2015.10.04 08.17 06.05 000 39 Electrooborudovanie.doc

Электрооборудование автомобилей

1. Введение

В состав электрооборудования классического автомобиля примем следующие компоненты. Под классическим автомобилем в нашем случае имеем в виду авто с ДВС без силовых электроприводов на колёса (т.е. пока исключаем силовую установку в виде гибрида ДВС и электропривода):

Аккумуляторная свинцово-кислотная батарея (аккумулятор/батарея)

Генератор(переменного тока, трехфазный, с выпрямителем и регулятором напряжения)

Стартер(пусковой электродвигатель пост. тока с втягивающим реле)

Система электроосвещения и сигнализации

Система зажигания (только для ДВС с принудительным зажиганием)

Электронные системы управления (для ДВС, КПП и пр.) Эту часть формально можно рассматривать как составную электрооборудования как такового, но благодаря наличию сложных "мелочей" обычно электронные системы и компоненты рассматриваются в отдельных курсах.

Электроснабжение объектов может быть на постоянном или переменном токе. Системы на переменном токе могут быть однофазные и трёхфазные. Генератор не всегда в состоянии выдавать энергию в сеть, а в автомобиле питание необходимо "всегда". Поэтому спокон веку применяется система аккумулятор-генератор. Классический автомобиль имеет систему электроснабжения на постоянном токе, поскольку эти два зверя стыкуются между собой наиболее простым образом.

Напряжение в сети должно быть в некотором допуске. Почему напряжение не может быть произвольным? Обычные лампы накаливания, включаемые в сеть напрямую (а можно иначе?) при повышенном напряжении от номинала катастрофически теряют ресурс, а при пониженном - снижается световой поток и кпд взамен низкого становится неприлично низким. Номинальное напряжение в авто может быть 6/12/24/36 вольт, или те же величины, но увеличенные на 1/6-ю: 7/14/28/42. В данном случае величина, например, 12 и 14 означают одно и то же и их можно интерпретировать как нормальный минимум и, соответственно, максимум.

Понятно, что номинальный уровень напряжения зависит от выбранного аккумулятора, у которого напряжение задано электрохимическими законами. Для остальных электрокомпонентов номинальное напряжение есть уже величина заданная, которая обеспечивается конструктивными параметрами (например, для нити лампочки – подбирается длина и диаметр проволоки, чтобы та правильно работала при заданном НП).

2. Аккумуляторная свинцово-кислотная батарея

Назначение аккумулятора.

1. Резервный источник питания при неработающем двигателе (генераторе, обеспечивающем энергией сеть и заряд аккумулятора)

2. Помощник генератору, когда тот не выдаёт мощности или тока, требуемой потребителями.

3. Защита сети от выбросов напряжения малой длительности (мкс-мс).

Одна ячейка а. разных типов имеет ном. напряжение 1.2-3.7В, которое слишком мало для силовых цепей автомобиля, поэтому используют батареи а., соединяя отдельные ячейки последовательно. Для номинала 6В требуется соединить, например, 3 штуки последовательно.

Испокон веков на автотранспорте исп. свинцово-кислотные батареи. Если сравнивать свинцово-кислотный а. с а. других систем, то сразу захочется выбросить свинцовый а., заменив его на какой-нибудь другой. Аккумуляторы других систем лучше по многим показателям, в большей или меньшей степени дороже, но стоит сравнивать не отдельные параметры, а весь комплекс.

Какие недостатки свинцовых а. можно назвать сходу?

1. Ограниченный срок службы, в частности по причине недостаточной устойчивости к вибрациям.

2. Свинец давно запрещён к применению во многих отраслях, а здесь – КИЛОГРАММЫ свинца. А кто поручится, что 100% отработанных а. будут сданы на переработку?

3. Нельзя допускать глубокий разряд и тем более хранить разряженным.

4. Нельзя быстро зарядить. К концу заряда начинается "кипение" - разложение воды

До настоящего времени не существует идеального аккумулятора и различные а. разработаны под конкретные условия применения. Каковы же эти параметры а для нашего применения?

