Устройство для аккумуляторных батарей

Выбор определенного варианта будет зависеть от точности целей, которые должна выполнять бортовая электрическая цепь (например, преимущественное право по избежанию падения напряжения во время запуска двигателя, экономия массы используемого материала, повышенная надежность запуска двигателя).

Расход топлива.

Небольшая часть топлива, используемого для работы автомобиля, расходуется для приведения в действие генератора и на перевозку массы стартера, аккумуляторной батареи и генератора (это составляет приблизительно 5% для легковых автомобилей среднего класса). Средний расход топлива на 100 км: для массы 10 кг - приблизительно 0,1 л, для силового агрегата мощностью 100 Вт - приблизительно 0,1 л. Следовательно, генераторы с высоким к.п.д. способствуют экономии топлива, даже если они будут немного тяжелее [5,8].

Потребляемая мощность оборудования как функция рабочего цикла

	Абсолютная	Средняя
Нагрузка	потребляемая мощность, Вт.	потребляемая мощность, Вт.
Система Motronic, электрический топливный насос	250	250
Радиоаппаратура	20	20
Лампа переднего габаритного фонаря	8	7
Ближний свет фар	110	90
Лампа подсветки номерного знака,	30	25
Лампы заднего габаритного фонаря
Индикаторная лампа, лампы приборного щитка	22	20
Обогреватель заднего окна	200	60
Система обогрева, вентилятор	120	50
Электрический вентилятор радиатора	120	30
Стеклоочистители ветрового стекла	50	10
Сигналы торможения	42	11
Лампы указателей поворота	42	5
Передние противотуманные фары	110	20
Задние противотуманные фонари	21	2
Суммарное значение установленной нагрузки	1145
Средняя мощность потребления		600

Необслуживаемые автомобильные аккумуляторы.

Традиционные автомобильные аккумуляторы имеют недостатки, связанные с тем, что сурьма, содержащаяся в сплаве положительных токоотводов, постепенно, по мере их коррозии, переходит через раствор на поверхность отрицательного электрода. Накопление большого количества сурьмы на поверхности отрицательной активной массы понижает напряжение начала газовыделения. Вследствие этого в конце зарядного процесса происходит все более бурное газовыделение, напоминающее кипение электролита. Это ведет к потери воды из-за ее электролитического разложения и испарения вместе с образующимися газами.

За последние десятилетия произошло стремительное развитие технологии и совершенствование оборудования для аккумуляторного производства. В итоге на рынке появилось несколько видов, так называемых, необслуживаемых автомобильных аккумуляторов. Особенностью таких аккумуляторов является использование для производства токоотводов, сплавов без сурьмы или с ее пониженным содержанием. Необслуживаемые аккумуляторы начали изготавливать в США в конце семидесятых годов прошлого столетия. Для токоотводов и положительного, и отрицательного электродов применялся свинцово-кальциевый сплав с содержанием кальция 0,07-0,1% и олова 0,1-0,12% (остальное - свинец). Это позволило достигнуть значительного снижения газовыделения, которое обеспечивало эксплуатацию аккумуляторов без доливки воды в течение 2 лет и более. При этом саморазряд замедлился более чем в шесть раз. Но после двух-трех глубоких разрядов такие аккумуляторы теряют 40-50% емкости и их стартерные характеристики также значительно снижаются. Поэтому такие аккумуляторы не нашли широкого распространения в Европе и России. Почти одновременно со свинцово-кальциевой технологией производства аккумуляторных батарей необслуживаемого исполнения, в США появилась технология гибридных аккумуляторов - система "кальций плюс" с содержанием до 1,5 - 1,8% сурьмы и 1,4 - 1,6% кадмия в положительном токоотводе и отрицательным свинцово-кальциевым токоотводом. В начале восьмидесятых годов производство необслуживаемых аккумуляторов стало стремительно развиваться и в странах Европы. Здесь пошли по пути использования сплавов с пониженным до 2,5 - 3,0% содержанием сурьмы. У таких аккумуляторов расход воды и саморазряд были в 2 - 3 раза выше, чем у батарей с кальциевыми токоотводами, хотя и значительно ниже, чем у батарей традиционного исполнения. Они могли работать без доливки воды не менее 1 года.

Далее в Европе появляются гибридные аккумуляторные батареи, у которых положительные токоотводы изготовлены из мало сурьмяного сплава (не более 2%) с добавлением мышьяка, олова, меди, селена и т.п. в различных сочетаниях и соотношениях; а отрицательные - из свинцово-кальциевого сплава. Их характеристики по расходу воды и саморазряду, как и у американских гибридных аккумуляторов, не такие хорошие, как у свинцово-кальциевых, но все же существенно лучше, чем у батарей по технологии малосурьмяных сплавов.

В конце 90-х годов в США и Западной Европе начинается производство аккумуляторов с токоотводами из свинцово-кальциевого сплава с многокомпонентными добавками, в том числе и серебра, которые при глубоких разрядах теряют емкость гораздо медленнее, чем первое поколение аккумуляторных батарей по свинцово-кальциевой технологии. Расход воды у них так мал, что конструкторы убирают с крышек отверстия для доливки воды и делают аккумуляторные батареи полностью необслуживаемыми и исключающими доступ к электролиту при использовании аккумулятора.

Такое изменение конструкции стало возможным благодаря общим усилиям производителей аккумуляторов и автомобильного электрооборудования. Ведь для максимального использования ресурса полностью необслуживаемой аккумуляторной батареи (без отверстий для доливки воды) необходимо обеспечить стабильное зарядное напряжение, обеспечивающие минимальное разложение воды при заряде аккумуляторов. В то же время, степень заряженности аккумуляторной батареи должна быть достаточной для безотказной работы всего электрооборудования. Это стало возможно благодаря созданию системы регулирования зарядного напряжения, обеспечивающей его стабильность с точностью ± 0,1 В.

Но владельцы автомобилей, решившие использовать необслуживаемые аккумуляторы без отверстий для доливки воды, должны более внимательно относиться к обеспечению исправной работы электрооборудования. Прежде всего, это касается натяжения ремня привода генератора, исправности самого генератора, регулятора напряжения, отсутствия утечек тока в системе электрооборудования или сигнализации и ряда других факторов.

