Реферат: Аккумуляторная батарея
При использовании эбонита для изготовления моноблока, крышки и других корпусных деталей, масса их достигает 15-18% от полной массы аккумуляторной батарей. Кроме того, эбонит отличается повышенной хрупкостью при низких (отрицательных) температурах. Достаточная механическая прочность моноблока из эбонита достигается лишь при толщине стенок до 9-12 мм. Соответственно, при большой толщине стенок масса эбонитового моноблока доходит до 5-12 кг. Применение морозоустойчивого полипропилена (сополимера пропилена с этиленом), дало возможность при сохранении достаточной механической прочности при, отрицательных температурах существенно уменьшить массу моноблока (более чем в 5 раз). Толщина стенок моноблоков из пластмасс уменьшилась до 1,5-3,5 мм. В каждом аккумуляторе батареи, кроме необслуживаемых, устанавливают перфорированные предохранительные щитки из эбонита или пластмассы. Они предохраняют верхние кромки пластин и сепараторов от повреждений при измерении плотности, температуры и уровня электролита. Крышки из эбонита или пластмассы различного конструктивного исполнения могут закрывать отдельные аккумуляторные ячейки. Наиболее распространена конструкция крышки с двумя крайними отверстиями для вывода борнов блоков электродов и одним средним резьбовым отверстием для заливки электролита в аккумуляторные ячейки и контроля его уровня. В крайние отверстия отдельных крышек запрессованы свинцовые втулки. В местах стыка отдельных крышек со стенками моноблока эбонитовые аккумуляторные батареи герметизируются битумной мастикой. Мастика должна быть химически стойкой и эластичной, иметь низкую температуру плавления, при температурах от -40 до 60°С не должна отставать от стенок моноблока и крышек, разрываться и трескаться. Общие крышки из пластмассы приваривают или приклеивают к моноблокам. Контактно-тепловая сварка пластмассового моноблока и общей крышки обеспечивает надежную герметизацию во всем диапазоне температур окружающей среды, на который рассчитана эксплуатация аккумуляторной батареи. Такой способ соединения общей крышки с пластмассовым моноблоком применен в батарее 6СТ-190А для тяжелых грузовиков с дизелями. Заливочные отверстия в крышках унифицированы по группам с метрической резьбой М20, М24 и МЗО и закрываются пробками с вентиляционными отверстиями. Пробки изготавливают из эбонита, полиэтилена, полистирола или фенолита. Пластмассовые пробки имеют меньшую массу и большую прочность. Чтобы предотвратить вытекание электролита, между уплотнительным бортиком корпуса пробки 1 (рис, 2. 10) и заливной горловиной крышки устанавливают резиновую шайбу 3. Герметизация может обеспечиваться также конусным бортиком 5, плотно прилегающим к горловине отверстия в крышке. В новых пробках . предусмотрен пластмассовый уплотнительный элемент 6, распложенный на бортике пробки. Пробки имеют встроенные отражатели 4 и 7, которые не позволяют электролиту выплескиваться через вентиляционные отверстия. В пробках новой конструкции отражатель 7 выполнен, в виде лепестков. Для хранения в герметичном состоянии в сухозаряженных батареях над вентиляционным отверстием пластмассовой пробки предусмотрен глухой прилив 2. При вводе батареи в эксплуатацию прилив пробки срезается. Электролит через вентиляционное отверстие не должен выливаться при наклоне аккумуляторной батареи от нормального рабочего положения на угол 45°. Применение общей крышки (особенно, из термопластичных материалов) предоставляет широкие возможности для механизации и автоматизации, производства аккумуляторных батарей, а также для конструктивных усовершенствований, позволяющих, облегчить обслуживание батареи в эксплуатации. Конструкция некоторых крышек из полипропилена обеспечивает централизованную заливку электролита в батарею и общий газоотвод. При наличии общей крышки можно устанавливать блок пробок на несколько заливных горловин, которые располагаются выше вентиляционных отверстий. Вытекающий из заливных горловин электролит через вентиляционные отверстия может поступать обратно в ячейки моноблока. Блок пробок может быть выполнен в виде пластмассовой планки 8 (см; рис. 2. 10, г), в которую вставлено необходимое число безрезьбовых пробок 9. Пробки могут иметь некоторую свободу перемещения в планке для центрирования их с заливными горловинами. В некоторых конструкциях пробки выполняются заодно с планкой.