А. на классическом авто должны

терпеть большие разрядные токи (а. д. обладать низким внутренним сопротивлением и иметь мощные клеммы) (даже в обозначении а. по нашим стандартам, например, 6СТ-55 – буквы СТ означают – стартернаяАКБ)

способность работать буфером – это постоянный заряд при постоянном напряжении (терпимость к перезаряду)

работа в широком диапазоне Т

саморазряд, не более 10-15%/мес. (потеря заряда новых свинцовых а. - 5%/мес. – это хорошо. Для а. 60А*ч это 3А*ч/мес. или 100мА*ч/сутки или эквивалентный ток разряда ~4 мА)

сравнительная таблица параметров а. некоторых систем

Серия щелочных а. Электролит - раствор КОН или NaOHс добавками.

Ni-Fe (Fe-Ni удобнее говорить железо-никелевый, чем никель-железный) 1.2В, 1.5В – ном./макс. напряжение. Запасаемая энергия 20-50Вт*ч/кг, Мощность 100Вт/кг. Долгий заряд/разряд. Высокий саморазряд 20-40%/мес. Долгий срок службы, не боится глубоких разрядов, вибраций и др. издевательств.

Ni-Cd1.37?В, 1.5В – ном./макс. напряжение. Запасаемая энергия 45-65Вт*ч/кг, Мощность 150-500Вт/кг. Макс. ток разряда всего 0.2С. Заряд возможен макс. током (0.1С) до достижения макс. напряжения. Формально зарядка должна длиться 10ч., но с учётом потерь может продолжаться до 16ч. Низкое внутреннее сопротивление а. позволяет поймать конец заряда (начинается нагрев)??.

Возможна быстрая зарядка током до 2С, но тогда следует использовать средства защиты. Требуется изначально полный разряд, конец заряда контролировать по 1% скачку напряжения и не превышать уровень 1.48В.

Превышение напряжения при зарядке приводит к понижению ёмкости, а при напряжении ниже 1 В - снижается ресурс. Имеется эффект "памяти" – невозможно зарядить частично разряженный а. полностью не разрядив до конца. Не работоспособны в качестве буфера (снижается кажущаяся ёмкость), но восстанавливаются при полном разряде/заряде.

Ni-Металло-гидридный1.25В, 1.5В – ном./макс. напряжение. Запасаемая энергия 60-72Вт*ч/кг, Мощность ??Вт/кг. Почти отсутствует эффект памяти. Как заменаNi-Cd., однако, не все параметры лучше. Высокий саморазряд 0.5%С/день. Есть разработки а. с пониженным саморазрядом (LSD-lowselfdischarge), которые дополнительно улучшили токоотдачу, меньше снижение ёмкости при низких Т, число циклов заряд/разряд возросло с 500 до 1000-1500.

Окончание заряда возможно оценить по падению! напряжения при интенсивном заряде (1С) и(или) по увеличению нагрева (температуры).

Выпускаемые а. одинаковой конструкции (пальчиковые) различной ёмкости – для разного назначения. С самыми большими величинами – для устройств сильноточных и активно используемых (больше ё. – больше саморазряд). С меньшими величинами ё. – для устройств с хранением и длительным разрядом.

Серебряно-цинковый…

Li-ion3.6/3.7В 4.1/4.2В – ном./макс.. напряжение. Запасаемая энергия 110-230Вт*ч/кг, Мощность ??Вт/кг. Диап. Т 0-60С, при отрицательных Т невозможен заряд. Низкий саморазряд 3%/мес. Быстрое старение даже без использования - 10%/год. Оптимально хранить на 50% заряженными в отличие от прочих а..

Заряд возможен макс. током (1/0.5С) до достижения макс. напряжения – 70% ёмкости. Далее возможен заряд при постоянном напряжении, но процесс более длительный.

Для неавтомобильных применений батарея снабжёна большим количеством контактов и встроенными электронными компонентами. Самые простые – предохранитель и датчик температуры. Может быть со встроенным контроллером, который не позволяет в большинстве случает испортить а. Здесь реализована защита по току заряд/разряд, по напряжению (не более 4.2, не менее 2.9В). Некоторые контроллеры имеют внешний интерфейс.