Автомобильные аккумуляторы, у которых отсутствуют отверстия для доливки воды и имеется только атмосферная связь внутренней полости с окружающей средой через небольшие вентиляционные отверстия на торцах крышки, как правило, оснащены индикатором состояния заряженности (рисунок 1): шарик-поплавок зеленого цвета расположен над пластинами, который всплывает, когда электролит при заряде достигает определенной плотности. Эта величина соответствует минимальной степени заряженности (62-64% от номинального значения), при которой индикатор начинает давать информацию о работоспособности аккумуляторной батареи в пусковом режиме. Последующее увеличение плотности электролита (до 100 % заряда) не меняет показания индикатора, что является недостатком данного приспособления. В случаях понижения уровня электролита до оголения пластин, информация индикатора о состоянии заряженности батареи прекращается. При работающем индикаторе его информация относится только к одной из шести банок (ячеек) аккумуляторной батареи. В тех случаях, когда появляется дефект в другой банке, где нет индикатора, информация индикатора становится бесполезной, не отражающей общее состояние (работоспособность) аккумуляторной батареи. Использование индикатора дает полезную информацию о состоянии батареи в тех случаях, когда она не содержит дефекта производственного характера (рис. 11).

Рис.11 Индикатор заряженности аккумулятора

Герметизированные автомобильные аккумуляторы с иммобилизованным электролитом

Создание полностью необслуживаемого автомобильного аккумулятора свинцово-кислотной системы становится возможным, если его конструкцию поменять таким образом, чтобы связать выделяющийся на положительном электроде кислород на поверхности отрицательного электрода (реализация кислородного цикла). Для этого емкость отрицательных электродов в аккумуляторе должна быть на несколько процентов больше емкости положительных. Тогда в ходе заряда положительные электроды полностью зарядятся раньше, чем отрицательные. Благодаря этому активное выделение кислорода на положительном электроде начнется до начала активного выделения водорода на отрицательном. Образующийся кислород вступает в химическое взаимодействие с активной массой отрицательного электрода. Для увеличения скорости поступления кислорода от положительного электрода к отрицательному, необходимо ограничение объема свободного электролита. Поэтому для производства герметизированных батарей разработаны способы связывания жидкого электролита:

* создание загущенного (гелеобразного) электролита;

* адсорбция жидкого электролита в сепараторах с высокой объемной пористостью.

Искусственное ограничение емкости положительных электродов и объема электролита ведут к тому, что емкость герметизированных свинцовых аккумуляторов с иммобилизованным электролитом на 15-20% меньше, чем батарей со свободным электролитом таково же объема и массы.

В качестве загустителя для создания гелеобразного электролита применяют силикагель, аллюмогель и другие вещества. При смачивании серной кислотой эти вещества образуют тиксотропный гель. В качестве сепараторов в подавляющем большинстве герметизированных аккумуляторов используют стекломаты из ультратонких волокон. Объемная пористость современных стеклосепараторов достигает 80-85%. Благодаря этому их применяют не только для батарей с гелеобразным электролитом, но и для аккумуляторов с адсорбированным жидким электролитом. В последнем случае технология производства немного дешевле, но емкостные показатели хуже, чем у автомобильных аккумуляторов с гелеобразным электролитом. Это обусловлено еще большим снижением количества электролита в аккумуляторе.

Свинцовые аккумуляторные батареи с иммобилизованным электролитом являются герметизированными, но не являются герметичными как, например, никель-кадмиевые герметичные аккумуляторы. Во всех свинцовых герметизированных аккумуляторах есть предохранительный клапан. Он служит для того, чтобы давление внутри аккумулятора не превышало величины, которая является допустимой по условиям работоспособности и прочности корпусных деталей аккумулятора. Дело в том, что, несмотря на используемые ограничения емкости положительных электродов, выделение водорода на отрицательном электроде в процессе, заряда, особенно на завершающей стадии, полностью подавить невозможно. Причем скорость его выделения в конце заряда несколько выше, чем скорость выделения кислорода. Избыточная часть водорода вызывает увеличение давления внутри аккумулятора, для ограничения которого и служит клапан.

Нормальная эксплуатация герметизированных свинцовых автомобильных аккумуляторов возможна при соблюдении гораздо более жесткого диапазона регулирования зарядного напряжения, чем при эксплуатации необслуживаемых аккумуляторов с жидким электролитом (даже не имеющих отверстий для доливки воды). Максимальная величина зарядного напряжения для автомобильных аккумуляторных батарей с загущенным (гелеобразным) и адсорбированным электролитом зависит от рекомендаций производителя (ориентировочно для гелеобразных 14,35 В, а для адсорбированных 14,4В). В случае превышения величины рекомендованной производителем на 0,05 В скорость газовыделения становится так велика, что ведет к нарушению контакта активной массы электродов с электролитом, а также к высыханию аккумулятора, в результате чего батарея утрачивает работоспособность.

Весьма жесткие ограничения величины зарядного напряжения, наряду с гораздо более высокой стоимостью герметизированных автомобильных аккумуляторных батарей в сравнении с необслуживаемыми, создают определенные трудности для их широкого использования на автомобилях.

Глава 2. Отказы аккумуляторных батарей

Во время эксплуатации аккумуляторные батарей возникают различные неисправности: саморазряд, сульфатация, короткое замыкание разноименных пластин, разрушение пластин, коробление пластин, уплотнение активной массы отрицательных пластин, трещины стенок бака. Рассмотрим более подробно эти виды неисправностей [12].

2.1 Саморазряд

При эксплуатации и длительном хранении батарей каждый исправный аккумулятор постепенно разряжается и теряет свою емкость даже в том случае, если нему не подключают никаких потребителей. Это явление называется саморазрядом. Естественный саморазряд новых аккумуляторов, имеющих синтетические сепараторы, при бездействии в течение первых 15 суток соответствует потере первоначальной емкости около 1% в сутки. Для батарей бывших в эксплуатации, саморазряд превышает указанные ГОСТом нормы и достигает потери емкости более 1,2% в сутки. Такой саморазряд называется ускоренным.

Причинами саморазряда являются:

* замыкание выводных штырей грязью и Электролитом, разлитым на поверхности крышек баков;

* замыкание разноименных пластин осыпающейся активной массой при разрушении сепараторов;

* образование местных (паразитных) токов в активной массе пластин.

