Устройство для аккумуляторных батарей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Устройство, принцип работы и характеристики аккумуляторных батарей (АКБ)

1.1 Условия работы источников электрического тока в автотранспортных средствах

1.2 Аккумуляторные стартерные

1.3 Перспективные автомобильные системы электрооборудования

Глава 2. Отказы аккумуляторных батарей

2.1 Саморазряд

2.2 Сульфатация

Глава 3. Зарядные устройства аккумуляторных батарей

3.1 Способы заряда и восстановление АКБ

3.2 Зарядные устройства для аккумуляторов

Глава 4. Изготовление зарядного устройства

4.1 Принципиальная схема и принцип работы зарядного устройства

4.2 Расчет трансформатора

4.3 Изготовление печатной платы и монтаж элементов схемы

4.4 Методика проведения занятий в кружке технического творчества при изготовлении зарядных устройств

4.5 Задачи воспитания в процессе кружковой работы

Заключение

Список литературы

Реферат

В автотракторной технике аккумуляторные батареи являются основными источниками электрического тока, обеспечивающие запуск двигателя внутреннего сгорания и работу электропотребителей в процессе эксплуатации.

В выпускной квалификационной работе изучено влияние большого числа факторов на процессы зарядки-разрядки аккумуляторных батарей таких как: температуры пуска двигателей, выходные данные генератора переменного тока, электрические нагрузки, напряжение зарядки и др., подробно изложены устройство, конструкции и характеристики аккумуляторных батарей. Особое внимание уделено рабочим состояниям, техническому обслуживанию, отказам аккумуляторных батарей. Описаны явления саморазряда, сульфатации, коробления пластин.

Для зарядки аккумуляторных батарей выбрано достаточно эффективное устройство, обеспечивающее процесс зарядки-разрядки ассиметричным током, которое позволяет поддерживать 100% уровень зарядки аккумулятора во время зимнего хранения, и устраняет сульфатацию пластин. Изготовленное устройство может быть рекомендовано для реализации в кружках технического творчества учащихся.

Изложенный материал в данной работе сопровождается иллюстрациями.

Выпускная квалификационная работа содержит: страниц-91; рисунков-23;таблиц- 3.

Введение

Система народного образования объективно переносит и трансформирует в своих подструктурах все политические и социально-экономические катаклизмы, происходящие в обществе. Развал общественной системы и разрушение идеологических постулатов и догм болезненно сказывается на духовном самочувствии всех слоев населения и, особенно, молодежи. Исчезновение прочно устоявшихся социальных, идеологических ориентиров представляет немалые трудности как в направленности воспитательного воздействия на подрастающее поколение в связи с демократическими процессами и гуманизацией всей школы, ориентацией на общечеловеческие ценности, так и в перестройке самой системы народного образования. Преодоление кризиса в экономике и общественной жизни, связываемое в нашей стране с переходом к рыночным отношениям, объективно требует принципиального обновления всех социальных институтов и систем, в том числе системы образования. Её стратегией сегодня все более становится ориентация на общечеловеческие ценности, на создание реальных предпосылок для свободного и творческого развития личности. Среди этих предпосылок важнейшая роль принадлежит формированию трудового образа жизни. В настоящее время объективно складываются условия для повышения эффективности трудовой подготовки школьников в связи с появлением новых форм предпринимательской деятельности: индивидуальной и семейно-кооперативной, акционерных, арендных предприятий, хозяйственных товариществ и др. Новые формы хозяйствования должны стать школой трудового опыта молодежи, формировать новую социальную психологию подрастающего поколения.

Процесс трудового воспитания молодежи, составляя часть целостного педагогического процесса и будучи непосредственным объектом профессиональной педагогической деятельности, представляет систему последовательных воспитательных воздействий, направленных на достижение педагогически трансформируемых социальных целей. Одним из условий функционирования этой системы является целостность воспитательного процесса, составными элементами которого является выдвижение целей, планирование предстоящей трудовой деятельности в совокупности с рациональным отбором ее содержания, форм и методов в соответствии с педагогически целесообразными принципами, психологически и физиологически обусловленными требованиями, соответствующей организацией и последующей коррекцией создаваемых педагогических ситуаций при решении постепенно усложняющихся педагогических задач, материально и моральной стимуляцией труда [1,2].

В последние годы кардинальные изменения, происшедшие во всех сферах жизнедеятельности людей, связанные с переориентацией социально-нравственных ценностей, переходом к рыночным отношениям, заставляют переосмысливать и наполнять новым, нетрадиционным содержанием такие понятия, как «трудовое воспитание», «трудовое обучение», «производительный труд школьников».

В новой социально-экономической ситуации для молодежи необходимо создать все условия для развития ее разносторонних способностей, четко обозначить нравственные ориентиры в осознании личной и общественной значимости труда, в формировании трудовой морали, которая должна служить надежной психологической основой в любой профессиональной деятельности.

Это предполагает необходимость формирования у школьников устойчивой ориентации на трудовой образ жизни, воспитание экономической грамотности.

Трудовое воспитание в школе призвано также вносить свой вклад в Гармонизацию личностных устремлений и способностей человека с общественными потребностями и интересами. Таким образом, трудовое воспитание, как одна из сторон воспитания личности, должно быть нацелено на осознание детьми, подростками, юношеством нравственной ценности трудового начала жизни.

Составной частью трудового образования является трудовое обучение. Трудовое обучение-это средство трудового образования, через которое учащиеся приобретают знания, умения, навыки, т.е. базовую трудовую культуру. Последняя понимается как культура труда, воплощенная в творчестве, продуктивном мышлении, освоении школьниками обобщенных способов деятельности, в развитии способности к продуктивной деятельности, погорая вносит в современных условиях не только политехнический, но и эргономический характер.

Техническое творчество и сельскохозяйственное опытничество предполагает развитие разноплановых направлений творческой деятельности учащихся, что связано, в первую очередь, с формированием и развитием познавательной активности, устойчивого интереса учащихся к определенным отраслям естествознания, техники, технологии современного производства, осознанного выбора профессиональной деятельности по окончании школы.

