Реферат: Аккумуляторная батарея
Реферат: Аккумуляторная батарея
АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ
Назначение и устройство автомобильных аккумуляторов
Автомобильная аккумуляторная батарея предназначена для электроснабжения стартера при пуске двигателя внутреннего сгорания и других потребителей электроэнергии при неработающем генераторе или недостатке развиваемой им мощности. Работая параллельно с генераторной установкой, батарея устраняет перегрузки генератора и возможные перенапряжения в системе электрооборудования в случае нарушения регулировки или при выходе из строя регулятора напряжения, сглаживает пульсации напряжения генератора, а также обеспечивает питание всех потребителей в случае отказа генератора и возможность дальнейшего движения автомобиля за счет резервной емкости. Наиболее мощным потребителем энергии аккумуляторной батареи является электростартер. В зависимости от мощности стартера и условий пуска двигателя сила тока стартерного режима разряда может достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер. Сила тока стартерного режима разряда резко возрастает при эксплуатации автомобилей в зимний период (пуск холодного двигателя). Батарея на автомобиле входит в состав не только системы электростартерного пуска, но и других систем электрического и электронного оборудования. После разряда на пуск двигателя, и питание других потребителей батарея подзаряжается от генераторной установки. Частое чередование режимов разряда и заряда (циклирование) - одна из характерных особенностей работы батарей на автомобилях. При большом разнообразии выпускаемых моделей автомобилей и климатических условий их эксплуатации, в массовом производстве батарей наряду с определением оптимальных экономических параметров должное внимание уделяется их унификации, повышению надежности и сроков службы. Надежность и срок службы аккумуляторных батарей находятся в прямой зависимости от технического уровня их конструкций и условий работы на автомобиле. Обычно аккумуляторные батареи на автомобилях после пуска двигателя работают в режиме подзаряда и сконструированы таким образом, чтобы развивать достаточную мощность в кратковременном стартерном режиме разряда при низких температурах. Однако на некоторых видах автомобилей, где установлено электро- и радиооборудование повышенного энергопотребления, аккумуляторные батареи могут подвергаться длительным разрядам токами большой силы. Батареи на таких автомобилях должны быть устойчивы к глубоким разрядам. Условия, в которых работает аккумуляторная батарея, зависят от типа, назначения, климатической зоны эксплуатации автомобиля, а также от места установки ее на автомобиле. Режимы работы аккумуляторной батареи на автомобиле определяются температурой электролита, уровнем вибрации и тряски, периодичностью, объемом и качеством технического обслуживания, параметрами стартерного разряда, силой токов и продолжительностью разряда и заряда при циклировании, уровнем надежности и исправности электрооборудования, продолжительностью работы и перерывов в эксплуатации. Наибольшее влияние на работу аккумуляторных батарей оказывают место размещения и способ крепления батарей на автомобиле, интенсивность и регулярность эксплуатации автомобиля (среднесуточный пробег), температурные условия эксплуатации (климатический район, время года и суток), назначение автомобиля, соответствие характеристик генераторной установки, аккумуляторной батареи и потребителей электроэнергии.
Принцип работы свинцового аккумулятора
Свинцовые аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока, которые могут использоваться многократно. Активные материалы, израсходованные в процессе разряда, восстанавливаются при последующем заряде. Химический источник тока представляет собой совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы в процессе токообразующей реакции отдает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восстанавливается. Электролитом, как правило, является жидкое химическое соединение, обладающее хорошей ионной и малой электронной проводимости.
Устройство и конструктивные схемы батарей
Различные типы стартерных аккумуляторных батарей, имеют свои конструктивные особенности, однако в их устройстве много общего. По конструктивно-функциональному признаку выделяют батареи: обычной конструкции - в моноблоке с ячеечными крышками и межэлементными перемычками над крышками; батареи в моноблоке с общей крышкой и межэлементными перемычками под крышкой; батареи необслуживаемые - с общей крышкой, не требующие ухода в эксплуатации. Свинцовый аккумулятор, как обратимый химический источник тока, состоит из блока разноименных электродов, помещенных в сосуд, заполненный электролитом. Стартерная батарея в зависимости от требуемого напряжения содержит несколько последовательно соединенных аккумуляторов. В стартерных батареях собранные в полублоки 3 и 12 (рис 2. 1), положительные 15 и отрицательные16 электроды (пластины) аккумуляторов размещены в отдельных ячейках моноблока (корпуса) 2.
