2.1.2. Конструкция, принцип действия щелочных аккумуляторов

В гражданской авиации России и других государств используются ни­кель-кад­миевые аккумуляторы, которые конструктивно и по своим электри­ческим характе­ристикам подобны друг другу.

В качестве активного вещества положительных электродов в никель-кадмиевых аккумуляторах используется гидрат окиси никеля, отрицатель­ных электродов – губчатый кадмий. Электролитом является водный раствор едкого кали (КОН).

Электрохимические процессы, происходящие при разряде и заряде аккумуля­тора описываются выражением:

разряд

2 Ni(OH) ₂ + KOH + Cd 2Ni(OH) ₂ + KOH + Cd(OH) ₂

заряд

В отличие от кислотных аккумуляторов в щелочных аккумуляторах плотность электролита при заряде и разряде аккумулятора почти не изменя­ется. При эксплуа­тации плотность электролита выбирают в зависимости от температуры, при кото­рой предполагается использование аккумулятора.

ЭДС аккумулятора (одного элемента) составляет 1,36 В и не зависит от темпера­туры и плотности электролита. Для получения напряжения акку­муляторной бата­реи 24÷25 В используется батарея из двадцати последова­тельно включенных акку­муляторов (элементов). Ёмкость никель-кадмие­вого аккумулятора мало зависит от величины тока разряда.

Конструктивно самолётная щелочная батарея аккумуляторов состоит из два­дцати отдель­ных аккумуляторов (элементов) НКБН-25 (рис.2.2.1.), каждый из которых имеет индивидуаль­ный корпус из полихлорвинила

Рис.2.2. Щелочной аккумулятор (элемент) НКБН-25

1 – корпус ; 2 – блок пластин (электродов); 3 – крышка; 4 – мостик;

5 – борн (полюсной штырь); 6 – гайка; 7 – уплотнительное кольцо;

8 – пробка; 9 – шайба; 10 – экран.

(или по­лиамидной смолы). В каждом элементе расположены блоки из 15 положи­тельных и 14 отрица­тельных электродов (пластин), которые отде­лены друг от друга сепаратором, вы­полненным из одного слоя капрона и одного слоя щёлочестойкой бумаги. В верх­ней части каждого элемента рас­положены два борна (полюсных штыря с резьбой в верхней части), а также резьбовое отверстие для заливки электролита. Положи­тельный борн марки­руется зна­ком + (см. рис.2.2.3). Отверстие после заливки элек­тролита глу­шится пробкой, которая не даёт выливаться электролиту при любом по­ло­жении самолёта, а также обеспечивает сообщение полости аккумулятора с воз­душ­ной средой.

Рис.2.3. Общий вид щелочной батареи 20НКБН-25

1 – ручка затвора; 2 – ручка для переноски; 3 –замок; 4 – корпус; 5 и 14 – соеди­нительные шины (накладки); 6 и 9 – прокладки; 7- шайба; 8 – гайка;

10 – крышка; 11 – окна; 12 – изоляционный уголок; 13 – аккумулятор НКБН-25;

15 – стержень крепления.

Элементы размещаются в общем стальном корпусе в 2 ряда (рис.2.2.3). Ряды от­делены друг от друга изолирующей прокладкой 4. Акку­муляторы НКБН-25 отде­лены друг от друга и от корпуса батареи с помощь­ю прокла­док, которые помимо изоляции обеспечивают плотное размещение элемен­тов в корпусе батареи. Для по­следовательного соединения элементов между собой предусмотрены шины 3 и 7 в виде накладок, которые надева­ются на положительный и отрицательный полюса соответствующих эле­ментов и крепятся с помощью гаек.

Для контроля уровня электролита на боковых стенках корпуса преду­смотрены смотровые окна.

Сверху корпус закрывается пластмассовой крышкой 10 (рис.2.2.2.), которая за­крывается защёлкивающимися (патефонными) замками 3.

Для изоляции корпуса батареи от металлической конструкции само­лёта к осно­ванию с двух сторон прикреплены изоляционные уголки.

Рис. 2.4. Вид на аккумуляторную батарею 20ЕКБН-25 сверху.

1 – розетка штепсельного разъёма; 2 – корпус; 3 – соединительная шина (накладка); 4 – прокладка; 5 – гайка; 6 – прокладка задняя; 7 – шина;

8 – аккумулятор (элемент) НКБН-25; 9 – вывод.

Для подсоединения батареи к бортовой сети на задней стенке корпуса располо­жен штепсельный разъём РША-1.

Основные данные аккумуляторной батареи 20НКБН-25:

- ЭДС………………………………………….…….25÷26 В

- напряжение при токе нагрузки 80÷100 А не менее 24 В

- максимальный разрядный ток……………………….650 А

- ёмкость при токе разряда 10 А………………………..25 Ач

- время разряда при токе 50 А…………………………..22 мин

- время разряда при токе 100 А…………………………11 мин

- масса…………………………………………………….24 кг

- отдача по ёмкости……………………………………...80÷85 %

- отдача по энергии………………………………………65÷70 %

Вместо отечественных аккумуляторных батарей 20НКБН-25 на само­лётах и вер­толётах гражданской авиации разрешается комплектная уста­новка французских ак­кумуляторных батарей аккумуляторных батарей 26108 фирмы SAFT и 20FR25Н1С-R VARTA, которые полностью взаимозаменяемы с аккумуляторными батареями 20НКБН-25.