Многолетний опыт изучения проблем трудового воспитания привел нас к выводу о том, что система формирования готовности школьников к труду основана на следующих принципах:

* реализации политехнического образования в основах наук и трудовом обучении;

* соединении обучения с производительным трудом;

* воспитывающего, развивающего, общественного характера труда;

* познавательно-творческого, развивающего характера содержания и форм организации трудовой деятельности учащихся;

* систематичности и непрерывности трудовой подготовки;

* учета возрастных и психологических особенностей школьников;

* морального и материального стимулирования;

* учета интересов и склонностей школьников;

* преемственности в организации общественно полезного, производительного труда;

* учета «перспектив» в планировании общественно полезного, производительного труда.

К многообразным видам труда и их содержанию, формам и методам предъявляются определенные требования, соблюдение которых обязательно. Сформулируем эти требования:

* труд должен быть доступен каждому возрасту и соответствовать уровню знаний и умений учащихся;

* школьникам должна быть понятна общественно полезная значимость труда;

* они должны видеть результаты своего труда;

* содержание и объем трудового задания должны быть рассчитаны на успешное завершение в планируемый срок;

* содержание общественно полезного труда должно позволить применить соответствующие организационные формы, обеспечивающие накопление школьниками нравственного опыта поведения в единстве с развитием их нравственного сознания;

* при выполнении различных видов труда должны строго соблюдаться санитарно-гигиенические нормы, правила техники безопасности, охраны труда и здоровья учащихся;

* существенное влияние на эффективность общественно полезной деятельности подростков оказывает ученическое самоуправление.

Понятие готовность к труду, готовность трудиться включает в себя: осознание общественной и личностной значимости труда; любовь к труду; способность трудиться.

В процессе коллективного труда, основанного на принципе товарищества и взаимопомощи, формируется человек. Вот почему кружковая работа дает учащимся соответствующие знания, воспитывает сознательное отношения к труду, к общественной и личной собственности, к коллективу, готовность трудиться для общей пользы. Изготовление членами кружков технического творчества полезных изделий дает возможность применять коллективный труд, развивает у учащихся чувство ответственности за подручное дело, приближает тематику кружков к производственным задачам.

В автотракторной технике аккумуляторные батареи являются основными автономными источниками тока, обеспечивающие запуск двигателей внутреннего сгорания и работу электропотребителей в процессе эксплуатации [3,4,5].

Целью данной выпускной квалификационной работы является разработка зарядного устройства для аккумуляторных батарей, доступного для изготовления в кружках технического творчества, которое может использоваться в школьном автопрактимуме.

Для достижения этой цели требуется рассмотреть следующие задачи:

* изучить устройство, принцип работы и основные неисправности аккумуляторных батарей (АКБ);

* проанализировать распространенные способы заряда АКБ;

* познакомиться с конструктивными решениями зарядных устройств;

* разработать схему и конструкцию зарядного устройства;

* изготовить опытный образец;

Глава 1. Устройство, принцип работы и характеристики аккумуляторных батарей (АКБ)

Транспортное средство должно снабжаться достаточным запасом электрической энергии. Доступные источники подачи электрического тока должны быть в состоянии обеспечивать пуск двигателя и работу автомобиля. Работа вспомогательных устройств электрооборудования в течение разумного периода времени с отключенным двигателем не должна создавать условий последующего отказа в пуске двигателя. Аккумуляторная батарея, пусковое устройство, генератор и система электрооборудования как единое целое должны разрабатываться с расчетом взаимодополняющей совместной работы [4,5,10].

1.1 Условия работы источников электрического тока в автотранспортных средствах

Температура пуска двигателя.

Самая низкая температура, при которой может быть запущен двигатель, зависит от таких факторов, как характеристики автомобильного аккумулятора (емкость, внутреннее сопротивление, состояние зарядки и т.п.) и стартера (размер, наличие промежуточного редуктора, электрическое или постоянно-магнитное возбуждение и т.д.). Например, если двигатель запускается при температуре -20°С, то аккумуляторная батарея должна иметь минимальное состояние подзарядки (рис. 1).



Рис.1. Возможная температура пуска двигателя в функции зарядки аккумуляторной батареи.

Выходные данные генератора переменного тока.

Текущий выход синхронного генератора изменяется как функция частоты вращения коленчатого вала двигателя. Генератор переменного тока может расходовать только определенную долю номинального тока на холостом ходу двигателя n. Если потребляемый ток I_v, больше тока I_G, подаваемого генератором, например, во время работы двигателя на холостом ходу, то аккумуляторная батарея будет разряжаться, и напряжение в электрической системе автомобиля уменьшится [14].

Если потребляемый ток I_V меньше тока I_G, то некоторое количество тока (разность тока) используется для подзарядки аккумуляторной батареи.

Частота, с которой вращается вал генератора, зависит от конкретного типа совершаемой работы. Характер управления автомобилем можно оценить по суммарной кривой распределения частоты вращения коленчатого вала (рис. 2).



Рис. 2. Выход по току синхронного генератора в зависимости от частоты вращения генератора.

Электрические нагрузки системы.

Необходимо делать различие между непрерывными нагрузками (зажигание, впрыск топлива), долговременными нагрузками (освещение, обогреваемое заднее окно) и кратковременными нагрузками (сигналы поворота, сигналы торможения). Использование некоторых электрических нагрузок носит сезонный характер (установки кондиционирования воздуха летом, обогреватели сидений зимой). Время работы электрического вентилятора системы охлаждения зависит от температуры двигателя и условий управления автомобилем [5,6].

Потребности в электрической энергии не являются постоянными. Начальные минуты после запуска двигателя, как правило, характеризуются высокой потребностью (для обогрева или охлаждения) с последующим резким уменьшением токовой нагрузки.

Электрически подогреваемые каталитические нейтрализаторы требуют дополнительной мощности порядка 1 - 4 кВт с целью достичь рабочих температур свыше 300°С в пределах 10 - 30 с после начала движения автомобиля.

Дополнительный насос подачи воздуха для дожигания выпускаемых отработавших газов может работать в течение 200 с после начала работы двигателя.