Немного истории и теории: Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые появились в бытовых устройствах. Причем, подчеркну, это были именно батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за возникших проблем в обеспечении их безопасной эксплуатации. Литий - самый легкий из всех металлов, имеет самый большой электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды способны обеспечить и высокое напряжение, и превосходную емкость. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах, было выяснено, что циклическая работа (заряд - разряд) литиевых аккумуляторов приводит к изменениям на литиевом электроде, уменьшающим тепловую стабильность и вызывающим потенциальную возможность выхода теплового состояния из-под контроля. В случае, когда это происходит, температура элемента быстро приближается к точке плавления лития и возникает бурная реакция с воспламенением выделяющихся газов. Так, например, большое количество литиевых аккумуляторов для мобильных телефонов, поставленных в Японию в 1991 году, было отозвано после нескольких случаев их воспламенения и причинения ожогов людям. Из-за свойственной литию неустойчивости, исследователи повернули свой взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. Немного проиграв при этом в плотности энергии и приняв некоторые меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые Li-ion аккумуляторы. Плотность энергии Li-ion аккумуляторов - обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd а в перспективе, с применением новых активных материалов, предполагается увеличить ее еще и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. В дополнение к большой емкости, Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично NiCd (форма их разрядных характеристики подобна, и отличается лишь напряжением). На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов, причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного типа, но с потребительской точки зрения отличить их по внешнему виду не представляется возможным. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам и рассмотрим причины вызвавшие появление на свет литий-полимерных аккумуляторов.

Основные преимущества:

• Высокая плотность энергии и как следствие большая емкость при тех же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля.

• Низкий саморазряд.

• Высокое напряжение единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию, и зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие изготовители сегодня ориентируются на применение для сотовых телефонов именно такого одноэлементного аккумулятора (вспомните Nokia). Однако чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо отдать более высокий ток. А это требует обеспечения низкого внутреннего сопротивления элемента.

• Низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов), поскольку отсутствует эффект памяти и не требуются периодические циклы разряда для восстановления емкости.

И недостатки:

• Для аккумулятора требуется встроенная схема защиты (что ведет к дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет напряжение элемента от слишком низкого понижения при разряде. Кроме того, она ограничивает максимальные токи заряда, разряда и контролирует температура элемента. В результате, возможность металлизации лития практически исключена.

• Аккумулятор подвержен старению, даже если не используется и просто лежит на полке. Процесс старения характерен для большинства Li-ion аккумуляторов. По вполне очевидным причинам, производители об этой проблеме умалчивают. Небольшое уменьшение емкости заметно после одного года, вне зависимости от того, находился аккумулятор в использовании или нет. Через два или три года он часто становится непригодным к эксплуатации. Впрочем, и аккумуляторы других электрохимических систем также имеют возрастные изменения с ухудшением своих параметров (это - особенно справедливо для NiMH, подвергающихся воздействию высокой температуры окружающей среды). Для уменьшения процесса старения храните заряженный примерно до 40 % от номинальной емкости аккумулятор в прохладном месте отдельно от телефона.

• Более высокая стоимость по сравнению с NiCd аккумуляторами.

Технология изготовления Li-ion аккумуляторов постоянно улучшается. Примерно каждые шесть месяцев она обновляется и становится трудно оценить, как хорошо ведут себя новые аккумуляторы после длительного хранения. Словом, всем хорош Li-ion аккумулятор, но есть некоторые проблемы в обеспечение безопасности эксплуатации и высокая стоимость. Попытки решения этих проблем и привели к появлению литий-полимерных (Li-pol или Li-polymer) аккумуляторов. Основное их отличие от Li-ion заложено в самом названии и заключается в типе используемого электролита. Использовали сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом, который используется в литий-ионных аккумуляторных батареях. Такая конструкция упрощает процесс изготовления, более безопасна и позволяет производить тонкие аккумуляторы произвольной формы. К тому же отсутствует опасность воспламенения, поскольку нет жидкого или гелевого электролита. При толщине элемента около одного миллиметра, разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды. Но пока, к сожалению, сухие Li-polymer аккумуляторы обладают недостаточной электропроводностью при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, требуемую для современных устройств связи и электропитания жестких дисков переносных компьютеров. В тоже время при нагревании до 60 °C и более электропроводность увеличивается до приемлемого уровня, однако для массового использования это не годится. Вы спросите как же так, на рынке вовсю продаются Li-polymer аккумуляторы, изготовители комплектуют ими телефоны и компьютеры, а мы тут говорим, что для коммерческой эксплуатации они пока не готовы. Все очень просто. В данном случае речь идет об аккумуляторах не с сухим твердым электролитом. Для того, чтобы повысить электропроводность небольших Li-polymer аккумуляторов, в них добавляют некоторое количество гелеобразного электролита. И большинство Li-polymer аккумуляторов, используемых сегодня для мобильных телефонов, фактически являются гибридами, поскольку содержат гелеобразный электролит. Называются они литий-ионными полимерными. Но большинство изготовителей в рекламных целях и для продвижения на рынке, маркируют их просто как Li-polymer. Прежде всего, в чем различие между Li-ion и Li-polymer аккумулятором с добавкой гелеобразного электролита? Хотя характеристики и эффективность обоих систем очень похожи, уникальность Li-ion полимерного (можно его и так назвать) аккумулятора в том, что в нем все же используется твердый электролит, заменяющий пористый сепаратор. Гелевый электролит добавляется только для увеличения ионной электропроводности. [/spoiler]