Данные аккумуляторные батареи состоят из двадцати никель-кадмие­вых эле­ментов (аккумуляторов) типа VHP 260 KH-3. Каждый элемент имеет индивидуаль­ный корпус из полиамидной пластмассы. Все элементы разме­щаются в общем кор­пусе из нержавеющей стали, полностью идентичном корпусу аккумуляторной бата­реи 20НКБН-25. Электролит – раствор едкого калия (КОН) с относительной плотно­стью 1,30. Аккумуляторные батареи мо­гут эксплуатироваться при температуре ок­ружающей среды от -40С до +71С.

Номинальное напряжение при токе 90 – 100А составляет 24В. При температуре воздуха ниже -5С при проверке аккумуляторной батареи до­пускается напряжение;

22,5 В – для аккумуляторных батарей SAFT :

23 В – для аккумуляторных батарей VARTA.

Достоинства щелочных аккумуляторных батарей:

Щелочные аккумуляторы в сравнении с кислотными имеют следую­щие пре­имущества:

- меньше масса (примерно на 45 кг);

- больше удельная мощность;

- не боятся ударов;

- не боятся вибрации;

- не боятся коротких замыканий во внешней цепи;

- не боятся недозарядов и глубоких разрядов;

- хранятся в разряженном состоянии;

- имеют больший срок службы;

- проще в эксплуатации.

Щелочные аккумуляторы имеют и недостатки, из которых самый су­щественный - явление “теплового разгона”. “Тепловой разгон” возможен только в конце заряда щелочного аккумулятора от мощного источника по­стоянного тока. Он проявляется в виде резкого роста тока заряда с одновре­менным ростом температуры электролита.

Тепловой разгон возможен при наличии одновременно трех факторов:

- заряд аккумулятора от источника постоянного тока значительно бо­лее мощного, чем аккумуляторная батарея;

- заниженный уровень электролита (значительная поверхность элек­тродов и сепара­тора находятся над поверхностью электролита);

- в сепараторе над поверхностью электролита есть повреждения, че­рез которые мо­гут проникать газы, образующиеся при заряде аккумуля­тора.

Сущность явления теплового разгона

Если до включения выпрямительных устройств аккумуляторные бата­реи были ис­пользованы для запуска ВСУ, то при начале их заряда величина зарядного тока может превысить 100 А. Но величина зарядного тока очень быстро уменьшается и через 1,01,5 часа не превышает 510 А. Под конец заряда аккумулятора начинается электро­лиз воды, в которой растворена ще­лочь, на кислород и водород. Газообразный кислород образуется возле поло­жительных электродов, а водород - возле отрицательных. Если уровень элек­тролита нормальный, то образующиеся газы поднимаются из электролита не взаимодействуя с электродами (см. рис. 4.3(1) и удаляются через отверстия в проб­ках. Если уровень электролита занижен и в сепараторе над электроли­том есть повреж­дения, то через поврежденные места начинается встречное движение газов. Кислород движется к кадмиевому, отрицательному элек­троду. Водород - к положительному, из гидрата окиси никеля (см. рис. 2.3.

Водород никаких вредных воздействий на электрод не оказывает и удаляется из ак­кумулятора через отверстие в пробке. Кислород вызывает сильное окисление кадмия, что сопровождается значительным выделением тепла. При этом нагревается отрица­тельный электрод, а от него нагревается электролит, что приводит к уменьшению его электрического сопротивления, а следовательно к увеличению тока заряда уже заря­женного аккумулятора, т.е. ускорению реакции электролиза воды. В результате увели­чивается коли­чество газообразного кислорода, образующегося

+

-

+

-

(1) (2)

Н₂ О₂

Рис. 2.5. Схема движения газов в аккумуляторе при нормальном заряде (1) и при тепловом разгоне (2).

возле положительного электрода и, как следствие, проходящего через поврежденный сепаратор к отрицательному кадмиевому электроду. Проис­ходит лавинообразный рост зарядного тока и температуры. Если образую­щиеся газы не будут успевать выходить через предохранительный клапан в пробке, возможен взрыв.

Меры по предотвращению теплового разгона

Для предотвращения теплового разгона проводятся следующие меро­приятия:

1. Наземный авиационно-технический персонал АТБ должен контро­лировать внешний вид батареи, уровень электролита и, при необходимости, восстанавливать его, доливая дистиллированную воду.

2. Экипаж должен каждые 3050 мин контролировать ток заряда акку­муляторов и напряжение. Ток заряда не должен превышать 25 А, напряжение должно быть не ме­нее 24 В (напряжение контролируют, предварительно от­ключив аккумулятор).

3. На новейших отечественных и зарубежных самолётах предусмотрен автомати­зированный контроль температуры электролита в аккумуляторах. Если температура выходит за допустимые пределы, срабатывает соответст­вующая сигнализация.

Внимание. Если при проверке в полёте ток заряда или напряжение выходят за указанные пределы, неисправный аккумулятор необходимо выключить. В данном полете его можно использовать только как источ­ник электроэнергии в аварийной си­туации, то есть при отказе всех гене­раторов.