Другое электрическое оборудование, например, обогреватели (стеклообогреватель), вентиляторы и системы освещения, используют ток в различные периоды, в то время как система управления работой двигателя функционирует непрерывно (рис. 3).

Рис. 3. Суммарная кривая распределения частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Напряжение зарядки аккумуляторной батареи должно быть выше в холодное зимнее время и ниже в теплую погоду. Напряжение «закипания» - максимально допустимое зарядное напряжение, при котором в аккумуляторной батарее не появляется «газ».

Автомобильная нагрузка требует постоянного напряжения, насколько это возможно. Напряжение, прикладываемое к лампам накаливания, должно иметь очень узкие допуски, так чтобы продолжительность службы ламп накаливания и интенсивности свата оставались в определенных пределах. Регулятор напряжения, размещаемый, как правило, на генераторе переменного тока, позволяет ограничивать максимальную величину напряжения. Он воздействует нам верхнюю границу напряжения, когда ток генератора I_G больше, чем потребный ток нагрузки системы I_y.

Регулятором напряжения можно компенсировать потери напряжения в кабеле между генератором переменного тока и аккумуляторной батареей (рис. 4).

Рис. 4. Расход электрической мощности в зависимости от продолжительности управления автомобилем

Динамическая характеристика системы.

Взаимосвязи между аккумуляторной батареей, генератором, нагрузкой, температурой, частотой вращения коленчатого вала двигателя и отношением частот вращения коленчатого вала двигателя и вала генератора определяют структуру динамической характеристики системы [5,7].

Влияние вышеуказанных переменных должно приниматься в расчет зарядного баланса, производимый по специальной программе для определения состояния аккумуляторной батареи и ее зарядка в конце типичного цикла управления автомобиля (рис. 5)

Рис. 5. Динамическая характеристика системы.

1.2 Аккумуляторные стартерные батареи

Устройство АКБ.

Автомобильные аккумуляторные батареи напряжением 12 В содержат шесть последовательно соединенных и отделенных перегородками гальванических элементов в полипропиленовом корпусе. Каждый гальванический элемент включает наборы положительных и отрицательных пластин. Эти наборы, в свою очередь, состоят из пластин (свинцовая решетка и активная масса) и микропористого материала (сепаратор), который изолирует пластины противоположных полярностей (рис. 6).



Рис. 6. Конструкция аккумуляторной батареи.

Активными материалами в свинцово-кислотной аккумуляторной батарее являются окись свинца (РЬО₂) на положительных пластинах, губчатый высокопористый свинец (РЬ) на отрицательных пластинах и электролит - водный раствор серной кислоты (H₂S0₄), который одновременно является ионным проводником. РЬО₂ и РЬ допускают наличие типичных электрических напряжений (отдельные потенциалы) по отношению к электролиту; их алгебраическая сумма образует напряжение гальванического элемента, которое может быть замерено в состоянии покоя напряжение гальванического элемента приблизительно равняется 2 В, повышается во время зарядки и уменьшается при разрядке. Когда гальванический элемент разряжается, РЬО₂ и РЬ при взаимодействии с H₂S0₄ образуют сернокислый свинец (PbSО₄).

Электролит отдает ионы SО₄ и его плотность уменьшается. Когда гальванический элемент заряжается, то активная масса РЬО₂ и РЬ восстанавливается из PbS0₄. Это можно представим, следующим образом:

РЬО₂ + 2H₂S0₄ + РЬ

Зарядка ^ v Разрядка

PbSО₄ + 2Н₂О + PbS0₄

Если зарядное напряжение продолжит прикладываться после того, как гальванический элемент достиг состояния полного заряда, то происходит только электролитическое разложение воды, при котором образуются кислород ни положительной пластине и водород ни отрицательной пластине [5,2].

Плотность электролита может использоваться в качестве индикации состояния зарядки аккумуляторной батареи. Точность индикации зависит от конструкции аккумуляторной батареи, и также от состояния электролита и износа аккумуляторной батареи с определенной степенью необратимого сульфатирования и высокой степенью потери материала пластины.

Чем больше аккумуляторная батарея разряжается, тем ниже плотность электролита. Так как плотность электролита уменьшается, то его точка замерзания повышается.

Аккумуляторная батарея, электролит которой имеет низкую температуру замерзания, способна обеспечивать низков значение тока, которого бывает недостаточно для пуска двигателя автомобиля.

Плотность и точка замерзания разведенной серной кислоты

Состояние батареи	Конструкция батареи	Плотность электролита, кг/л 1>	Точка замерзания, °С
Заряженная	стандартная	1,28	-68
	приспособленная к тропикам	1,23	-40
Полузаряженная	стандартная	1,16/1,202)	-17...-27
	приспособленная к тропикам	1,13/1,162)	-13...-17
Разряженная	стандартная	1,04/1,122)	-3...-11
	приспособленная к тропикам	1,03/1,082)	-2...-8

При 20°С (плотность электролита возрастает 2) Меньшая величина: высокая степень приблизительно на 0,01 кг/л при увеличении использования электролита.

Для обеспечения герметичной связи цельной крышки с корпусом аккумуляторной батареи используется процесс горячей опрессовки.

Полублоки положительных и отрицательных пластин отдельных аккумуляторов соединены между собой межэлементными соединениями, проходящими через пластмассовые перегородки, и соединяются соответственно с положительными и отрицательными выводами батареи.

Выводы большинства отечественных и импортных аккумуляторных батарей имеют конусную форму, обеспечивающую сохранение надежного контакта с клеммами проводов при износе их в процессе эксплуатации и имеют стандартные размеры. Причем положительный вывод батареи по диаметру больше отрицательного, что исключает возможность нарушения полярности при установке батареи на автомобиль. На стандартных аккумуляторных батареях каждый элемент закрывается собственной пробкой с вентиляционным отверстием.