Все современные телефоны, смартфоны и КПК снабжены аккумуляторами на литиевой основе: литий-ионными или литий-полимерными, поэтому в дальнейшем речь будет идти именно о них. Такие аккумуляторы имеют замечательную ёмкость и сроки службы, но требуют очень жёсткого следования определённым правилам эксплуатации.

Эти правила можно разделить на две группы:

• Не зависящие от пользователя

• Зависящие от пользователя.

В первую группу входят основополагающие правила заряда и разряда аккумуляторов, которые контролируются встроенным в аккумулятор устройством (контроллером), а также иногда дополнительным контроллером, располагающимся в самом устройстве. Эти правила просты:

• Аккумулятор всю свою жизнь должен находиться в состоянии, при котором его напряжение не превышает 4.2 вольта и не опускается ниже 2.7 вольта. Эти напряжения являются показателями соответственно максимального (100%) и минимального (0%) заряда. Минимальное напряжение, указанное выше, применимо к аккумуляторам с электродами, выполненными из кокса, однако большинство современных аккумуляторов имеет электроды из графита. Для них минимальное напряжение равно 3 вольта.

• Количество энергии, отдаваемой аккумулятором при изменении его заряда от 100% до 0%, - это его ёмкость. Некоторые производители ограничивают максимальное напряжение 4.1 вольтами, при этом аккумулятор живёт подольше, но его ёмкость снижается примерно на 10%. Также иногда нижний порог повышается до 3.0-3.3 вольт, в зависимости от материала электродов, с такими же последствиями.

• Наибольшая долговечность аккумулятора достигается при примерно 45-процентном заряде, а при увеличении или уменьшении степени заряда срок жизни аккумулятора уменьшается. Если заряд находится в пределах, которые обеспечивает контроллер аккумулятора (см. выше), изменение долговечности не значительно.

• Если в силу обстоятельств напряжение на аккумуляторе выходит за пределы, указанные выше, даже на непродолжительное время, срок его жизни драматически уменьшается. Такие состояния называются перезаряд и переразряд и являются очень опасными для аккумулятора.