Местные токи появляются в результате возникновения ЭДС между свинцовыми окислами активной массы и металлическими примесями в решетках пластин или примесями, попавшими в аккумулятор с электролитом и водой. Самой распространенной металлической примесью в электролите является железо. Между крупинками металлов и активной массой отрицательных пластин создается большое количество мельчайших коротко замкнутых первичных местных элементов, тогда в результате разности потенциалов в той части активной массы, где вкраплены посторонние металлы, возникает большое количество цепей местных "паразитных" токов. Эти токи вызывают преобразование губчатого свинца в сернокислый свинец. Местные токи возникают в положительных пластинах между двуокисью свинца активной массой и свинцом решетки, а также между сурьмой и свинцом в решетках всех пластин.

Вследствие образования местных токов происходит электролиз воды, поэтому из электролита будут выделяться пузырьки газов водорода и кислорода, что является признаком ускоренного саморазряда аккумулятора. Неодинаковая плотность в различных слоях электролита в аккумуляторе является причиной ускоренного саморазряда пластин. Плотность электролита в верхних и нижних слоях может быть неодинаковой после доливания воды.

Вследствие большой плотности электролита нижняя часть пластин будет иметь больший потенциал, чем верхняя, погруженная в электролит меньшей плотности. При этом возникает уравнительный ток, направленный от нижней части пластин к верхней, а затем через электролит снова к нижней части пластин.

Уравнительные токи, вызывая непроизводительный разряд, ускоряют образование крупных кристаллов свинцовой кислоты, что снижает емкость аккумулятора, а, следовательно, и всей батареи.

Саморазряд ускоряется при большой загрязненности крышек и электролита, а также замыкании пластин высыпавшейся активной массой. Если установлено, что саморазряд аккумуляторов происходит из-за загрязнения электролита, то такую батарею необходимо разрядить до напряжения 1,1-1,2 В на элемент, чтобы посторонние металлы и их окислы, попавшие в аккумулятор с электролитом или водой, перешли с активной массы отрицательных пластин в электролит, после чего вылить электролит, тщательно промыть все аккумуляторы дистиллированной водой несколько раз (меняя воду через 3 часа), а затем залить: аккумуляторы свежим электролитом той же плотности, которую имел электролит, вылитый перед промывкой, и полностью зарядить.

2.2 Сульфатация

При разряде аккумулятора двуокись свинца и свинец переходят в сульфат свинца, который в виде микроскопических кристалликов откладывается на стенкам пор поверхностных слоев активной массы пластин. При заряде нормально разряженного аккумулятора кристаллики сульфата свинца переходят в электролит, ионизируются в нем и, реагируя с ионами электролита, снова образуют двуокись свинца и свинец. Если оставить аккумуляторную батарею в разряженном состоянии, часть сульфата свинца растворяется в электролите до его насыщения и из насыщенного раствора выпадает на пластинах, но уже в виде крупных кристаллов. Это явление перекристаллизации сульфата свинца происходит беспрерывно в аккумуляторах при любой степени их разряда, даже у полностью заряженного аккумулятора в активной массе пластин содержится до 5% сульфата свинца. При длительном хранении разряженного аккумулятора на поверхности и в порах активной массы положительных и отрицательных пластин образуется сплошной слой крупных кристаллов сульфата свинца, который как бы изолирует активную массу пластин от электролита, закупоривая поры активной массы, препятствует проникновению электролита вглубь пластин. Крупные кристаллы сульфата свинца трудно растворяются в электролите.

Сульфатацией принято называть образование крупных кристаллов сульфата свинца, на поверхности и в порах активной массы положительных и отрицательных пластин. Сильно сульфатированные пластины приобретают светлую окраску с образованием белых пятен сульфата. Активная масса в этих местах становится желтой и "песчаной". Крупные кристаллы сульфата образуются также при длительном хранении батареи без подзаряда, частых разрядах большой силой тока и особенно при соприкосновении с воздухом верхних частей пластин, не залитых электролитом. При понижении уровня электролита верхняя часть отрицательных пластин, соприкасаясь с воздухом, преобразуется в гидроокись свинца. Эта реакция является необратимой.

Поступление электролита к обнаженной части пластин происходит по капиллярам, имеющимся в активной массе.

Образование крупных кристаллов сульфата свинца возрастает при увеличении плотности электролита, саморазряде пластин, повышении температуры электролита и коротком замыкании пластин. Крупные кристаллы сульфата свинца обладают большим сопротивлением, поэтому аккумулятор имеет большое внутреннее сопротивление и малую емкость, т.к., слой кристаллов сульфата свинца изолируя активную массу пластин от электролита, препятствует ее химическому восстановлению в двуокись свинца и свинец.

В процессе заряда сульфатированной батареи быстро повышается напряжение и температура аккумуляторов и наблюдается бурное газоотделение, в то время как плотность электролита повышается незначительно, поскольку часть серной кислоты остается связанной в PbSО₄. Сульфатированная батарея из-за малой емкости быстро разряжается при резком падении напряжения, особенно при включении стартера.

Вследствие применения новых материалов сепараторов и баков, а также лучших составов активной массы пластин, почти полностью устранено образование нерастворимых кристаллов PbS0₄, а поэтому, сильная сульфатация пластин при нормальном уровне электролита возникает редко.

Сульфатированные пластины аккумуляторов исправляют продолжительными зарядами малой силой тока (не более 0.05 от емкости аккумулятора) при низкой плотности электролита (не более 1.11). Сильно сульфатированные пластины не восстанавливают.

Короткое замыкание пластин в аккумуляторе возникает при разрушении сепараторов, при выпадении из пластин на дно бака большого количества активной массы шлама, образования наростов свинца на решетках отрицательных пластин. Для устранения этих дефектов необходимо разобрать аккумулятор. Коротко замкнутый аккумулятор быстро разряжается и пластины его сульфатируются. Плотность электролита в таком аккумуляторе будет очень малой.

При полном коротком замыкании аккумулятор зарядить нельзя, а при изменении величины его ЭДС вольтметр показывает ноль. При частичном коротком замыкании вольтметр будет измерять не ЭДС аккумулятора, а его I напряжение.

