частки ома), завдяки чому в стартерних режимах розряджання від батареї можна отримати великі струми з малим спадом напруги.

Повним внутрішнім опором акумулятора прийнято називати опір, що створюється проходженню через акумулятор постійного розрядного або зарядного струму.

Внутрішній опір акумуляторної батареї:

 

R_б=R_о+Е_П /І=R_o+R_П

 

де R_o – омічний опір; Е_П – ЕРС поляризації; І – розрядний (зарядний) струм; R_П – опір поляризації акумуляторної батареї.

Опір R_o складається з опорів пластин, сепараторів, вивідних затискачів міжелементних з'єднань та електроліту. Більшу його частину створює опір електроліту, який залежить від поруватості сепаратора, густини й температури електроліту. Опір електродів і струмопровідних деталей мало змінюється із зміною температури. Зростання внутрішнього опору акумуляторної батареї з пониженням температури пов'язане, в основному, із збільшенням опору електроліту і просочених електролітом сепараторів. Омічний опір акумулятора залежить від площі поверхні ввімкнених паралельно пластин, відстані між ними, густини і температури електроліту, сили розрядного й зарядного струмів, ступеня розрядженості акумулятора (рис 3.7). Мінімальний опір має електроліт густиною 1,23–1,3 г/см³ при температурі +15 °С, що зумовило вибір цих значень густини для електроліту стартерних акумуляторних батарей. Із зниженням температури питомий опір електроліту набагато зростає і при температурі –40 °С стає приблизно у 8 разів більший, ніж при температурі +30 °С.

 

 

Рисунок 3.7 – Залежність омічного опору батареї 6СТ-90ЭМ від ступені розрядженості ΔСр за різних температур

 

Опір R_П зумовлений зміною електродних потенціалів φ₊ та φ_– під час проходження струму, залежить від сили струму і не підлягає законові Ома. Опір поляризації зменшується із збільшення сили струму і зростає з пониженням температури (рис. 3.8).

 

 

Рисунок 3.8 – Залежність опору поляризації батареї 6СГ-90ЭМ від температури електроліту при різних розрядних струмах

 

У процесі заряджання та розряджання акумулятора його внутрішній опір змінюється внаслідок зміни густини електроліту та хімічного складу активної маси пластин.

Із збільшенням ступеня розрядженості акумулятора його внутрішній опір збільшується внаслідок зменшення густини електроліту та утворення на пластинах сульфату свинцю, питомий опір якого значно більший, ніж опір губчастого свинцю та діоксиду свинцю. Під час розряджання акумулятора стартерними струмами (І_р = (2...5)С₂₀) його опір різко зростає через значне зменшення густини електроліту в порах пластин. Під час заряджання акумулятора його внутрішній опір зменшується.

Опір батареї під час розряджання й заряджання можна визначити за формулами:

R_бр=(Е_б - Е_П  - U_р)/І_р                   R_бЗ=(U_З - Е_б - Е_П )/І_З

 

де І_р, І₃ – розрядний і зарядний струм відповідно;

U_p, U_З – напруги під час розряджання та заряджання на полюсних виводах батареї відповідно;

Е₆ – ЕРС батареї.

Чим вища номінальна напруга акумуляторної батареї, тим більший внутрішній опір вона має. З підвищенням ємності батареї її внутрішній опір спадає.

Ємністю акумуляторної батареї називають кількість електроенергії, яку вона віддає під час розряджання до певної напруги.

Чим більша сила розрядного струму й нижча температура електроліту, тим менша напруга, до якої може розряджатися акумуляторна батарея. Наприклад, визначаючи номінальну ємність акумуляторної батареї С₂₀, розряджання проводять із силою струму І = 0,5 С₂₀ до напруги 10,5 В при температурі +25 °С, а в разі розряджання стартерним струмом І = ЗС₂₀ і температури електроліту -18 °С – до 1 В на акумулятор або 6 В на 12-вольтну батарею.

В експлуатації ємність залежить від сили розрядного струму, температури, режиму розряджання (переривчастий чи безперервний), ступеня зарядженості й спрацьованості акумуляторної батареї.