На верхней поверхности батареи расположены отверстия для заливки электролита в каждый аккумулятор батареи, закрываемые пробками. Пробки имеют вентиляционные отверстия для вывода газов, образующихся в процессе работы батареи. У новых незалитых батарей вентиляционные отверстия закрыты специальными герметизирующими приливами, которые при заливке в батарею электролита удаляются - (срезаются).

Характеристики АКБ. Обозначение:

Стартерные аккумуляторные батареи, выпускаемые нашей промышленностью, классифицируют по номинальному напряжению (6 и 12 В); по конструкции - в моноблоке с крышками и перемычками над крышками и в моноблоке с общей крышкой и перемычками под крышкой; батареи необслуживаемые -- залитые электролитом и полностью заряженные или сухозаряженные [5,10].

Согласно ГОСТ 959.0 - 84, все свинцовые стартерные аккумуляторные батареи имеют условное наименование. Например, на автомобиле ЗИЛ-130 установлена батарея 6СТ-90. Первая цифра обозначает количество последовательно соединенных аккумуляторов в батареи. Напряжение каждого аккумулятора 2 В, поэтому номинальное напряжение батареи 12 В. Буквы СТ определяют назначение батареи - стартерная.

Число после букв указывает на емкость батареи в ампер-часах в 20 - часовом режиме разряда. Буквы после цифр, обозначающих емкость, обозначают исполнение батареи: А - с общей крышкой, Н-несухозаряженная, 3 - необслуживаемая, залитая электролитом и полностью заряженная. После условного обозначения батареи указывают обозначение стандарта или технических условий на батарею конкретного типа. На батарее там же могут быть указаны номинальная емкость в ампер-часах (А.ч) в 20-ти часовом режиме и разрядный ток батареи (А) при температуре - 18°С.

Стартерные аккумуляторные батареи, изготовляемые в Германии, маркируются с указанием пятизначного числа, номинального напряжения, номинальной емкости и испытательного тока разряда в холодном состоянии

Ёмкость:

Емкость аккумуляторной батареи оценивается в ампер-часах (А-ч). Емкость уменьшается по мере того, как увеличивается разрядный ток и уменьшается температура электролита (рис. 7).



Рис. 7. Зависимость напряжения аккумуляторной батареи от продолжительности разряда.

Номинальная емкость (С) аккумуляторной батареи - это количество электричества в ампер-часах (А.ч), которое способно отдать полностью заряженная батарея при непрерывном 20-часовом разряде с постоянной силой тока в амперах (А), численно равной 0,05 С при температуре 25 С до напряжения на выводах батареи U-10,5 В.

Емкость аккумуляторной батареи определяется как ее конструктивными параметрами (пористостью материала электродов, их толщиной и качества пористостью материала сепараторов и т.д.), так и эксплуатационными факторами: плотностью заливаемого в батарею электролита, его температурой, степенью заряженности батареи и режимом ее разряда.

При повышении плотности электролита емкость батареи повышается до определенных пределов. Однако при чрезмерном увеличении плотности ускоряются коррозионные процессы на электродах, их разрушение, и соответственно, снижается срок службы батареи. При чрезмерной малой плотности электролита снижается емкость батареи, а при низкой температуре окружающего воздуха зимой электролит может замерзнуть, и батарея выйдет из строя. Поэтому оптимальная плотность электролита устанавливается исходя из условий эксплуатации. При заряде батареи плотность электролита падает, поэтому по плотности электролита определяют состояние батареи и степень ее разреженности.

Температура электролита определяется температурой окружающего воздуха, и она несколько возрастает при заряде и разряде батареи. С понижением температуры емкость батареи уменьшается, в связи с повышением электрического сопротивления электролита и замедлением химических реакций. При уменьшении температуры электролита на 1 С емкость батареи снижается примерно на 1%. Таким образом, если номинальная емкость аккумуляторной батареи равна, например, 60 А.ч. при 25 С, то при снижении температуры окружающего воздуха и, соответственно, электролита до минус 25 С она станет на 50% или вдвое меньше и составит всего 30 А.ч.

Степень заряженности аккумуляторной батареи влияет на плотность электролита. При заряде батареи плотность электролита повышается и увеличивается емкость батареи, достигая максимальных значений при полном ее заряде.

Режим разряда батареи характеризуется силой разрядного тока и его прерывностью. Чем больше разрядный ток, тем меньше емкость аккумуляторной батареи. Например, если емкость батареи 6СТ-55А при разряде ее током 2,75А при температуре электролита 25 с составляет С-55А.ч. (номинальная емкость), то при разряде током 250 А (4,6 С) емкость снижается более чем в два раза и составляет 22 А.ч. (примерно 40% от С). Емкость, отдаваемая аккумуляторной батареи при прерывистых разрядах, значительно превышает емкость при непрерывном разряде, что особенно важно учитывать при стартерном режиме разряда, когда величина разрядного тока очень высока (примерно 2-5 С).

К важнейшим техническим характеристикам аккумуляторной батареи относится также электродвижущая сила (ЭДС) батареи и ее напряжение.

ЭДС батареи - это разность потенциалов на ее полюсных выводах без нагрузки (при разомкнутой внешней цепи). Данная характеристика взаимосвязана со степенью заряженности батареи и по ее величине так же, как и по плотности электролита, можно оценивать состояние батареи и необходимость ее заряда.

Напряжение батареи это разность потенциалов на ее полюсных выводах в процессе заряда или разряда (при наличии тока во внешней цепи). Данная характеристика используется при оценке пусковых качеств батареи (рис. 8). Для оценки пусковых качеств аккумуляторной батареи применяют следующие основные характеристики стартерного разряда, измеряемое при температуре электролита 18 С: сила разрядного тока в А, напряжение в начале разряда в В (измеряется на батареях с пластмассовым корпусом на 30-й секунде стартерного разряда), время разряда в минутах (измеряется при разряде тока, численно равном 3 С до снижения напряжения батареи до 6 В).

Рис. 8. Отдаваемая ёмкость в зависимости от тока и температуры разряда.

Контрольный ток разрядки в холодном состоянии I_кр.