Частичное замыкание пластин возникает вследствие скопления в порах и трещинах сепараторов мелких частиц высыпавшейся активной массы пластин и образования наростов свинца на кромках отрицательных пластин. Разрушение пластин в аккумуляторах наступает при длительном перезаряде, т.е. когда полностью зараженная батарея остается под напряжением зарядного агрегата и через нее проходит зарядный ток. Так как у заряженного аккумулятора активная масса преобразована на положительных пластинах в двуокись свинца, а на отрицательных в свинец, дальнейший заряд вызовет только бесцельный электролиз воды, содержащейся в электролите, на водород и кислород и вредное окисление решеток положительных пластин выделяющимся кислородом. Сильное окисление решеток сопровождается их разрушением. Одновременно в порах активной массы пластин будет накапливаться значительное количество газов, вследствие чего давление в порах будет возрастать, что вызовет разрыхление и выкрашивание активной массы и даже отрыв ее от решеток пластин. Аналогичное явление происходит и в следующих случаях:

* при заряде аккумуляторов большой силой тока в конце заряда;

* этих случаях механическая прочность активной массы пластин уменьшается (особенно положительных), поэтому происходит оползание и выпадение ее из ячеек решеток пластин;

* при слабом креплении батареи на автомобиле;

* при замерзании воды в электролите;

* вследствие коррозии решетки положительных пластин в при повышении температуры электролита;

* длительной перезарядке батарей;

* при наличии в электролите азотной, соляной и уксусной кислот или при применении химически нечистой серной кислоты.

Коррозия решеток положительных пластин составляет около 40% неисправностей аккумулятора. Присадка мышьяка к свинцу решеток снижает их коррозию. Коробление пластин возникает вследствие неодинакового объемного расширения активной массы по площади пластины, что может быть при увеличении силы зарядного или разрядного тока, коротком замыкании, переполюсовке пластин, сульфатации, понижении уровня электролита, вызывающего оголение верхней части пластин, частом и продолжительном включении стартера и других факторах. Больше и чаще по этим причинам коробятся положительные пластины. Коробление пластин сопровождается образованием трещин в активной массе, которая в дальнейшем будет быстро выпадать из ячеек решётки. А уменьшение количества активной массы в пластинах уменьшает емкость аккумулятора и всей аккумуляторной батареи.

При эксплуатации аккумуляторной батареи, активная масса отрицательных пластин постепенно уплотняется, пористость ее уменьшается, и доступ электролита в глубокие слои активной массы затрудняется. Это снижает емкость батарей. При соприкосновении смоченных электролитом заряженных пластин с кислородом воздуха, когда губчатый свинец активной массы переходит в гидроокись свинца, уплотнение активной массы происходит очень быстро. Чтобы избежать этого, при всякой разборке аккумулятора необходимо сначала прополоскать пластины дистиллированной водой. Уплотнение активной массы сопровождается уменьшением ее объема, при этом активная масса отслаивается от решеток и в ней образуются трещины, это также снижает емкость батарей. Трещины стенок бака ведут к утечке электролита и оголенная часть пластин, соприкасаясь с воздухом, сульфатируется. При этом уменьшается емкость батареи, и создаются условия, вызывающие коробление пластин. При образовании трещины во внутренней стенке бака электролит вызывает замыкание разноименных групп пластин двух соседних аккумуляторов, соединенных между собой свинцовой перемычкой и происходит их саморазряд, а в дальнейшем и сульфатация. Плотность электролита в этих аккумуляторах будет меньше, чем в исправных. ЭДС двух соседних аккумуляторов замыкающихся через электролит, будет равна 2В.

Таким образом, мы рассмотрели все химические процессы, которые происходят в свинцовой аккумуляторной батарее, как во время работы, так и в процессе заряда, а также те процессы, которые приводят к неисправностям аккумуляторной батареи. На основании этого мы можем сделать следующий вывод: что важнейшим фактором, влияющим на стабильную работу аккумуляторной батареи, а также на долговечность и эксплуатационные характеристики, является способ заряда и восстановления свинцового аккумулятора, а точнее, тип зарядного устройства.

Глава 3. Зарядные устройства аккумуляторных батарей

3.1 Способы заряда и восстановления АКБ

Аккумуляторные батареи заряжают от источников, напряжение которых больше, чем напряжение заряжаемой батареи и мало изменяется при изменении силы зарядного тока. Для заряда, положительный полюс источника тока должен быть соединен с положительным полюсом батареи, отрицательный с отрицательным.

Для любого момента заряда величина тока может быть найдена по формуле:

Где U_ист - напряжение источника тока заряда, В;

U - напряжение батареи в данный момент заряда, В;

R - общее сопротивление зарядной цепи, Ом.

Из этой формулы следует, что при равенстве напряжения зарядного устройства и батареи зарядный ток равен нулю, а если напряжение батареи меньше напряжения зарядного устройства, зарядный ток больше ноля; в противном случае, т.е. когда напряжение (батарей больше) напряжения зарядного устройства, ток меняет 'первоначальное направление и батарея будет разряжаться [10].

Напряжение батареи при заряде изменяется в зависимости от температуры электролита, и степени ее заряженности. Поэтому в процессе заряда необходима регулировка напряжения источника тока. В зависимости от системы регулирования процесс заряда может быть осуществлен различными способами, основные из которых рассмотрены ниже.

Заряд при постоянстве силы тока

При данном способе величина зарядного тока в течение всего времени заряда остается неизменной. Это достигается:

* изменением напряжения источника тока;

* включением последовательно с батареей реостата и изменением его сопротивления в процессе заряда;

* применением регуляторов тока (например, тиристорных), которые путем периодического включения и выключения сопротивления в цепи меняют величину тока таким образом, чтобы средняя величина тока во времени оставалась постоянной;

При применении реостата, последовательно включенного в цепь заряда, необходимая величина тока поддерживается путем уменьшения сопротивления реостата. Начальное R_Н и конечное R_К значения сопротивления реостата определяются формулами:

(2.2.)

(2.3.)

Где U_ист - напряжение источника питания ( зарядного устройства), В.

U_н.з. и U_к.з. - напряжение батареи в начале и конца заряда батареи соответственно, В.

n - число последовательно включенных аккумуляторных батарей.