Разнополярные электроды в блоках разделены сепараторами 9. Батареи обычной конструкции выполнены в моноблоке с ячеечными крышками 7. Заливочные отверстия в крышках закрыты пробками 5. Межэлементные перемычки 6 расположены над крышками. В качестве токоотводов предусмотрены полюсные выводы 8. Кроме того, в батарее может быть размещен предохранительный щиток. В конструкции батареи предусматривают и дополнительные крепежные детали.
Электроды
Электроды в виде пластин намазного типа имеют решетки, ячейки которых заполнены активными веществами. В полностью заряженном свинцовом аккумуляторе диоксид свинца положительного электрода имеет темно-коричневый цвет, а губчатый свинец отрицательного электрода - серый цвет. Решетки электродов выполняют функции подвода тока к активному веществу и механического удержания активного вещества. Решетки электродов имеют рамку 2 (рис 2. 2), вертикальные ребра и горизонтальные жилки 4, ушки 1 и по две опорные ножки 3 (кроме решеток отрицательных электродов необслуживаемых батарей). Ребра могут быть и наклонными. Профиль ребер и жилок обеспечивает легкое извлечение решетки из литейной формы. Горизонтальные жилки по толщине обычно меньше вертикальных ребер и располагаются в шахматном порядке. Рамка, как правило, намного массивнее жилок. Освинцованная сетка металлической решетки с увеличенной поверхностью (рис. 2. 2, д) имеет лучшее сцепление с активным веществом электрода, уменьшая действие коррозии и увеличивая срок службы батареи.
Решетка электрода должна обеспечивать равномерное распределение тока по всей массе активных материалов, поэтому имеет форму, близкую к квадратной. Толщина решеток электродов выбирается в зависимости от режимов работы и установленного срока службы аккумуляторной, батареи. Решетки отрицательных электродов имеют меньшую толщину, так как . они в меньшей степени подвержены деформации и коррозии. Масса решетки составляет до 50% массы электрода. Решетки электродов изготавливают методом литья из сплава свинца и сурьмы с содержанием сурьмы от 4 до 5% и добавлением мышьяка (0,1-0,2%). Сурьма увеличивает стойкость решетки против коррозии, повышает ее твердость, улучшает текучесть сплава при отливке решеток, снижает окисление решеток при хранении. Добавка мышьяка снижает коррозию решеток. Однако сурьма оказывает каталитическое воздействие на электролиз воды, содержащейся в электролите, снижая' потенциалы разложения воды на водород и кислород до рабочих напряжений генераторной установки. Наличие сурьмы в решетках положительных пластин приводит в процессе эксплуатации батареи к переносу части сурьмы на поверхность активной массы отрицательных пластин и в электролит, что сказывается на повышении потенциала отрицательной пластины и понижении электродвижущей силы (ЭДС) в процессе эксплуатации. При постоянном напряжении генератора понижение ЭДС батареи приводит к повышению зарядного тока, расходу воды и обильному газовыделению. Для снижения интенсивности газообразования решетки электродов для необслуживаемых аккумуляторных батарей изготавливают из свинцово-кальциево-оловянистых или малосурьмянистых (до 2,5% сурьмы) сплавов. Содержание 0,05-0,09% кальция, 0,5-1 % олова, а также добавление 1,5% кадмия, обеспечивают повышение напряжения . начала газовыделения до 2,45 В и в 15-17 раз снижает потерю воды от электролиза. Это позволяет контролировать и корректировать уровень электролита в необслуживаемой батарее не чаще одного раза в год. Отсутствие выделений взрывоопасных смесей водорода и кислорода облегчает задачу утепления и обогрева батарей. Ячейки решеток электродов заполнены пористым активным веществом (пастой). Основой пасты электродов является свинцовый порошок, замешиваемый в водном растворе серной кислоты. С целью увеличения прочности активного вещества в пасту для положительных электродов добавляют полипропиленовое волокно. Уплотнение активного вещества отрицательных электродов в процессе эксплуатации