Контроллеры аккумуляторов, предназначенные для разных устройств, если они (контроллеры) изготовлены с надлежащим качеством, никогда не позволяют напряжению на аккумуляторе во время заряда стать больше 4.2 вольта, но, в зависимости от предназначения батареи, могут по-разному ограничивать минимальное напряжение при разряде. Так, в аккумуляторе, предназначенном для, скажем, шуруповёрта или моторчика модели автомобиля, минимальное напряжение, скорее всего, будет действительно минимально допустимым, а для КПК или смартфона - повыше, ибо минимального напряжения в 2.7-3.0 вольт может просто не хватить для работы электроники девайса. Поэтому в сложных устройствах типа телефонов, КПК и т.п. работу контроллера, встроенного в сам аккумулятор, дополняет контроллер в самом устройстве. Поговорим о процессе заряда литиевых аккумуляторов. Зарядное устройство любого литиевого аккумулятора представляет собой источник постоянного напряжения в 5 вольт, способный отдавать для заряда ток, равный примерно 0.5-1.0 емкости аккумулятора. Так, если емкость аккумулятора равна 1000 mA•h, зарядное устройство должно обеспечить ток заряда не менее 500 mA, а номинально - 1 ампер. Существует несколько режимов заряда литиевых аккумуляторов. Начнём с режима, являющегося стандартным в компании Sony. Этот режим требует длительного времени заряда, сложного контроллера, но обеспечивает наиболее полный заряд аккумулятора. На первом этапе зарядки, длящемся приблизительно 1 час, аккумулятор заряжается током постоянной величины до достижения напряжения в 4.2 вольта на аккумуляторе. После этого начинается второй этап, длящийся также около часа, во время которого контроллер, поддерживая напряжение на аккумуляторе ровно в 4.2 вольта, постепенно уменьшает зарядный ток. При уменьшении зарядного тока до определённой величины (порядка 0.2 от ёмкости аккумулятора) начинается третий этап зарядки, в течение которого зарядный ток продолжает уменьшаться, а напряжение на клеммах аккумулятора сохраняется на прежнем уровне - 4.2 вольта. Третий этап, в отличие от первых двух, имеет строго определенную длительность, определяемую встроенным в контроллер таймером, - 1 час. По истечении третьего этапа контроллер полностью отключает аккумулятор от зарядного устройства. Степень заряженности аккумулятора в конце первого этапа равна 70%, в конце второго - 90%, а в конце третьего - 100%. Многие компании, стремясь к удешевлению своих устройств, используют упрощенные режимы заряда аккумуляторов, например, прекращая заряд при достижении напряжения на аккумуляторе 4.2 вольта, то есть используя только первый этап зарядки. В этом случае аккумулятор заряжается быстро, но, увы, только до 70% своей реальной емкости. Определить, что в вашем устройстве именно такой, упрощенный контроллер нетрудно, - для полноценной зарядки требуется примерно 3 часа, не меньше. Во вторую группу входят правила эксплуатации, на которые мы с вами можем влиять, тем самым значительно увеличивая или уменьшая срок жизни аккумулятора. Эти правила следующие:

• нужно стараться не доводить аккумулятор до минимального заряда и, тем более, до состояния, когда машинка сама выключается, ну, а если так случилось, то нужно зарядить аккумулятор как можно скорее.

• не нужно бояться частых подзарядок, в том числе и частичных, когда полный заряд не достигается - аккумулятору это не вредит.

вопреки сложившемуся у многих пользователей мнению, перезаряд вредит литиевым аккумуляторам не меньше, а даже больше, чем глубокий разряд. Контроллер, конечно, ограничивает максимальный уровень заряда, но есть одна тонкость. Хорошо известно, что ёмкость аккумуляторов зависит от температуры. Так, если, например, мы зарядили аккумулятор при комнатной температуре и получили заряд 100%, то при выходе на мороз и остывании машинки степень заряженности аккумулятора может снизиться до 80% и ниже. Но может быть и обратная ситуация. Аккумулятор, заряженный при комнатной температуре до 100%, будучи немножко нагрет, станет заряженным, скажем, до 105%, а это для него очень и очень неблагоприятно. Такие ситуации встречаются при эксплуатации машинки, длительное время находящейся в кредле. Во время работы температура девайса и вместе с ним аккумулятора повышается, а ведь заряд уже полный… В связи с этим правило гласит: если Вам необходимо работать в кредле, сначала отсоедините машинку от зарядки, поработайте на ней, а когда она выйдет на “боевой” температурный режим, подключайте зарядку. Кстати, это правило также касается владельцев ноутбуков и прочих гаджетов. Идеальные условия для длительного хранения аккумулятора - это нахождение вне девайса с зарядом примерно 50%. Исправный аккумулятор при этом не требует заботы о себе месяцами (порядка полугода). И напоследок еще немного информации.

• - Вопреки сложившемуся мнению, литиевые аккумуляторы, в отличие от никелевых, почти не обладают “эффектом памяти”, поэтому, так называемая, “тренировка” нового литиевого аккумулятора практически не имеет смысла. Для собственного успокоения достаточно один-два раза полностью зарядить-разрядить новый аккумулятор. Это нужно для калибровки дополнительного контроллера.