Коефіцієнт використання активних матеріалів свинцевого акумулятора залежить від умов розряду. Його зниження відбувається при збільшенні густини розрядного струму і пониженні температури (рис. 3.9–3.10). При тривалих режимах розряду свинцевих акумуляторів протягом 20–50 год. використовування активних матеріалів складає 50–60%, тоді як при коротких розрядах стартерів – 5–10%. Із збільшенням електропровідності електроліту, пористості активних речовин, із зменшенням товщини електродів і густини струму використання активних матеріалів вище.

Рисунок 3.9 – Зміна розрядної ємності батареї 6СТ-82 із зміною сили розрядного струму і температури електроліту при ступеня розряженності ΔСр=0%

Рисунок 3.10 – Залежність ємності необслуговуваної батареї

6СТ-110А при початковому ступені зарядженої 100% від сили розрядного струму при різних температурах

 

Ємність акумуляторної батареї у процесі його роботи змінюється. У початковий період (до 10-20 тис. км пробігу автомобіля) внаслідок триваючого формування пластин та збільшення їхньої поруватості ємність акумуляторної батареї може навіть перевищити номінальну. Потім вона певний час не змінюватиметься, а далі спадатиме внаслідок розпушення та сповзання активної маси і корозії позитивних пластин, а також зменшення поруватості негативних пластин. Зміна ємності батареї залежить від інтенсивності експлуатації, регулювання регулятора напруги, ступеня вібрації та трясіння місць встановлення батареї, можливого перезаряджання й глибини циклювання під час заряджання й розряджання. Закінченням служби батареї вважають момент, коли тривалість стартерного розряджання струмом І = З С₂₀ при температурі +25 °С зменшується до 1,5 хв із напругою наприкінці розряджання 9,0 В (для батарей на 12 В).

Вольт-амперні характеристики

Вольт-амперною характеристикою (ВАХ) називають залежність напруги акумуляторної батареї від сили розрядного струму для певного моменту часу після включення батареї на розряд (рис. 3.11). ВАХ нелінійні через непостійність опору поляризації. У зоні струмів стартерів ВАХ близькі до прямої, тому при розрахунках систем пуску електростартера їх нелінійністю в областях малих (менше 2С₂₀) і великих (більше 8-10С₂₀) струмів нехтують. Такий підхід значно спрощує розрахунок і порівняльну оцінку системи пуску електростартера.

  

Рисунок 3.11 – Вольт-амперні характеристики стартерної акумуляторної батареї: 1 – експериментальна; 2 – лінеарізована

Робочі характеристики електродвигуна стартера будуються для певної ВАХ акумуляторної батареї, яка зображається прямою, відсікаючою на осях ординат відрізки, відповідні початковій розрядній напрузі U_п.р і силі струму короткого замикання I_K3. Рівняння ВАХ:

 

U_б =U_п.р– I_рR_б,

 

де U_б – напруга на виводах батареї, В;

U_п.р – початкова розрядна напруга, В;

I_р– розрядний струм;

R_б – розрахунковий внутрішній опір батареї, Ом.

В режимі короткого замикання U_б=0, сила струму:

 

I_K3=U_п.р /R_б.

 

Потужність акумуляторної батареї – кількість енергії, що її вона віддає за одиницю часу.

Потужність батареї під час розряджання:

 

P_p=U_pI_p = I_p² R_н = E₆I_p -I_p²R_б,

 

де R_н, R_б – опори зовнішнього навантаження і батареї відповідно;

U_p, I_p – напруга і струм батареї під час розряджання відповідно.

Максимальну потужність акумуляторна батарея розвиває при рівності опорів зовнішнього і внутрішнього кіл батареї. Для лінійної вольт-амперної характеристики максимальна потужність:

 

P_бm=(U_п.р х I_КЗ)/4=U_п.р /4R_б

 

Вольт-амперні U_p = f(І_p) і потужностні P_б=f(І_p) характеристики акумулятора залежать від температури електроліту (рис. 3.12). Збільшення внутрішнього падіння напруги при зниженні температури електроліту приводить до зменшення потужності акумулятора. Напруга і потужність при тих же розрядних струмах вищі у необслуговуваних батарей (рис. 3.12). Експериментальні вольт-амперні характеристики акумуляторних батарей при різних температурах електроліту t, ступенях розрядженої ΔС_Р і спробах пуску Z_n приведені на рис. 3.13.