Межэлементные перемычки. Выводы
Для последовательного соединения аккумуляторов в батарее используют межэлементные перемычки, которые припаивают к борнам бареток полублоков в таком порядке, чтобы соединить между собой полублок отрицательных пластин одного аккумулятора с полублоком положительных пластин рядом расположенного аккумулятора. При соединении борна с межэлементной перемычкой к ним приваривается верхняя часть свинцовой втулки, запрессованной в крышке, чем обеспечивается надежное уплотнение отверстий в местах выхода борнов (рис. 2. 11). Межэлементные перемычки из свинцово-сурьмянистого сплава устанавливают снаружи над крышкой, через перегородки под крышкой и пропускают через отверстие в пластмассовой перегородке (рис. 2. 12). Аккумуляторы соединяют между собой путем вдавливания металла плоских борнов 2, имеющих трапецеидальную форму. Борны располагают около отверстия в перегородке и далее с помощью пуансонов 4 в сварочных клещах часть металла борнов вдавливается в отверстия до появления электрического контакта между борнами соседних аккумуляторов. После появления контакта между соседними борнами в отверстии перегородки к сварочным клещам подается электрический ток для контактной сварки борнов. Описанный процесс соединения аккумуляторов через перегородки обеспечивает однородную структуру межэлементной перемычки и, герметичность между аккумуляторами. Повышенную устойчивость к механическим нагрузкам (тряска, вибрация) обеспечивает другой способ, соединения аккумуляторов в батареи, применяемый при производстве батарей 6СТ-190А. Процесс осуществляется в две стадии. Перегородки 1 (рис. 2. 14) моноблока имеют в верхней части углубления (пазы) 2, через которые сначала с помощью специальной литейной формы 7 место сварки, борнов герметизируется пластмассой, из которой изготовлен моноблок. Bокруг соединения образуется своеобразный чехол, который служит также дополнительным упором для блока, электродов 6. Укороченные межэлементные перемычки через перегородки, полиэтиленовых и полипропиленовых моноблоков позволяют уменьшить внутреннее сопротивление батареи (рис. 2. 15) и расход свинцового сплава. Снижение потерь напряжения на соединительных деталях позволяет, иметь на 0,1-0,ЗВ большее напряжение на выводах батареи при ее работе в стартерном режиме. Расход свинцово-сурьмянистых сплавов снижается на батареях до 100 Ач на 0,5-0,9 кг, а на батареях емкостью свыше 100 Ач на 1,5-3 кг. Стартерные аккумуляторные батареи с общими крышками и скрытыми перемычками становятся неремонтопригодными, но это отвечает современным тенденциям, согласно которым капитальный ремонт экономически нецелесообразен.
С целью уменьшения внутреннего падения напряжения в аккумуляторных батареях большой емкости борны и межэлементные перемычки выполняются в виде освинцованных стержней из меди, имеющей в 12 раз большую электропроводность по сравнению освинцово-сурьмянистыми сплавами. Поперечные сечения борнов и межэлементных перемычек автомобильных батарей выбираются из условия ограничения падения напряжения на каждом из борнов до 16 мВ и на межэлемёнтных перемычках -до 20 мВ. К выводным борнам крайних аккумуляторов приваривают конусные полюсные выводы, размеры выводов стандартизованы. Диаметр конуса у основания положительного вывода на 2 мм больше чем у отрицательного. Этим исключается вероятность неправильного включения батареи в систему электрооборудования. Некоторые аккумуляторные батареи имеют полюсные выводы с отверстиями под болты или оба типа выводов. Узлы пайки и токоведущие детали батарей должны выдерживать прерывистый разряд током силой 9С20 (C20 - номинальная емкость батареи при двадцатичасовом разряде), но не выше силы разрядного тока 1700 А в течение четырех циклов.
Детали крепления и переносные устройства
Для удобства размещения аккумуляторных батарей на автомобилях необходима унификация их размеров по ширине и высоте, что связано с унификацией размеров электродов. В некоторых случаях необходима унификация и по длине батареи.