предотвращается благодаря добавлению в пасту расширителей (сажа, дубитель БНФ, гумматы, получаемые из торфа и т. д. ) в смеси с сернокислым барием. Тестообразную пасту вмазывают в решетки электродов. После намазки, прессования и сушки электроды подвергают электрохимической обработке (формированию). Пористая структура активного вещества после формирования электродов обеспечивает лучшее проникновение электролита в глубинные слои, и повышает коэффициент использования активных материалов. Активная поверхность пористого вещества (поверхность, непосредственно контактирующая с электролитом) в сотни раз превышает геометрическую поверхность электрода. Отрицательные и положительные электроды с помощью бареток соединяют в полублоки. Баретки имеют мостики, к которым своими ушками привариваются решетки электродов и выводные штыри (борны). Борны являются токоотводами полублоков пластин. Мостики обеспечивают необходимый зазор между электродами. Число параллельно соединенных электродов в полублоках увеличивается с возрастанием номинальной емкости аккумулятора. Полублоки объединены в блоки электродов. В зависимости от предъявляемых к батарее требований соотношение между количеством положительных и отрицательных электродов может быть различным, однако число разнополярных электродов отличается не более чем на единицу. Число отрицательных электродов в блоках на один больше, чем положительных. В токообразующих реакциях участвует относительно большее количество активного вещества положительных электродов. Находясь между двумя отрицательными электродами, положительный электрод при заряде и разряде меньше деформируется. При таком счете пластин положительные электроды, как правило, на 10-20% толще отрицательных, а крайние отрицательные электроды имеют толщину на 40% меньше положительных. В некоторых батареях количество разнополярных электродов одинаково или больше числа положительных электродов. В этих случаях электроды имеют одинаковую толщину. Электродный блок с большим числом положительных пластин имеет меньшую материалоемкость. В некоторых конструкциях батарей блок электродов (рис. 2. 3) дополнительно крепится к баретке 1 с помощью полиуретана 2, что значительно повышает стойкость батареи к вибрации.
Сепараторы
Электроды в блоках разделены сепараторами. Сепараторы предотвращают короткое замыкание между разнополярными электродами, обеспечивают необходимый для высокой ионной проводимости запас электролита в междуэлектродном пространстве и предотвращают возможность переноса электролита от одного электрода к другому. Кроме того, сепараторы фиксируют зазор между электродами и исключают вероятность их сдвига при тряске и вибрации. Качество сепараторов оказывает существенное влияние на работу свинцового аккумулятора. От омического сопротивления сепараторов зависит внутреннее падение напряжения в батарее и уровень напряжения на выводах электростартера. Сепараторы замедляют оплывание активного вещества положительных электродов и скорость сульфатации отрицательных электродов, продлевая срок службы батареи. Сепараторы должны обладать высокой пористостью, достаточной механической прочностью, кислотостойкостью, эластичностью, минимальной гигроскопичностью при длительном хранении батареи в сухозаряженном состоянии и сохранять свои свойства в широком диапазоне температур. Электросопротивление сепаратора, пропитанного электролитом, должно быть минимальным по отношению к сопротивлению такого же по объему и геометрическим размерам слоя электролита. Для массовых автомобильных батарей важна также дешевизна и доступность сырья, простота изготовления. В свинцовых аккумуляторах применяют сепараторы из мипора, мипласта, поровинила, пластипора и винипора. В стартерных свинцовых аккумуляторных батареях устанавливают сепараторы из мипора и мипласта. Мипор (микропористый эбонит) получают в результате вулканизации смеси натурального каучука с силикагелем и серой. К недостаткам сепараторов из ми-пора