Рисунок 3.12 – Вольт-амперні і потужнісні характеристики батарей: а – за різних температур, б – на 10-й секунді при температурі 25^оС и ступені заряженості ΔС=100%: 1 – 6СТ-55АЗ; 2 – 6СТ-55ЭМ

Рисунок 3.13 – Вольт-амперні характеристики батареї 6СТ-55 в різних умовах розряду: а – ΔСр=25%; Z_n=3; б – t = -20°C; Z_n=3

 

Енергію акумулятора визначає добуток розрядної (зарядної) ємності на середню розрядну (зарядну) напругу, Вт-год:

 

W_р = С_рU_p;  W_З = С_ЗU_З,

 

де С_р, С₃ – ємності під час розряджання й заряджання відповідно         А-год;

U₃, U_p – середні значення розрядної та зарядної напруг відповідно, В.

Оскільки із зміною температури та режиму розряджання змінюється не тільки ємність, а й розрядна напруга, то із зниженням температури й збільшенням сили розрядного струму енергія акумулятора зменшується відчутніше, ніж ємність.

Саморозряджанням акумуляторної батареї називають природну втратунею ємності під час бездіяльності. За наявними нормами (ГОСТ 959.0-84), саморозряджання зарядженої батареї після бездіяльності протягом 14 діб при температурі навколишнього середовища +20 ± 5 °С має не перевищувати 10%, а після бездіяльності протягом 28 діб – 20%.

На саморозряджання батареї впливають такі фактори: підвищення температури й густини електроліту, наявність у ньому домішок (міді, нікелю, заліза, марганцю, соляної та азотної кислот тощо), перенесення сурми з ґраток позитивних пластин на негативні пластини протягом терміну служби батареї, струмопровідні містки на верхній батареї між її вивідними затискачами.

Саморозрядження батареї спричинює здебільшого саморозряджання негативних пластин (0,5–1,0% на добу), оскільки у позитивних пластинах воно не перевищує 0,2–0,25% на добу. Враховуючи, що із зниженням температури саморозряджання дуже зменшується, акумуляторні батареї доцільно зберігати залитими електролітом із температурою менше 0 °С (рис. 3.14). У цьому разі протягом 6-місячного зберігання підзаряд-жати батарею не потрібно. Під час зберігання потрібно щомісячно контролювати густину електроліту і підзаряджати батарею, коли його густина зменшиться на 0,04 г/см³, а також стежити за температурою навколишнього повітря, щоб не допустити замерзання електроліту.

Рисунок 3.14 – Середньодобовий саморозряд традиційної свинцевої акумуляторної батареї стартера при бездіяльності протягом 14 діб залежно від температури і терміну експлуатації:1 – нової батареї; 2 – у середині терміну експлуатації; 3 – у кінці терміну експлуатації

Термін служби свинцевих акумуляторних батарей зумовлюють густина електроліту, величина робочого навантаження, надлишковий заряд (перезаряд) і режим циклування (глибина й сила струму під час розряджання-заряджання). За малих густин струму розряджання (до 1,5 мА/см²) переважають корозійні спрацювання ґраток позитивних пластин, а за великих – руйнування активної маси.

Перезаряджання спричинює корозію ґраток позитивних пластин, а за великих струмів перезаряджання руйнується активна маса позитивних пластин.

Циклування позначається на руйнуванні активної маси позитивних пластин, яке відбувається внаслідок її великих об'ємних змін.

На термін служби батареї дуже впливає густина електроліту. Якщо γ = 1,25 г/см³, термін служби на 30-40% більший, ніж коли γ = 1,30 г/см³. Понад 65% усіх батарей виходять із ладу через руйнування позитивних пластин.

Експлуатація стартерних акумуляторних батарей, несправності, технічне обслуговування

  Основні несправності акумуляторних батарей

У процесі експлуатації акумуляторних батарей виникають такі несправності: кородують ґратки позитивних електродів – 42%; обпливає активна маса електродів – 35,5%; жолобляться пластини; проростають сепаратори, тобто окремі пари сепараторів наскрізь заповнюються свинцем і між електродами з різною полярністю виникає коротке замикання через свинцеву губку, яка утворюється на їхніх краях 16%; та інші – 6,5%, необоротно сульфатуються електроди, внаслідок чого різко зменшується фактична ємність і підвищується напруга під час заряджання; понаднормове саморозряджання та інші.

Методи заряджання акумуляторних батарей. Під час експлуатації акумуляторні батареї можна заряджати від будь-якого джерела постійного струму за умови, що його напруга буде більшою за напругу заряджуваної акумуляторної батареї.