Очевидно, что всегда должно быть соблюдено условие: напряжение зарядного устройства должно быть больше напряжения батарей в конце заряда.

Заряд при постоянной величине зарядного тока позволяет просто оценить количество электричества в ампер-часах, которое сообщено батарее:

Q = I t

где Q - количество электричества, полученное батареей за время t, Ахч.

I- величина зарядного тока, А:

t - время, ч,

На основании исследований коэффициента использования тока была выбрана величина тока заряда O.IQ A (Q - номинальная емкость аккумуляторной батареи). При заряде током такой величины в первый период он расходуется почти полностью на основные реакции. После того как аккумуляторной батарее будет сообщено примерно 90% ёмкости, полученной при предшествующем разряде, наблюдается повышение ее напряжения до пределов, при которых начинается разложение воды и выделение водорода и кислорода в виде газа. Газ выделяется на поверхности электролита в виде пузырьков, создавая впечатление кипения. На разложение воды расходуется значительное количество энергии. Поэтому при заряде необходимо сообщить аккумуляторной батарее количество электричества в 1.2 - 1.5 раза больше, чем было получено при разряде. Напряжение аккумулятора в процессе заряда увеличивается, достигая к концу величины 2.5 - 2.7 В при положительных температурах.

Реальное сопротивление реостата должно удовлетворять уравнению:

где U_ист - напряжение источника питания;

n - количество аккумуляторов,

I - величина тока заряда, А.

Коэффициент 0,5 в знаменателе формулы введен для того, чтобы обеспечить широкие пределы регулирования, позволяющие при необходимости переход на заряд половинным током (вторая ступень).

В случае повышения температуры более 45°С избежать сокращения срока службы аккумулятора, можно уменьшив ток заряда в 2 раза или прервать заряд для охлаждения до 30-35°С.

В случае последовательного включения в одну цепь аккумуляторов с разной емкостью необходимую величину силы зарядного тока устанавливают по батарее наименьшей емкости.

Основное достоинство заряда батарей при постоянной силе тока в том, что имеется возможность регулировать и контролировать силу тока в процессе всего заряда, что особенно важно при устранении сульфатации пластин [12, 13].

Основными недостатками этого метода являются:

* большая продолжительность времени заряда батарей;

* необходимость регулирования силы тока в процессе всего заряда;

* большое газовыделение, а, следовательно, и повышенный износ пластин;

* потеря энергии на реостатах.

Последний недостаток устраним при замене реостата на тиристорный регулятор тока. Процесс постоянной регулировки тока для поддержания одного значения можно возложить на электронику, в случае если ток ограничивается тиристорами.

Заряды током постоянной величины применяются лишь для малых аккумуляторов.

Заряд при постоянстве напряжения

При этом способе напряжение в процессе заряда поддерживается постоянным. Величина начального зарядного тока для полностью разряженной батареи составляет 1 - 1,5 QA. В процессе заряда, когда напряжение батареи постепенно возрастает, сила тока понижается и к концу заряда значительно меньше, чем при заряде постоянным током (эта зависимость видна также из формулы 2.1). В связи с большим током в начале заряда за первые 3 - 4 часа батарея заряжается на 90 - 95% своей емкости. Средняя величина зарядного тока приблизительно равна 0.1 QА. Несмотря на различие в токах при данном и предыдущем методах заряда на различных этапах, общая продолжительность полного заряда батарей приблизительна одинаковая. Но тем не менее в ряде случаев метод заряда постоянным напряжением предпочтителен, так как в этом случае затраты на газовыделение, значительно меньше.

Постоянство напряжения регулируется автоматически при помощи регулятора и контролируется вольтметром. Напряжение источника должно заряда сопротивление малой величины.

Такой прием известен под названием способа с полупостоянным напряжением. Напряжение на шинах источника поддерживается в пределах от 2.5 до ЗВ на аккумулятор (оптимально 2.6 В при времени заряда Вч). Сопротивление резистора может находиться в диапазоне от 0,096 до 0,294 Ом в зависимости от напряжения источника питания и требуемого времени заряда.

Уравнительный заряд.

Такой заряд проводится при постоянной силе тока, численно равной 10% номинальной емкости, как и заряд при постоянстве тока, но в течение несколько большего времени, чем обычно. Его цель - обеспечить в аккумуляторной батарее полное восстановление активных масс во всех электродах всех аккумуляторов. Уравнительный заряд нейтрализует воздействие глубоких разрядов на отрицательные электроды и рекомендуется как мера, устраняющая сульфатацию электродов. Заряд продолжается до тех пор, пока во всех аккумуляторах не будет наблюдаться постоянство величины плотности электролита и напряжения в течение 3 ч.

Форсированный заряд.

Такой заряд может производиться токами, численно равными до 70% от номинальной емкости, но в течение короткого времени - тем меньшего, чем больше ток. Практически при токе 0,7 QА, продолжительность заряда не должна быть более 30 минут, при токе 0,5 QА - 45 минут, при токе 0,3 QА - 90 минут. В процессе форсированного заряда необходимо контролировать температуру электролита и при достижении 45°С прекращать дальнейший заряд. Следует отметить, что применение форсированного заряда должно быть исключением, так как его систематическое многократное повторение для одной и той же аккумуляторной батареи заметно сокращает срок ее службы. Этот тип заряда следует применять только при необходимости восстановить работоспособность сильно разряженной аккумуляторной батареи в короткое время.

Постоянный (непрерывный) подзаряд.

Применяется при длительном хранении аккумуляторных батарей, заполненных электролитом, на автомобилях с постоянной готовностью. Такой заряд ведется током, приблизительно компенсирующим саморазряд аккумуляторной батареи. Существуют различные способы постоянного подзаряда:

* при постоянном напряжении, незначительно превышающем напряжение батареи;

* при параллельном включении батарей и ограничении величины тока в цепи каждой батареи.

Основным недостатком является то, что он ускоряет процесс коррозии решеток положительных электродов. Достоинством его является поддержание аккумуляторных батарей в состоянии полного заряда независимо от срока хранения.