Отражает показатель отдаваемой емкости по току аккумуляторной батареи, когда она находится в холодном состоянии (способность запуска в холодном состоянии). Согласно DIN, напряжение на клеммах во время разрядки при I_кр и - 18° С должно быть не менее 1,5В на элемент в течение 30 с и не менее 1В на гальванический элемент в течение 150 с после начала разряда.

Краткосрочное поведение аккумуляторной батареи во время разряда при I_кр главным образом, определяется числом пластин, их площадью поверхности, а также промежутком между пластинами и материалом сепаратора. Другой переменной величиной, которая характеризует начальное поведение, является внутреннее сопротивление R_i.

К полностью заряженной аккумуляторной батарее (12В) при -18°С применимо уравнение:

R_i = (2100...2400) / I_кр (мОм),

где I_кр задается в амперах.

Конструкции АКБ.

Аккумуляторные необслуживаемые батареи.

Характеризуются решетками с наплавленным свинцом с низким содержанием сурьмы в целях уменьшения газогенерации и сопутствующей потери воды во время зарядки. Это позволяет продлить срок работы электролита и его проверки, которая производится каждые 25 месяцев или 40 тыс. км пробега для аккумуляторных необслуживаемых батарей (согласно стандартам DIN);

Аккумуляторные батареи с малым объемом технического обслуживания и ремонта проверяются каждые 15 месяцев или 25 тыс. км пробега.

У полностью необслуживаемых аккумуляторных батарей (свинцово-кальциевых) уровень электролита не контролируется. За исключением двух очень небольших вентиляционных отверстий этот тип батареи полностью герметизирован. Пока электрическая система нормально работает (U = const.), разложение воды минимально, и электролит сохраняет свой уровень выше активных пластин. Этот тип свинцово-кальциевых аккумуляторов имеет дополнительное преимущество за счет ограниченного саморазряда, делая его наиболее приспособленным для сохранения энергии до нескольких месяцев. Когда необслуживаемая аккумуляторная батарея повторно заряжается с помощью неавтомобильного зарядного устройства, то напряжение заряда никогда не должно превышать 2,3...2,4 В на гальванический элемент.

Аккумуляторные батареи глубокого разряда.

Нормальные аккумуляторные батареи реагируют на частые и крайне высокие разряды существенным износом положительных пластин (отделение и осаждение активного материала). В аккумуляторных батареях глубокого разряда сепараторы имеют стекловолокнистые слои в целях обеспечения дополнительной защитой положительной массы от осыпания рабочего слоя. Продолжительность эксплуатации приблизительно в два раза превышает работу стандартной аккумуляторной батареи.

Виброустойчивые аккумуляторные батареи.

В виброустойчивых аккумуляторных батареях крепления в виде литой смолы или пластика предупреждают разрушение пластин от вибрации. В соответствии с DIN этот тип аккумуляторов может выдерживать 20 ч нагрузки при синусоидальном колебании 22 Гц и максимальном ускорении 6 g (требовании, приблизительно в 10 раз превышающем уровень, который предусматривается для стандартных аккумуляторных батарей). Виброустойчивые аккумуляторные батареи маркируются буквами «Rf».

Аккумуляторные батареи повышенной надежности.

Сочетают в себе характерные признаки виброустойчивых и батарей глубокого разряда.

Используются для грузовых автомобилей большой грузоподъемности, маркируются буквами «HD».

Аккумуляторная батарея типа «S».

Аккумуляторные батареи типа Kt (или «S») заимствуют основную конструкцию батарей глубокого разряда, но имеют более толстые пластины меньшего количества. Для аккумуляторных батарей типа Kt конкретно не определяются нормы тока холодной разрядки, их пусковая мощность находится значительно ниже (35-40%) по сравнению с устройствами стандартных размеров. Используются в условиях экстремальных циклических изменений работы, например, в электроприводах.

Рабочие состояния АКБ.

Зарядка.

Когда аккумуляторная батарея заряжается на автомобиле, то к ней прикладывается ограниченное по величине напряжение. Это соответствует схеме зарядки IU, при которой зарядный ток автоматически уменьшается в ответ на повышение напряжения аккумуляторной батареи.

Метод IU предотвращает вредное влияние перезарядки и обеспечивает более продолжительный срок службы аккумулятора.

Разрядка.

Вскоре после начала процесса разряда напряжение аккумулятора уменьшается на небольшую величину; затем оно и несколько стабилизируется и после этого постепенно уменьшается в соответствии с прикладываемой нагрузкой. Окончательное падение напряжения возникает только перед полной разрядкой, во время истощения одного или нескольких активных компонентов (положительной массы, отрицательной массы, электролита) (рис. 9).



Рис. 9. Зарядка аккумуляторной батареи: кривые W, IU.

Саморазряд.

Аккумуляторные батареи постоянно разряжаются даже при отсутствии нагрузки. При комнатной температуре современные аккумуляторные батареи с низким содержанием сурьмы теряют примерно 0,1 ...0,2% первоначального заряда в течение суток. По мере старения аккумуляторной батареи, эта величина возрастает до 1% в сутки в результате перехода сурьмы к отрицательной пластине и различных загрязнений. Уровень саморазряда удваивается на каждые 10°С повышения температуры. У свинцово-кальциевых аккумуляторов он составляет одну пятую этой величины и остается постоянным в течение всего срока службы батареи.

Эксплуатация автомобильных аккумуляторов.

Во время работы уход за аккумулятором чрезвычайно прост и практически сводится лишь к регулярным проверкам уровня электролита. Низкий уровень может свидетельствовать об излишней зарядке, что обычно вызвано неисправностью генератора. Если же электролита недостает только в одном из элементов, то выход из строя всего аккумулятора уже не за горами. В теплую погоду он еще кое-как поработает, но первые же холода его прикончат [5,12].

Доливая аккумулятор, нужно помнить об одной особенности. Во время зарядки уровень электролита несколько превышается, поэтому доливать следует с учетом этого эффекта. А что может сотворить кислота, попавшая на корпус батареи или на детали кузова, мы все прекрасно знаем.