• - Владельцы устройств знают, что можно заряжать батарею как от зарядного устройства, так и от USB. При этом зачастую вызывает недоумение невозможность зарядки от USB. Дело в том, что по “закону” USB-контроллер должен отдавать периферийным устройствам, подключенным к нему, ток около 500 mA. Однако бывают ситуации, когда либо сам контроллер не может обеспечить такой ток, либо устройство подключают к USB контроллеру, на котором уже висит какая-то периферия, потребляющая часть мощности. Вот и не хватает тока для зарядки, особенно если аккумулятор разряжен слишком сильно.

• - Литийсодержащие аккумуляторы ОЧЕНЬ НЕ ЛЮБЯТ ЗАМОРАЖИВАНИЕ. Всегда старайтесь избегать пользования машинкой на сильном морозе - увлечетесь, и аккумулятор придётся менять. Конечно, если Вы достали машинку из тёплого внутреннего кармана куртки и сделали пару заметок или звонков, а потом положили зверька обратно, проблем не будет.

• - Практика показывает, что литиевые батареи (не только аккумуляторы) снижают свою ёмкость при уменьшении атмосферного давления (в высокогорье, в самолете). Вреда батареям это не приносит, но знать об этом следует.

• - Бывает, что после приобретения аккумулятора повышенной ёмкости (скажем, 2200 mA•h вместо штатных 1100 mA•h) машинка через пару дней пользования новым аккумулятором начинает странно себя вести: виснет, отключается, зарядка аккумулятора, вроде, происходит, но как-то странно, и т.п. Не исключено, что ваше зарядное устройство, которое с успехом работает на “родном” аккумуляторе, просто не в состоянии обеспечить достаточный ток зарядки аккумулятора большой ёмкости. Выход - приобретение зарядного устройства с большим отдаваемым током (скажем, 2 ампера вместо прежнего 1 ампера).

Несовершенство человеческой природы. Свинец считается ядовитым и с некоторых пор (2006год) он запрещён для бытового применения (мол, всё равно домохозяйки, домохозяины и их потомки не будут безопасно утилизировать все свинец-содержащие предметы). Свинец, в частности, входит в состав оловянно-свинцовых припоев, которым велась пайка контактов, в т.ч. и электронных изделий. Наиболее применимый ПОС-61, например, содержит 61% олова, (иногда заявляется, что добавлено 0.8%/ обычно 0.5%, но это отражается в названии – ПОССу-61-0.5) или менее 0.05% сурьмы, остальное – свинец, Т плавления 190С. Сурьма показана для пайки оцинкованных деталей / пайка волной.

На "замену" идёт бессвинцовый припой – олово с небольшими добавками серебро+медь или цинк (а также висмут, индий, золото). По целому ряду свойств б.п. хуже свинцовых – хуже смачиваемость, меньше прочность, выше температура плавления (мин. 220С, практически значительно выше!) и вероятен риск развития оловянной "чумы".

Конструкция свинцово-кислотных а.:электроды/активные вещества /электролит

Пакет плоских или свёрнутых в рулон (картинка ниже) пластин, разделённых сепараторами

Активные вещества: отрицательные пластины – свинец Pb, положительные пластины –PbO₂. Электролит – водный раствор серной к-тыH₂SO_4.При разряде оба активных вещества пластин преобразуются в сульфат свинцаPbSO₄, и расходуется кислота (концентрация кислоты снижается по двум причинам). Поэтому замер плотности электролита может показывать степень заряженности а. При заряде происходит обратный процесс… Атомы водорода и кислорода также участвуют в реакциях, однако параллельно возможен электролиз воды: атомы кислорода не захватываются положительным электродом, а атомы водорода – отрицательным.

Принцип действия заряда/разряда. Основные хим. реакции возле положительного и отрицательного электродов. При заряде реакции идут в обратном направлении

разряд

(+) PbO₂+3H⁺+HSO₄ ^-+ 2ePbSO₄+ 2H₂O

разряд

( - ) Pb+HSO₄ ^-PbSO₄+H⁺+ 2e

Параметры а.

Запасаемую а. энергию принято измерять в А*ч, а не в В*А*ч или Дж. Это т.н. ёмкость. Это связано с тем, что обычно а. работает почти при постоянном напряжении и эту "константу" можно не принимать в расчёт. Т.е. ёмкость в 55А*ч можно истратить имея в нагрузке ток 1А в течение 55часов или 11А в течение 5часов и т.д. Если "пойти дальше" (как американцы), то при постоянной токовой нагрузке можно "измерять" или сравнивать а. по "ёмкости" в часах или минутах (т.н. резервная ёмкость).