Это позволяет без переделки посадочных мест устанавливать на автомобилях одной модели батареи разной емкости в зависимости от назначения машины и условий ее эксплуатации. В этих же целях желательно применять крепление батарей за выступы в нижней части моноблока вдоль длинной стороны для батарей емкостью до 100 Ач и по ширине при большей емкости. Выступы отливаются как одно целое с моноблоком или изготавливаются отдельно и соединяются с моноблоком методом контактно-тепловой сварки. Аккумуляторные батареи большой емкости снабжают ручками для переноски, прикрепленными к моноблоку с помощью специальных металлических скоб, накладок и винтов. Такая конструкция требует дополнительной оснастки для изготовления крепежных деталей переносных устройств и увеличивает трудоемкость изготовления батарей. Проще выполнить переносные устройства только с ручками, расположенными в отверстиях бортика моноблока. Ручки могут быть жесткими или гибкими, перемещаться в вертикальном направлении и поворачиваться на некоторый угол по горизонтали. Переносные устройства и места их крепления должны выдерживать нагрузку, равную двукратной массе батареи с электролитом. Конструкция стартерной свинцовой аккумуляторной батареи 6СТ-190А для грузовых автомобилей с моноблоком 7, единой крышкой 1 и пробками 5 из пластических материалов, с межэлементным перемычками 3 через перегородки 4, крепежными выступами 9 в нижней части моноблока и переносным устройством с ручкой 6 приведена на рис. 2. 18.
Необслуживаемые батареи
Термином "необслуживаемые" характеризуют стартерные аккумуляторные батареи, не требующие добавления электролита в процессе эксплуатации, обладающие высокими электрическими характеристиками и большим сроком службы по сравнению с обычными батареями. Обычные стартерные свинцовые батареи имеют, достаточно высокие удельные электрические характеристики, однако обладают рядом существенных недостатков. В результате электролиза воды во время эксплуатации свинцовой батареи снижается уровень электролита, что требует периодического (1 -2 раза в месяц) добавления дистиллированной воды. Электролитическое разложение воды происходит при заряде, особенно интенсивно при перезарядах. Кроме того, вода из электролита испаряется при повышенных температурах окружающей среды. Во время перерывов в эксплуатации автомобилей происходит саморазряд (постепенная потеря емкости при длительном бездействии) батареи. В сутки саморазряд может составить 0,5-0,8%. В конце срока службы суточный саморазряд батареи может возрасти до 4%. Это приводит к необходимости ежемесячного подзаряда батареи во время хранения батарей, залитых электролитом. Потребность в периодическом добавлении дистиллированной вода и подзарядке батарей при длительном хранении увеличивает объемы обслуживания их в эксплуатации, требует дополнительных затрат на оборудование, инструмент, материалы, соответствующих производственных площадей и квалифицированного персонала. Все эти трудности с обслуживанием батарей усугубляются при длительной эксплуатации автомобилей вне парков. Срок службы свинцовых аккумуляторных батарей ограничивается в основном коррозией решеток электродов. Кроме того, электролиз воды с выделением активного кислорода способствует ускоренной коррозии решеток положительных электродов. Интенсивность электролиза электролита и сопутствующей ему коррозии решеток возрастает при перезаряде повышении температуры и старении батареи. Следовательно, в эксплуатации необходимо принимать специальные меры для ограничения верхнего предела регулируемого напряжения генераторной установки. Следует также иметь в виду, что выделяемая при работе свинцовой аккумуляторной батареи кислородно-водородная смесь взрывоопасна, газы и пары электролита могут вызвать коррозию металлических деталей автомобиля, расположенных рядом с батареей, а вещества, образующиеся при работе батареи, например, стибин (сурьмянистый водород) токсичны. Отмеченные недостатки, характерные для обычных (традиционных) аккумуляторных батарей, связаны с наличием 5-7% сурьмы в сплаве свинца, из которого отливаются решетки электродов. Легирование свинца сурьмой обеспечивает необходимую механическую прочность решеток, что очень важно для автомобильных батарей, работающих в условиях вибрации и тряски. Добавление 5% сурьмы более чем в 2 раза увеличивает твердость решеток и в 3-4 раза сопротивление разрыву. Кроме сурьмы в сплав вводится также 0,1-0,2% мышьяка. Это способствует образованию благоприятной кристаллической, структуры сплава и повышает коррозионную стойкость положительных решеток электродов. Выделение водорода при газообразовании происходит на отрицательных электродах, а кислорода - на положительных. Активное газовыделение происходит в основном при заряде, а также при разряде или длительном бездействии аккумуляторной батареи. Газовыделение в процессе разряда и при длительном бездействии связано с реакциями, вызывающими саморазряд батареи. Интенсивность газовыделения зависит от соотношения между величиной фактического напряжения на электроде и напряжением (перенапряжением), при котором начинается газовыделение. Чем больше напряжение на электроде превышает величину напряжения, при котором начинается газовыделение, тем больше выделяется водорода и кислорода. С другой стороны, на напряжение начала газовыделения оказывают влияние различные примеси, содержащиеся в решетках и активной массе пластин.