Периодически, желательно не реже одного раза в 2-3 месяца, даже при безотказной работе, необходимо проверять уровень напряжения на клеммах аккумуляторной батареи при неработающем (напряжение разомкнутой цепи -- НРЦ) и при работающем двигателе, а также наличие утечки в системе электрооборудования автомобиля.

Все аккумуляторные батареи при работе теряют часть воды из электролита. В итоге снижается резервный уровень электролита над пластинами и увеличивается концентрация кислоты в электролите (повышается плотность электролита), что отрицательно влияет на ресурс батареи. Скорость потери воды решающим образом зависит как от применяемых для производства аккумуляторной батареи материалов, так и от состояния электрооборудования автомобиля. В зависимости от сочетания всех этих факторов она может отличаться в 10 и даже в 30 раз. Поэтому снижение уровня электролита до критического возможно и за 1-3 месяца (при неисправном регуляторе напряжения) и за 2-4 года. Так что при применении классических свинцовых обслуживаемых батарей приходится мириться с проверкой уровня электролита не реже 1-2 раза в месяц и доливкой дистиллированной воды, а также сравнительно высокой скоростью саморазряда -- до 14% за месяц, которая прогрессирует в процессе эксплуатации и после 1,5 - 2 лет работы увеличивается в 3-4 раза. Поэтому при долгом бездействии таких аккумуляторных батарей их необходимо подзаряжать каждые 1 - 2 месяца.

Чтобы исключить разряд батареи во время длительной стоянки автомобиля, рекомендуется отключать ее от сети, поскольку, в результате утечки тока в системе электрооборудования, АКБ может разрядиться настолько, что не сможет запустить двигатель. Если же и при отключении от бортовой сети батарея быстро разряжается, это говорит о повышенном саморазряде для старой батареи или о внутреннем дефекте (коротком замыкании) для новой батареи. Причинами повышенного саморазряда могут быть как дефект изготовления, так и нарушения условий эксплуатации или естественный износ батареи (см. следующий раздел). Надо стараться не допускать повторение глубоких разрядов аккумуляторной батареи, составляющих более 40 - 50% от ее емкости -- после них АКБ не сможет полностью зарядиться от генератора. Возможных причин глубоких разрядов аккумуляторных батарей три:

Первая причина -- утечка тока в электросети (к примеру, из-за некачественной проводки).

Вторая причина -- неисправность генератора или регулятора напряжения.

Третья причина -- долговременное использование потребителей сети при неработающем двигателе. Причины ухудшения работы и выхода из строя АКБ

В подавляющем большинстве случаев ухудшение работы или выход из строя аккумуляторной батареи происходит, если:

* имеет место дефект производства (гарантийный случай);

* нарушены условия эксплуатации батареи (ускоренный износ);

* батарея полностью исчерпала свой естественный ресурс.

Производственные дефекты.

Качество АКБ обеспечивают при ее разработке и изготовлении. На заключительном этапе производства все батареи, в зависимости от состояния поставки (залитая и заряженная или сухозаряженная), подвергают контрольным проверкам. Дефекты, которые не удалось выявить на заключительном этапе производства, обнаруживаются на начальном этапе эксплуатации -- в первые 3-8 месяцев.

Снижение работоспособности в режиме пуска двигателя либо полный отказ батареи при достаточных плотности электролита и величинелапряжения разомкнутой цепи (НРЦ), как правило, связаны с наличием производственных дефектов (они перечислены в предыдущей главе) [12].

Батареи с производственными дефектами, в случае их выявления в течение гарантийного срока, подлежат замене на годные в установленном инструкцией порядке.

Ускоренный износ.

Ускоренный износ батареи всегда происходит вследствие нарушения условий ее эксплуатации, указанных в гарантийном талоне. Наиболее распространена эксплуатация в условиях перезаряда или недозаряда.

Перезаряд происходит при эксплуатации батарей на автомобилях, уровень зарядного напряжения которых превышает 14,5В. Дело в том, что по мере повышения степени заряженности выше 75-80%, наряду с основным процессом заряда электродов АКБ, начинается вторичный процесс-разложение воды на водород и кислород. Причем, его скорость быстро растет с ростом зарядного напряжения на выводах батареи выше 14,5 В. Перезаряд является следствием нарушения режима работы регулятора напряжения по причине выхода из строя отдельных его элементов. В некоторых случаях, как показала практика, величина зарядного напряжения при неисправном регуляторе достигает 17-18 В. Это приводит к ускоренной потере воды и коррозии положительных токоотводов (решеток) батареи.

Под действием перезаряда уровень электролита быстро уменьшается. Поэтому его необходимо своевременно довести до нормы доливкой, в аккумуляторы только дистиллированной воды. Доливать в аккумуляторы электролит категорически запрещается. Затем необходимо незамедлительно найти причину повышения напряжения и устранить неисправность в системе электрооборудования автомобиля.

При длительном перезаряде или при значительном превышении зарядного напряжения (выше 15,5 В) потеря воды бывает так велика, что оголяются верхние кромки пластин и сепараторов. Это часто приводит к взрыву батареи (см. заключительную часть страницы).

Эксплуатация батареи на автомобиле, у которого уровень зарядного напряжения меньше 13,8 В, приводит к прогрессирующему недозаряду. При этом работоспособность батареи постепенно ухудшается, так как степень ее заряженности снижается пропорционально времени эксплуатации, пока не достигнет величины, соответствующей уровню зарядного напряжения. Например, при зарядном напряжении 13,6 В и средней интенсивности эксплуатации степень заряженности батареи при положительной температуре составит около 65%, а при отрицательной -- менее 50%. Напомним, что степень заряженности батареи зимой составляет 70-75%), если напряжение на клеммах батареи равно 13,9-14,3 В при работающем двигателе и включенном ближнем свете.

Нередко причиной снижения уровня зарядного напряжения и, следовательно, степени заряженности АКБ, становится ослабление натяжения ремня привода генератора. Поэтому не реже 1-го раза в месяц рекомендуется проверять натяжение ремня и, при необходимости, производить регулировку согласно инструкции по эксплуатации автомобиля.