Ступенчатые методы заряда

Исследования показали, что при заряде током постоянной величины усиленное газообразование начинается тогда, когда напряжение на аккумуляторе увеличится примерно до 2,4 В. Чтобы избежать интенсивного газовыделения, а, следовательно, преждевременного разрушения пластин, при достижении напряжения 2,4 В. уменьшают зарядный ток в два раза - переходят на вторую ступень. Достигнув на второй ступени 2,4 В, вновь снижают зарядный ток вдвое - переходят на третью ступень; четвертую ступень заряда обычно проводят уже способом постоянного напряжения, постоянно уменьшая ток заряда.

При ступенчатых зарядах газовыделение и износ пластин малы, причем хорошо используется подведенная электроэнергия. Поэтому для больших аккумуляторов трехступенчатые и четырехступенчатые заряды являются основными.

Величина тока первой ступени для больших аккумуляторов указывается в формуляре батареи. Если температура электролита перед зарядом будет выше 20°С, то в целях предупреждения перерыва заряда из-за высокой температуры электролита зарядные токи целесообразно уменьшить, и со ступени на ступень переходить раньше, а именно при напряжениях 2,4-2,44В.

Заряд трехступенчатым способом считают законченным, кода плотность электролита и напряжение у большинства аккумуляторов при постоянной величине зарядного тока и при наличии равномерного кипения электролита остаются без изменения в течение одного часа.

Зарядка импульсным током. Под импульсным зарядом подразумевают применение тока, который изменяет свою величину или напряжение периодически, через определенные интервалы времени. По характеру этих показателей импульсный ток разделяют на две разновидности: пульсирующий и ассиметричный (разъяснения см. ниже). Зарядка пульсирующим током. Пульсирующим током называют такой, у которого величина меняется в пределах от нуля до максимального значения, сохраняя неизменной свою полярность.

Зарядка ассиметричным током. Асимметричный, или реверсивный, ток определяется наличием обратной амплитуды, иными словами, в каждом цикле он меняет свою полярность. Однако количество электричества, протекающего при прямой полярности, больше, чем при обратной (отношение зарядной и разрядной составляющих равно 10:1, а длительностей импульсов - 1:2), что и обеспечивает заряд аккумулятора. Этот способ позволяет не только восстанавливать работоспособность засульфатированных аккумуляторных батарей, но и проводить профилактическую обработку исправных (рис. 12).

Рис. 12. Заряд ассиметричным током: Сз - ёмкость, сообщённая аккумулятору за время импульса t₃; Ср - ёмкость, снятая с аккумулятора за время импульса tp.

3.2 Зарядные устройства для аккумуляторов

аккумуляторный батарея зарядный трансформатор

Соблюдение режима эксплуатации аккумуляторных батарей, и в частности режима зарядки, гарантирует их безотказную работу в течение всего срока службы [10,13,14,19].

Зарядное устройство обычно состоит из понижающего трансформатора, выпрямителя и регулятора тока зарядки. В качестве регуляторов тока обычно используют проволочные реостаты и транзисторные стабилизаторы тока. В обоих случаях на этих элементах выделяется значительная тепловая мощность, что снижает КПД зарядного устройства и увеличивает вероятность выхода его из строя, (рис. 13).



Рис. 13. Упрощенная схема зарядного устройства.

Для регулировки зарядного тока можно использовать магазин конденсаторов, включаемых последовательно с первичной (сетевой) обмоткой трансформатора и выполняющих функцию реактивных сопротивлений, гасящих избыточное напряжение сети. Упрощенная схема такого устройства приведена на рис. 75. В нем тепловая (активная) мощность выделяется лишь на диодах VD1-VD4 выпрямительного моста и трансформаторе, поэтому нагрев устройства незначителен. Ток зарядки аккумуляторной батареи GB1 поддерживается на определенном уровне. В процессе зарядки напряжение на батарее увеличивается, а ток, текущий через нее, стремится уменьшиться. Но при этом возрастает приведенное сопротивление первичной обмотки трансформатора Т1, напряжение на ней увеличивается, в результате чего ток через батарею GB1 изменяется незначительно.

Другое устройство, обеспечивающее зарядку 12-вольтовых аккумуляторных батарей током до 15 А, представлено ниже, причем ток зарядки можно изменять от 1 до 15 А ступенями через 1 А. Предусмотрена возможность автоматического выключения устройства, когда батарея полностью зарядится. Оно не боится кратковременных коротких замыканий в цепи нагрузки и обрывов в ней.

Схема этого устройства приведена на рис. 14. Магазин конденсаторов состоит из конденсаторов С1-С4, суммарная емкость которых составляет 37,5 мкФ. Выключателями Q1-Q4 можно подключать различные комбинации конденсаторов и тем самым регулировать ток зарядки. Например, для тока зарядки, равного 11 А, необходимо замкнуть контакты выключателей Ql, Q2 и Q4.

Рассмотрим работу устройства. Допустим, что к гнездам XS1 и XS2 подключена аккумуляторная батарея и выключателями Q1-Q4 установлен требуемый зарядный ток. В этом случае при нажатии кнопки SB1 "Пуск" сработает реле К1, контактами К 1.1 оно заблокирует кнопку SB1, а контактами К 1.2 подключит к заряжаемой батарее цепь автоматического отключения устройства. Контакты К 1.2 необходимы для того, чтобы батарея не разряжалась после отключения устройства от сети через диод VD6 и резисторы R3-R5.

Рис. 14. Схема зарядного устройства.

Переменным резистором R4 устанавливают порог срабатывания реле К2 (оно должно срабатывать при напряжении на гнездах XS1 и XS2, равном напряжению полностью заряженной батареи). Когда напряжение батареи достигнет заданного значения, откроются стабилитрон VD8 и транзистор VT2. Сработает реле К2, которое контактами К2.1 обесточит обмотку реле К1, а оно, отпуская, контактами К 1.1 разорвет цепь питания устройства. При нарушении контакта в цепи нагрузки напряжение на гнездах XS1 и XS2 резко возрастет, отчего также сработает реле К2 и отключит устройство от сети.

Аварийное отключение устройства происходит при любом положении движка переменного резистора R4. Но такие случаи нежелательны так как в течение времени срабатывания реле К2 и отпускания реле К1 конденсаторы С1-С4 будут находиться под повышенным напряжением (превышающим сетевое). Поэтому зарядное устройство следует включать в сеть лишь после того, как аккумуляторная батарея подсоединена к выходным гнездам. При коротком замыкании в цепи нагрузки ток через гнезда XS1 и XS2 несколько увеличивается, но для устройства это не опасно.