Все предприятия в Европе и значительная их часть в Азии руководствуются промышленным стандартом Германии DIN 43 539, регламентирующим основные технические параметры и методы испытаний стартерных аккумуляторных батарей. Для стартерных аккумуляторов стандарт DIN определяет два основных параметра:

• номинальную емкость С₂₀;

• тестовый ток холодного разряда I_P

Номинальная емкость С₂₀определяется при 20-часовом режиме разряда и измеряется в ампер-часах. Для батарей европейского производителя, например, с номинальным напряжением 12 В и C₂₀= 55 А*ч время разряда током I = С₂₀/20 = 2.75A до напряжения 10.75В(/6=1.79В) составит около 20 часов. Температура комнатная 18-27С!!

Тестовый ток холодного разряда выбирается из условия разряда батареи при начальной температуре электролита –18°С. до напряжения 9 В за 30 секунд. Для примера, тестовый ток холодного разряда батареи с C₂₀= 55 А*ч может быть заявлен I_P= 255 А. Т.е. за 30 секунд такой ток "посадит" изначально полностью заряженную батарею до напряжения 9 В.

Батареи американских производителей выпускаются и испытываются по требованиям американского стандарта SAE J 537. Он также нормирует два основных параметра:

• резервную емкость C_P;

• тестовый ток холодного разряда I_CC

Резервная емкость C_P, независимо от емкости и назначения батарей американского производителя определяется временем разряда в минутах при токе 25А (никакая это не ёмкость в обычном понимании!).

Тестовый ток холодного разряда I_CCпри температуре электролита также –18°С – это величина разрядного тока, при которой после 30 секунд разряда напряжение батареи будет не ниже 7.2 В.

Значение напряжения и два основных параметра производители наносят на корпус батареи. Наши производители могут указывать параметры по двум стандартам.

Существуют эмпирические приблизительные формулы, позволяющие пересчитать основные параметры стандартов DIN 43 539 и SAE J 537.

Для пересчета параметров европейского в американский стандарт:

I_CC= 1,87 х I_P.

C_P= 1,58 х С₂₀;

для пересчета параметров американского в европейский стандарт:

I_P= 0,534 х I_CC.

С₂₀= 0,633 х C_P.

Например, аккумулятору с тестовым током холодного разряда I_P= 255 А (по DIN 43 539) будет соответствовать тестовый ток холодного разряда I_CC= 255 х 1.87 = 477 А (по SAE J 537). А батарее емкостью С₂₀= 55 А*ч будет соответствовать резервная емкость C_P= 87 мин.

В условных обозначениях типа отечественных и зарубежных аккумуляторов всегда приводится номинальная емкость, т.е. емкость при нормальных условиях разряда (при разряде номинальным током и при температуре 20°С).

Вопрос.Какую ёмкость в А*ч мы получим, разряжая а. током в 25А и стартерным, например по стандартуDIN?

С_25A= 25А * 87мин / 60мин/ч = 36.2 А*ч.

С_{ст DIN}= 255А * 0.5мин / 60 мин/ч = 2.125 А*ч. (это 3.8% от 55 А*ч. -18С!)

Причины снижения ёмкости при увеличении тока разряда: снижается использование активных веществ. Увеличивается сопротивление электролита и по мере понижения плотности, и при понижении Т. Минимальное сопротивление для 6 банок а. – 7 мОм. При -20С и 50/70% разряда – 15/20мОм. После "отдыха" – выравнивания плотности электролита, возможен дальнейший разряд, т.е. дополучение ёмкости (если охота издеваться осталась).

Вывод. Фактическая ёмкость снижается с увеличением разрядного тока и с понижением Т и наиболее значительно при одновременном действии обоих факторов.

Разрядно-зарядные характеристики

Связь ЭДС с плотностью электролита: эксп. формула

, здесь- плотность электролита [г/мл], приведённая к 25С

От полностью заряженного а. до полностью разряженного имеем изменение плотности на 0.16 г/мл: 1.26 г/мл – 2.1В (х6 = 12.6В), 1.10 г/мл – 1.94В (х6 = 11.64В) или 1.28 г/мл – 2.12В (х6 = 12.72В), 1.12 г/мл – 1.96В (х6 = 11.76В).