Длительная эксплуатация батарей при степени заряженности 50-60% приводит к быстрой потере работоспособности из-за ускоренного оплывания активной массы аккумуляторных электродов. Кроме того, при низких температурах электролит в сильно разряженных АКБ может замерзнуть, что приведет к разрушению корпуса батареи и полному выходу ее из строя.

Ускоренный износ может быть настолько велик, что батарея выходит из строя еще в период гарантийного срока, вследствие неблагоприятных условий эксплуатации из-за неисправностей изделий электрооборудования автомобиля или нарушения требований инструкции по эксплуатации батарей.

Выход из строя АКБ в период гарантийного срока вследствие ускоренного износа не относится к гарантийным отказам. Поэтому такие батареи не подлежат замене на новые по гарантийным обязательствам производителей батарей.

Отдельно отметим несколько самых распространенных современных причин ускоренного износа автомобильного аккумулятора:

1. Дополнительное оборудование.

Причина большинства неисправностей связана не с собственными его дефектами, а с наличием дополнительного оборудования, например, сигнализации и телефона. Эти устройства особенно любят преподносить «сюрпризы» во время длительных стоянок автомобиля.

Однако если Ваш аккумулятор вдруг начал барахлить, не спешите его выбрасывать. Опыт показывает, что огромное количество автомобильных аккумуляторов, считавшихся неисправными, были просто-напросто разряжены. Попробуйте зарядить разряженный аккумулятор, причем как можно скорее. Чем дольше аккумулятор остается незаряженным, тем сильнее сульфатация пластин, и тем проблематичнее будет его восстановление.

2. Холостой режим

Простаивание автомобиля зимой в «пробках» -- настоящая проблема для аккумулятора. Работающие одновременно вентилятор, фары, обогреватель заднего окна и стеклоочистители способны забрать больше тока, чем производит генератор.

Подсчитано, что за 45 минут такой работы средний аккумулятор может истощиться настолько, что повторный запуск выключенного двигателя окажется уже невозможным. Для восстановления потребуется не меньше 30 минут нормальной езды, прежде чем можно будет снова остановиться.

Казалось бы, следует просто убрать аккумулятор подальше от двигателя, но это ведет к дополнительным расходам. Придется тянуть к стартеру более длинный провод, который будет «съедать» часть энергии, что потребует увеличить мощность аккумулятора. К тому же этот «ящик с кислотой» окажется тогда близко к пассажирскому отсеку, что небезопасно.

Ухудшение свойств АКБ в результате старения

Вследствие естественного износа в процессе эксплуатации изменяются основные параметры АКБ. Под воздействием коррозии уменьшается сечение основных конструкционных элементов решетки положительного электрода. Это приводит к увеличению внутреннего сопротивления батареи, то есть к некоторому снижению разрядного напряжения даже когда она полностью заряжена.

Емкость аккумуляторной батареи в процессе эксплуатации постепенно снижается. Это происходит оттого, что при чередующихся зарядах и разрядах, которые имеют место во время работы батареи на автомобиле, положительная активная масса постепенно оплывает вследствие деструкции, и ее количество, участвующее в химической реакции, уменьшается. Ускоряет процесс оползания положительной активной массы частое повторение глубоких разрядов, причина которых либо в утечке тока в электросети, либо в недозаряде по причине неисправности генератора или регулятора напряжения. Особенно быстро снижается емкость при глубоких разрядах у батарей с решетками положительных электродов из свинцово-кальциевых сплавов.

Емкость отрицательных электродов также снижается, если батарея длительное время эксплуатировалась при повышенном зарядном напряжении и плотность электролита поднялась выше 1,3-1,31 Г/CML. Кроме того, как уже было сказано ранее, длительная эксплуатация батареи при низкой степени заряженности (40-60%) приводит к ускоренному оплыванию активной массы на обоих электродах.

По мере износа аккумуляторной батареи увеличивается скорость ее саморазряда и расход воды при эксплуатации. Через год использования АКБ эти величины возрастают в 1,5-2 раза, а через два года -- в 2-4 раза. Скорость увеличения саморазряда и расхода воды максимальная у батарей традиционного исполнения, а минимальная -- у батарей с токоотводами из свинцово-кальциевого сплава. Из всего вышесказанного напрашивается очень важный вывод: по мере старения батарея требует к себе более внимательного отношения. Так, например, при нормальной эксплуатации со средней годовой интенсивностью пробега 15 - 20 тыс. км, достаточно проверять состояние АКБ один раз в год, лучше всего осенью перед началом зимней эксплуатации. После двух лет работы (30 - 40 тыс. км пробега) желательно проверять состояние аккумуляторной батареи не реже одного раза в 3 - 4 месяца. Если же батарея проработала более трех лет (45 - 60 тыс. км), контроль ее состояния в зимний период желательно проводить ежемесячно.

Критерием пригодности аккумуляторной батареи, проработавшей в условиях эксплуатации в течение продолжительного времени, может служить тестовый разряд, который возможно выполнять в специализированных сервисных центрах. Полностью заряженную батарею подвергают разряду при положительной температуре током, равным половине тока холодной прокрутки по EN или SAE.

Если на 30-й секунде разряда напряжение на выводах больше 9,6В, батарея пригодна для дальнейшего использования. Если же оно меньше или равно 9,6В, значит аккумуляторная батарея исчерпала свой ресурс и подлежит замене. За счет чего можно увеличить ресурс АКБ

Ресурс стартерной аккумуляторной батареи, как химического источника тока, определяется в основном режимом ее использования, при котором происходят процессы износа находящихся в ней электродов (пластин). Понимание этих процессов позволяет обеспечить высокий срок безотказной работы АКБ на автомобиле [12].

Конкретное исполнение аккумуляторной батареи имеет определенный конструктивно-технологический (с учетом легирующих добавок к свинцу) ресурс, расходуя который мы получаем ее реальный срок службы. Каким же способом правильно распорядиться заложенным ресурсом электродов, чтобы АКБ работала долго?