Налаживание смонтированного устройства сводится к подбору шунта амперметра РА1 на ток 30 А и подбору емкостей конденсаторов С1-С4, обеспечивающих требуемые зарядные токи.

При зарядке 12-вольтовых аккумуляторных батарей током 15 А КПД устройства достигает 75%, а температура внутри корпуса после 10 ч непрерывной работы не поднимается выше 40 С.

На рис. 15 представлена схема еще одного зарядного устройства, в котором ток зарядки плавно регулируется от нуля до максимального значения. Изменение тока в нагрузке достигается регулированием угла открывания тиристора VS1. Узел регулирования выполнен на однопереходном транзисторе VT2. Времязадающий конденсатор О заряжается коллекторным током транзистора VT1. Значение этого тока определяется положением движка переменного резистора R3. Чем больше ток, тем быстрее заряжается конденсатор С1 до напряжения открывания транзистора VT2, тем раньше открывается тринистор VS1, тем больше среднее значение тока через аккумуляторную батарею. Следовательно, зарядный ток регулируется поворотом движка переменного резистора R3. Напряжение на этот резистор поступает от подключенной к гнездам XS1 аккумуляторной батареи. Чтобы исключить зависимость зарядного тока от напряжения на аккумуляторной батарее, напряжение на переменном резисторе R3 стабилизированного стабилитроном VD6.



Рис. 15. Зарядное устройство с тринисторным регулятором тока.

Питание базы транзистора VT1 частью напряжения аккумуляторной батареи позволило обеспечить эффективную защиту зарядного устройства от неправильной полярности подключения аккумуляторной батареи к гнездам XS1, т.е. от переполюсовки. При переполюсовке диод VD7 окажется включенным в обратном направлении, напряжение на базе транзистора VT1 будет отсутствовать, конденсатор С1 не будет заряжаться и ток в нагрузке будет равен нулю. Аналогичное явление будет наблюдаться и в том случае, если к гнездам XS1 подключена нагрузка, не имеющая собственной ЭДС, а также аккумулятор с напряжением меньше 4...5 В.

Для измерения силы зарядного тока использован микроамперметр РА1 с шунтом из резисторов R7, R8. Защита устройства обеспечена со стороны сети и нагрузки предохранителями FU1 и FU2.

На рис. 16 показаны временные диаграммы работы обоих описанных зарядных устройств.



Рис. 16. Временные диаграммы работы зарядных устройств. а) - с конденсатором в цепи первичной обмотки трансформатора тринисторным регулятором тока; U_зу - напряжение на выходе зарядного устройства при отключенном аккумуляторе; U_max - максимальное (амплитудное) зажженного аккумулятора (когда он отключен от зарядного устройства); I_о - ток заряда аккумулятора; - угол открывания тринистора.

Ток заряда протекает через аккумулятор только тогда, когда U_З< U_а. Таким образом, форма зарядного тока отличается от синусоидальной, особенно для устройства с тринисторным регулированием. Это приводит к увеличению коэффициента формы кривой зарядного тока (коэффициент формы - это отношение действующего значения тока к среднему значению тока).

Значительно снизить потери мощности в тринисторе и, следовательно, повысить КПД зарядного устройства можно, если регулирующий элемент перенести из цепи вторичной обмотки трансформатора в цепь первичной обмотки. Схема такого устройства показана на рис. 17. Регулирующий узел аналогичен используемому в предыдущем варианте устройства. Регулирующий тринистор VS1 включен в диагональ выпрямительного моста VD1-VD4. Поскольку ток первичной обмотки трансформатора примерно в 10 раз меньше тока заряда, на диодах VD1-VD4 и тринисторе VS1 выделяется относительно небольшая тепловая мощность и они не требуют установки на радиаторы. Кроме того, значительно уменьшены потери мощности на шунте амперметра (резисторе R1) за счет включения амперметра в цепь первичной обмотки трансформатора Т1. Кроме того, применение тринистора в цепи первичной обмотки трансформатора позволило несколько улучшить форму кривой зарядного тока и снизить значение коэффициента формы кривой тока (что также приводит к повышению КПД зарядного устройства). К недостатку этого устройства следует отнести гальваническую связь с сетью элементов узла регулирования, что необходимо учитывать при разработке конструктивного исполнения (например, использовать переменный резистор R6 с пластмассовой осью).

Рис. 17. Зарядное устройство с транзистором в цепи первичной обмотки трансформатора.

Журнале «Радиолюбитель» №10 за 1998 год опубликована статья А. Сорокина «Зарядно-десульфатирующий автомат для автомобильных аккумуляторов». Путем длительных наблюдений и экспериментов автором была создана схема, опытная эксплуатация которой в течение 10 лет показала эффективную работу устройства. Принципиальная схема зарядного устройства приведена на рис. 18.



Рис. 18. Принципиальная схема зарядного устройства.

Принцип работы заключается в следующем:

1. Заряд производится на положительной полуволне вторичного напряжения.

2. На отрицательной полуволне происходит частичный разряд батареи за счет протекания тока через нагрузочный резистор.

3. Автоматическое включение при падении напряжения за счет саморазряда до 12,5 В и автоматическое отключение от сети 220 В при достижении напряжения на батарее 14.4 В.

Отключение -- бесконтактное, посредством симистора и схемы контроля напряжения на батарее.

Важное достоинство метода заключается в том, что пока не подключена батарея (автоматический режим), блок не может включиться, что исключает короткое замыкание при замыкании проводов, подводящих зарядный ток к аккумуляторной батарее.

При сильно разряженной батарее включение блока возможно посредством переключателя "АВТОМАТ-ПОСТОЯННО".

Еще одно очень важное достоинство -- отсутствие сильного "кипения", что в совокупности с автоматическими отключением и включением позволяет оставлять включенное устройство без присмотра на длительное время.

В целях пожарной безопасности необходимо, чтобы зарядное устройство было в металлическом корпусе, сечение подводящих проводников к батарее -- не менее 2,5 мм. Обязателен также надежный контакт на клеммах батареи.