относятся хрупкость, малая скорость пропитки электролитом, дефицитность сырья и большая стоимость. Мипласт или микропористый полихлорвинил изготовляют из полихлорвиниловой смолы путем спекания. Технологический процесс изготовления сепараторов из мипласта проще, сырье менее дефицитно. Мипласт быстро пропитывается электролитом, обладает низким относительным электросопротивлением и достаточной механической прочностью. Имея меньшую пористость и больший диаметр пор по сравнению с мипором, мипласт менее стоек к образованию токопроводящих мостиков между электродами. Срок службы аккумуляторных батарей с сепараторами из мипласта меньше. Сепараторы из мипора и мипласта не должны иметь влажность более 2%, а также сквозных микроотверстии, которые можно обнаружить при просвечивании электрической лампой мощностью 100 Вт, расположенной на расстоянии 100 мм от сепаратора. Механическую прочность сепаратора оценивают по сопротивлению на разрыв, по способности выдерживать изгиб вокруг валика диаметром 60 мм (сепараторы из мипора) и диаметром 45-60 мм (сепараторы из мипласта). Сепараторы из мипора и мипласта представляют собой тонкие (1-2 мм) прямоугольные пластины с трапециедальными, круглыми или овальными вертикальными выступами (рис. 2. 4), которые обращены к положительному электроду для лучшего доступа к нему электролита. Небольшие ребра высотой 0,15-0,2 мм со стороны, обращенной к отрицательному электроду, снижают вероятность "прорастания" сепаратора, улучшают условия диффузии отрицательного электрода. Размеры сепараторов из мипора и мипласта на 3-5 мм по ширине и на 9-10 мм по высоте больше, чем у электродов. Это исключает появление токопроводящих мостиков по торцам пластин и сепараторов. В необслуживаемых батареях применяют пленочные сепараторы и сепараторы-конверты (рис. 2. 5), образуемые двумя сваренными с трех сторон пластиковыми сепараторами. При установке в сепаратор-конверт одного из аккумуляторных электродов, . например, отрицательного, замыкание электродов разноименной полярности шламом исключается. Это позволяет устанавливать блоки электродов непосредственно на дно моноблоков без призм и шламового пространства. При сохранении высоты батареи можно более чем в 2 раза увеличить высоту h (рис 2. 6) слоя электролита над электродами в ячейках моноблока и, следовательно, ту часть объема электролита, которая может быть израсходована в период эксплуатации между очередными добавками дистиллированной воды. При исправном электрооборудовании и отсутствии нарушений в эксплуатации необходимость в добавлении воды в батарею может возникнуть не чаще 1 раза в 1-2 года.
Моноблоки. Крышки. Пробки
Моноблоки стартерных аккумуляторных батарей изготавливают из эбонита или другой пластмассы. Тяжелые и хрупкие моноблоки из эбонита в настоящее время заменяются моноблоками из термопласта (наполненного . полиэтилена), полипропилена и полистирола. Высокая прочность полипропилена позволила уменьшить толщину стенок до 1,5-2,5 мм и тем самым уменьшить массу моноблока и батареи. Тонкие стенки моноблока из полипропилена делают более жесткими за счет рационального выбора конструктивных форм моноблоков. Достаточная прозрачность полипропилена упрощает контроль уровня электролита в батарее. Внутри моноблок разделён прочными непроницаемыми перегородками 2 (рис. 2. 7) на отдельные ячейки по числу аккумуляторов в батарее, В ячейках моноблока размещают собранные в блоки электроды и сепараторы. В батареях с обычными сепараторами на дне каждой ячейки предусмотрены четыре призмы 1, образующие пространство для шлама (активных веществ электродов, осыпающихся при работе батареи на дно ячеек). На опорные призмы своими ножками устанавливают электроды (разноименные электроды на свои две призмы), что исключает их короткое замыкание шламом. На перегородках моноблока предусмотрены вертикальные (Рис. 2. 8. ) выступы (пилястры) 3 для лучшей циркуляции электролита у электродов прилегающих к перегородкам.