Известно, что решетка положительных пластин подвергается окислению атомарным кислородом (электрокоррозия) при разложении воды в заключительной (после 85% заряженности) стадии заряда. Наиболее интенсивно процесс разрушения решеток положительных пластин аккумуляторной батареи происходит от зарядного тока при 100% заряженности (режим перезаряда). Этот процесс преобладает в работе АКБ в летнее время эксплуатации, а также при повышенной настройке регулятора напряжения. Интенсивное разрушение пластин при работе происходит в условиях, когда длительное время стартерная аккумуляторная батарея работает с низкой степенью заряженности (40-60%). При этом активное вещество с пластин оплывает в шлам, снижая емкость батареи, мощность ее разряда и срок надежной работы. Нормальная работа аккумуляторной батареи нарушается при снижении уровня электролита ниже минимальной отметки (оголение верхних кромок пластин).

Недопустимо производить доливку электролитом или водой непроверенного качества, хранить АКБ в разряженном состоянии, допускать образование льда в зимнее время, подвергать глубоким периодическим разрядам. Таким образом, наибольшую надежность работы аккумуляторной батареи можно достичь, обеспечивая регулярный контроль ее состояния в соответствии с инструкцией по эксплуатации, разработанной производителем.

Наиболее простые и достаточно надежные методы проверки состояния АКБ -- измерение плотности электролита и измерение напряжения на полюсных выводах.

Если полюсные выводы практически доступны для очистки их от окислов и подключения прибора у всех аккумуляторных батарей, то возможность измерить плотность электролита в банках АКБ имеется не у всех типов.

Ниже приведены несколько основных правил и требований, соблюдение которых повышает ресурс батареи:

* плотность электролита в ячейках АКБ (при нормальном уровне его над пластинами) должна быть не ниже 1,24 г/см (+25°С), а напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) -- не ниже 12,5 В;

* полюсные выводы необходимо периодически очищать от окислов;

* АКБ на автомобиле должна быть надежно закреплена на установочной площадке;

* пуск карбюраторного двигателя должен проводиться с длительностью попыток 5 - 10 сек; повторяющиеся попытки пуска должны проводиться с интервалом 30-60сек.;

* разряженная при неудачном пуске двигателя аккумуляторная батарея должна быть, как можно скорее заряжена;

* в зимнее время АКБ полезно обогревать теплом от двигателя, чтобы эффективнее происходил ее заряд от генератора. Для этого часть радиатора (со стороны АКБ) целесообразно закрывать от встречного холодного потока воздуха.

Состояние аккумуляторной батареи в значительной мере зависит от исправной работы электрооборудования. В первую очередь сюда необходимо отнести генератор, регулятор напряжения и стартер. При неисправной электропроводке состояние батареи в любой момент может оказаться таким, что она не сможет обеспечить пуск двигателя. Изношенные контакты в замке зажигания, реле включения стартера, состояние выпрямительного блока генератора могут быть выявлены диагностированием. Их своевременная замена позволяет предохранить АКБ от возможных глубоких разрядов токами «утечек», негативно влияющих на последующий срок службы АКБ. Батареи на кальциевых электродах особенно негативно воспринимают глубокие периодические разряды. Эта особенность, неизвестная широкому кругу автовладельцев, приводит иногда к недоумению, почему срок службы у аккумуляторной батареи (самой современной) оказывается очень коротким.

Из сказанного следует, что ресурс стартерной АКБ (как запас прочности и надежности), заложенный в ее деталях и соединениях при изготовлении, в процессе работы не может быть изменен в сторону увеличения, а контроль условий, которые наихудшим образом влияют на снижение ресурса АКБ, создает возможность обеспечить достаточную продолжительность безотказной работы. Важно помнить, что показатели АКБ не остаются постоянными, а скорость их снижения может регулировать владелец автомобиля.

1.3 Перспективные автомобильные системы электрооборудования

В будущих автомобильных системах электрооборудования планируется использовать две аккумуляторные батареи (отдельный аккумулятор - для запуска), т.е. будут отделены «высокий разряд для запуска» и «питание электрическим током общецелевого назначения». Это позволит избежать проблем с изменением напряжения во время обеспечения надежного запуска двигателя к холодном состоянии даже при аккумуляторной батарее, разряженной до 30% от ее первоначальной емкости.

Стартерная аккумуляторная батарея.

Аккумуляторная батарея, предназначенная для приведения в действие стартера, должна отдавать существенный ток, однако только в ограниченный период времени (во время запуска).

Компактные размеры батареи позволяют устанавливать ее в непосредственной близости от стартера с короткими подсоединительными проводами для уменьшения емкости батареи. Для обеспечения высокого качества заряди эта аккумуляторная батарея должны характеризоваться номинальным значением напряжения 10 В. Ввиду того, что это напряжение несколько меньше, чем для других источников потреблении энергии аккумуляторной батареи (12 В), пусковое устройство имеет приоритет по зарядке (рис. 10).



Рис 10. Перспективные электрические схемы подсоединения аккумуляторов.

Зарядно-разъединительный модуль.

Служит для отсоединения аккумуляторной батареи стартера и самого стартера от всей остальной электрической системы питания во время запуска и в том случае, когда двигатель отключен.

Общецелевая аккумуляторная батарея. Предназначена для автомобильной системы электрооборудования, исключая работу стартера. С ее помощью подаются сравнительно низкие значения токов (например, около 20 А для системы управления работой двигателя).

Варианты улучшенной работы. Для транспортных средств предусматриваются все более мощные системы с крайне высокими требованиями подачи электропитания. Среди потенциально возможных конструкций можно выделить следующие варианты: передача электрического тока к системе управления работой двигателя, обеспечивается от аккумуляторной батареи стартера вместо использования батареи общего назначения или селективным чередованием батарей; стартерная аккумуляторная батарея также является батареей напряжением 12 В; более усложненная конструкция необходима для обеспечения сохранения приоритета для зарядки; номинальное напряжение > 12 В; многопитаемые сети, которые характеризуются цепями напряжением 12 В (или 24 В) с параллельными соединением с цепью питания + 12 В, обеспечивающими потенциал вспомогательного питания 24 В (или 36 В) от внешних участков проводки двух цепей; применение двух генераторов переменного тока.