Напряжение сети 220 В подается через предохранитель FU1 и симистор VD1 на первичную обмотку силового трансформатора. Со вторичной обмотки переменное напряжение U₂=21В выпрямляется диодом VD3 и через балластный резистор R8 сопротивлением 1,5 Ом поступает на клемму "+" батареи, к которой подключены вольтметр РА1 на 15 В, тумблер SA2 "ВКЛ. ДЕСУЛЬФАТА-ЦИЯ" и схема контроля и управления, представляющая собой триггер Шмитта с гистерезистором около 1,8 В, определяемым падением напряжения на диодах VD5, VD6 и переходе база-эмиттер транзистора VT2. Транзистор VT1 при напряжении на аккумуляторе 12,6 В включается, и через оптрон VD4 включает симистор VD1, что приводит к включению трансформатора Т1 и подаче напряжения на заряжаемый аккумулятор.

Подключение тумблером SA2 резистора R5 обеспечивает асимметричность формы зарядного тока. Свето-диоды VD8 и VD7 индицируют включение блока в режимы "ДЕСУЛЬФА-ТАЦИЯ" и "ВКЛ." соответственно. Резистором R7 устанавливается момент отключения блока при напряжении на вольтметре 15 В - 0,5 В падает на подводящих проводах). Мостик VD2 обеспечивает включение симис-тора на обеих полуволнах сетевого напряжения и нормальную работу трансформатора. Тумблер SA1 служит для включения режима "ПОСТОЯННО".

Зарядных устройств для аккумуляторных батарей предлагаемых на рынках великое множество. Если зайти на адрес Яндекс и набрать «Зарядные устройства для кислотных аккумуляторов» то в информационном окошке появляется цифра 345000 стр. сообщений по данной тематике. Поэтому надо ограничиться с поисками и остановиться на оптимальной схеме, которую -- можно выполнить в условиях кружка технического творчества учебного заведения.

Глава 4. Изготовление зарядного устройства

4.1 Принципиальная схема и принцип работы зарядного устройства

При выборе и изготовлении зарядных устройств можно сформулировать основные требования к ним :

1. По мере заряда аккумулятора зарядный ток должен уменьшаться;

2. Зарядное устройство должно иметь регулировку тока;

3. При достижении напряжения 15,5 - 16В заряд должен останавливаться;

4. Зарядное устройство должно быть защищено от коротких замыканий и ошибочных подключений в неправильной полярности;

5. Зарядное устройство должно обеспечивать десульфатацию пластин аккумулятора;

6. Зарядное устройство должно быть простым и не содержать дефицитных деталей. В результате анализа многочисленных схем зарядных устройств, которые можно рекомендовать для изготовления в условиях кружка технического творчества, была выбрана достаточно простая схема, с рабочими напряжениями 14 вольт и содержащая небольшое количество элементов. Это зарядное устройство описано в интернет - сообщении «Зарядка аккумуляторов ассиметричным током» htth://vo380.narod.ru [19].

Значительно лучших эксплуатационных характеристик аккумуляторов можно добиться, если их зарядку производить асимметричным томом. Схема устройства зарядки, реализующая такой принцип, показана на рисунке. 19.



Рис. 19. Принципиальная схема зарядного устройства ассиметричным током.

При положительном полупериоде входного переменного напряжения ток протекает через элементы VD1, R1 и стабилизируется диодом VD2. Часть стабилизированного напряжения через переменный резистор R3 подается на базу транзистора VT2. Транзисторы VT2 и VT4 нижнего плеча устройства работают как генератор тока, величина которого зависит от сопротивления резистора R4 и напряжения на базе VT2. Зарядный ток в цепи аккумулятора протекает по элементам VD3, SA1.1, РА1, SA1.2, аккумулятор, коллекторный перепад транзистора VT4, R4.

При отрицательном полупериоде переменного напряжения на диоде VD1 работа устройства аналогична, но работает верхнее плечо - VD1 стабилизирует отрицательное напряжение, которое регулирует протекающий по аккумулятору ток в обратном напряжении (ток разрядки).

Показанный на схеме миллиамперметр РА1 используется при первоначальной настройке, в дальнейшем его можно отключить, переведя переключатель в другое положение.

Следовательно, в данном устройстве, возможно, применять аккумуляторы с различной величиной энергоемкости. 2. При каких-либо пропаданиях переменного напряжения каждое из плеч закрывается и через аккумулятор ток не протекает, что защищает аккумулятор от самопроизвольной разрядки.

В данном устройстве из отечественных элементов можно применить в качестве VD, и VD2 - КС133А, VT1 и VT2 - КТ315Б или КТ503Б. Остальные элементы выбираются в зависимости от зарядного тока. Если он не превышает 100 мА, то в качестве транзисторов VT₃ и VT₄ следует применить КГ815 или КТ807 с любыми буквенными индексами (расположить на теплоотводе с площадью теплорассеиваюшей поверхности 5-15 кв. см), а в качестве диодов VD₃ и VD₄ - Д226, КД105 тоже с любыми буквенными индексами. Настройка зарядного устройства заключается в следующих операциях. На выходе устройства устанавливается измерительная головка, по которой измеряется ток заряда-разряда. Величина тока заряда-разряда регулируется с помощью переменных сопротивлений R₂, R₃. Для настройки измерительной головки на максимальное отклонение стрелки прибора подбирается шунт, для чего последовательно подключается эталонный тестер. Сопротивление шунта подбирается таким образом, чтобы максимальный ток, проходящий через аккумулятор, соответствовал максимальному отклонению стрелки прибора. Для определения положения клемм направления заряда отключаем цепь питания транзисторов VT₂-VT₄ (сопротивление R₃ вывести в нулевое положение при этом на клемме должно быть положительное направление заряда. Зарядное устройство тарируем таким образом, что заряд осуществляется силой тока 100, а разряд 30с частотой 25 гц. Многочисленные эксперименты и наблюдения показали, что при длительной эксплуатации данного зарядного устройства, в течение 3-4 месяцев зимней стоянки автомобиля, аккумуляторная батарея находится в состоянии полной 100% зарядки. Подтверждены случаи восстановления старых (4-5 лет эксплуатации) аккумуляторных батарей данными зарядными устройствами ассиметричного тока.