Для будь-якого моменту заряджання силу струму можна визначити за формулою:

І=(U_дж-U_б)/R

 

де U_дж – напруга джерела струму, В;

U_б – напруга батареї в момент заряджання, В;

R – загальний опір зарядного кола, Ом.

Для заряджання позитивний полюс джерела струму потрібно з'єднати з позитивним полюсом заряджуваної батареї, а негативний – із негативним.

Залежно від системи регулювання процес заряджання можна здійснити різними методами.

У випадку заряджання постійним струмом ЕРС. На першому етапі І_бз = 0,1 С₂₀ до напруги на акумулятор 2,4 В, другий – зарядний струм 0,05 С₂₀ до напруги 2,7 В. Для введення батарей в експлуатацію дозаряджають плюс 1-2 год. Такий заряд батареї використовують на автомобілі від генератора.

У випадку заряджання методом постійної напруги, у межах 2,35-2,40 В, на акумулятор. На початку заряджання повністю розрядженої батареї зарядний струм може досягати (0,5–1,0) С_20, у кінці ЕРС батареї зростає, а зарядний струм – знижується.

У винятковому випадку заряджання акумуляторних батарей методом прискореного заряджання. Практично тривалість заряджання струмом із силою 0,7 С₂₀ має не перевищувати 30 хв, 0,5 С₂₀ – 45 хв і 0,3 С₂₀ – 90 хв за температури до 45 °С.

Зрівняльне заряджання провадять при постійній силі струму, що відповідає 10% номінальної ємності, заряд триває доти, доки в усіх акумуляторах не буде наявна сталість густини електроліту та напруги протягом 3-х годин.

Технічне обслуговування акумуляторних батарей

Технічне обслуговування (ТО) акумуляторних батарей проводиться з періодичністю ТО всього автомобіля.

Під час ТО-1 акумуляторну батарею очищують від пилу й бруду, а електроліт, наявний на її поверхні, витирають сухою ганчіркою, змоченою 10%-м розчином кальцинованої соди чи нашатирного спирту. Перевіряють надійність кріплення батареї, окислені наконечники й виводи зачищають, знімаючи мінімальний шар металу, бо інакше не можна буде надійно їх з'єднати. Під час ТО-1 автомобіля перевіряють і, в разі потреби, доводять до нормального рівня електроліт.

Під час ТО-2, крім перелічених робіт, додатково перевіряють ступінь зарядженості акумуляторної батареї за густиною електроліту (до доливання води) і роботоздатність батареї за напругою акумуляторів під навантаженням.

Трудомісткість затрат на капітальний ремонт однієї батареї в 10 разів більша, ніж на її виготовлення на промисловому підприємстві, а термін служби відремонтованої батареї становить приблизно 60% терміну служби нової. Тому капітальний ремонт акумуляторів недоцільний. Поточний ремонт полягає у відновлені форми штирів полюсних виводів, герметичності моноблока, кришки, елементів кріплення і транспортування.

Капітальний ремонт в АТП проводять, повністю розбираючи акумулятор, вибраковуючи його деталі, замінюючи непридатні, та складаючи акумуляторну батарею. Після дефектування і вибраковування дефектних деталей під час складання використовують запасні деталі, що їх постачають акумуляторні заводи. Проте ці деталі (електроди, сепаратори, кришки, моноблоки) у процесі зберігання на складі помітно окислюються киснем повітря, а також можуть мати механічні пошкодження під час транспортування, навантаження та вивантаження.

Перспективи розвитку стартерних АКБ

Останнім часом розробляється нові технології щодо виготовлення пластин, електроліту. Зокрема напилення активної маси на пластмасову стрічку, що одночасно є сепаратором, призводить до значного зменшення маси акумулятора, використання гелеподібного електроліту зменшує втрати води. Використання систем start-stop, рекуперативного гальмування спонукали впровадженню систем EFB (Enhanced Flooded Battery), AGM (Absorbent Glass Mat) та ін.

У автомобільних системах електрообладнання прослідковується використання двох акумуляторних батареї на різні рівні напруги. Окремий акумулятор – для високого розряду під час пуску ДВЗ та інший для живлення електричним струмом пристроїв загального цільового призначення. Що дозволяє уникнути проблем із зміною напруги під час забезпечення надійного запуску двигуна в холодному стані навіть при частково розрядженій акумуляторній батареї.