Сурьма в сплаве положительных пластин способствует более интенсивному выделению кислорода и, одновременно, электрохимическому переносу и отложению сурьмы на поверхности отрицательного электрода. Присутствие даже небольшого количества сурьмы на поверхности отрицательного электрода приводит к заметному росту выделения водорода. Снижение напряжения начала газовыделения до 14,4 В при наличии сурьмы в решетках пластин является, основной причиной того, что на автомобилях при рекомендуемых уровнях регулируемого напряжения генераторных установок газовыделение начинается до того, как батарея обычной конструкции будет полностью заряжена. Появление необслуживаемых батарей, стало возможным благодаря, применению решеток из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов и свинцово-сурьмянистых сплавов с уменьшенным содержанием сурьмы. Необслуживаемые батареи со свинцово-кальциево-оловянистыми и мало-сурьмянистыми сплавами отличаются не только малыми газовыделением и саморазрядом, но и рядом других преимуществ. Эти батареи можно устанавливать в местах, не требующих удобного доступа для обслуживания. Меньше вероятность выхода их из строя вследствие коррозии решеток электродов. Батареи имеют лучшие зарядные характеристики и характеристики стартерного режима разряда. Срок эксплуатации необслуживаемых батарей без добавления электролита может достигать 400-500 тыс. км пробега автомобиля. Есть определенные трудности изготовления решеток пластин из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов. Кальций в процессе литья выгорает. Поэтому технологически трудно обеспечить очень малое оптимальное содержание кальция (0,06-0,09%) в сплаве. Содержание олова составляет 0,5-1 %. От содержания кальция и олова в сплаве решетки зависят ее прочностные и антикоррозионные свойства. Снижение газовыделения и улучшение механических свойств решеток из свинцово-кальциевых сплавов достигается также добавлением 1,5% кадмия. Добавлением 1,25% сурьмы в решетки пластин ограничивается образование нежелательных кристаллов древовидной формы. Из-за технологических трудностей изготовления решеток электродов из сплава свинца, кальция и олова применение нашли батареи с ограниченным объемом обслуживания на основе электродов с пониженным содержанием сурьмы в решетках. Интенсивность газовыделения существенно снижается только при уменьшении содержания сурьмы в сплаве решетки до 2,5-3%. Но уже при содержании сурьмы ниже 4% резко ухудшаются литейные свойства свинцово-сурьмянистого сплава, снижается механическая прочность решетки, возрастает скорость коррозии электродов. Для сохранения необходимых технологических и эксплуатационных свойств малосурьмянистых сплавов в них добавляют медь (0,02-0,05%), серу и селен (до 0,01 %). На литейных свойствах сплава благоприятно сказывается присадка олова (до 0,01 %). Лучшие батареи с решетками электродов с малосурьмянистыми сплавами, содержащими другие легирующие добавки практически являются необслуживаемыми, хотя имеют несколько худшие показатели саморазряда по сравнению с батареями, в которых решетки выполнены из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов. Такие батареи также имеют достаточно высокий срок службы и малочувствительны к глубоким разрядамВ отечественных необслуживаемых батареях по сравнению с обычными батареями содержание сурьмы в сплаве решеток электродов уменьшено в 2-3 раза. Это повысило напряжение начала выделения водорода и кислорода и обеспечило подзаряд батареи без газовыделения практически во всем диапазоне регулируемого напряжения генераторных установок автомобилей. Примерно в 5-6 раз снизилась интенсивность саморазряда батареи (до 0,08-0,1 % в сутки). Необслуживаемые батареи могут выпускаться в герметичном исполнении и не имеют пробок заливных горловин. В этом случае степень разряженности батареи нельзя определить по плотности электролита. В зимнее время возникает опасность замерзания электролита разряженной батареи. Поэтому на герметичные необслуживаемые аккумуляторные батареи устанавливают индикаторы заряженности. При уменьшении степени заряженности ниже определённого уровня меняется цвет видимого пятна индикатора.