Вопрос.Как определить плотность полностью заряженного а.?

Разрядная характеристика (при постоянном токе)

Ось времени – горизонтальная

Ось напряжения – вертикальная. Спадающая линия ЭДС и плотности

Под действием разрядного тока напряжение снизится на величину, пропорциональную внутреннему сопротивлению и т.н. сопротивлению поляризации.

Внутреннее сопротивление – это сумма сопротивлений электродов, активных веществ и электролита – в основном - сопротивление электролита.

Сопротивлению поляризации – это кажущееся сопротивление, которое отражает эффект поляризации – изменение потенциала электродов относительно электролита при прохождении тока. "Кажущееся" - потому что зависит от самой величины тока (и к счастью, чем больше ток, тем меньше это сопротивление). Наблюдение за эффектом – при включении и выключении процесса разряда – изменение напряжения и ЭДС (от нескольких секунд до десятков секунд). (Может это установление или рассасывание градиента плотности?).

В конце разряда следует вовремя остановить процесс. Иначе напряжение будет падать стремительно, плотность останется неизменной, но могут начаться необратимые процессы.

Зарядная характеристика (при постоянном токе)

Ось времени – горизонтальная

Ось напряжения – вертикальная. Восходящая линия ЭДС и плотности

Под действием зарядного тока напряжение увеличится на величину, пропорциональную внутреннему сопротивлению и сопротивлению поляризации.

В конце заряда следует также вовремя остановить процесс, либо значительно снизить зарядный ток. Иначе напряжение будет нарастать стремительно вплоть до 2.7В(х6=16.2В), плотность останется неизменной, начнётся бурный гидролиз воды. В а., у которых пластины легированы сурьмой в количестве 4-6%, гидролиз воды наступает задолго до указанного уровня напряжения – практически при напряжении 2.33В(х6 = 14В).

Свинцовые пластины современных а. имеют концентрацию сурьмы около 1.5%, а для улучшения литейных свойств введены добавки кальция (для обеих пластин или почему-то только для положительных). Это мероприятие значительно снизило газовыделение (повысило реальный потенциал разложения воды).

Заряд при постоянном токе не слишком эффективен как с т.з. общего времени заряда, так и неприятностями в конце зарядки. Практически если приходится заряжать а. "вручную", то следует в начале зарядки устанавливать больший ток, а в конце – меньший номинального (из расчёта заряда 20 или 10часов).

Что касается автомобиля, то там а. фактически заряжается в условиях постоянного напряжения. Разряженный а. при напряжении 14В (/6=2.33В) будет принимать очень большой ток (десятки ампер) и может привести к перегрузке генератора (что тот обязан терпеть). Каких-либо сведений о нежелательности и вреде этой ситуации в литературе не приводится (у меня нет!). Скорее всего, считается, что разряженный а. на авто – это редкое явление и обсуждать не обязательно.

Саморазряд. Причин потери степени заряженности при бездействии а. несколько. Наличие разницы в плотностях электролита сверху и снизу. Наличие примесей в электролите, изначально их не должно быть – хуже всего - меди и железа (отсюда следует добавлять воду только дистиллированную). Наличие на поверхности а. электропроводящей грязи (того же электролита). Интенсивность с. сильно зависит от Т. При отрицательных Т с. практически отсутствует. Саморазряд существенно выше у изношенных а.(?)

Старение и износ.Изначальная пористость акт. массы ухудшается. Осыпание активной массы вплоть до получения КЗ.

Диагностика и обслуживание

В прежние времена к аккумуляторам относились весьма бережно. Это иллюстрируется различными инструкциями, которые, особенно в армии, неукоснительно исполнялись. В наше ленивое время ситуация существенно изменилась и а. стали называть малообслуживаемыми или даже необслуживаемыми.

Вопрос.Как заряжать? (при постоянном напряжении, снижать ток по мере приближения к финалу, импульсами, в т.ч. разнополярными)

Вопрос.Как продлить жизнь? (ном. плотность)

Вопрос.На сколько а. заряжен на авто и от чего это зависит (короткие/длинные пробеги)

Вопрос.Почему разряженный а. портится?

Вопрос.Когда следует добавлять электролит вместо воды?