Аккумуляторная батарея — назначение и устройство

Аккумуляторная батарея, состоящая из шести свинцово-кислотных аккумуляторов, является химическим источником постоянного тока и служит для питания электрическим током приборов электрооборудования при неработающем двигателе, при пуске двигателя стартером, а также при работе двигателя на малой частоте вращения коленчатого вала.

Устройство и принцип действия простейшего аккумулятора

Простейший аккумулятор состоит из емкости с помещенными в нее двумя свинцовыми пластинами, не соприкасающимися друг с другом. В сосуд заливается электролит, состоящий из дистиллированной воды с добавлением химически чистой серной кислоты в определенной пропорции. Уровень электролита должен превышать высоту пластин, что обеспечивает полное использование их поверхности. Подготовленный таким образом аккумулятор заряжается от источника постоянного тока — генератора путем соединения одной пластины с положительным, а другой с отрицательным полюсом (рис. 156, а).





При прохождении тока через пластины и электролит (заряд) в аккумуляторе происходит процесс преобразования электрической энергии в химическую, что выражается в образовании налета активной массы на поверхности пластин. На положительной пластине образуется перекись свинца коричневого цвета, а на отрицательной — губчатый свинец серого цвета. При этом плотность электролита значительно увеличивается — аккумулятор зарядился. Напряжение заряженного аккумулятора составляет 2 В.

При включении в цепь аккумулятора какого-либо потребителя (лампы) происходит обратный процесс превращения химической энергии в электрическую, и аккумулятор постепенно разряжается. При этом активная масса на той и другой пластинах превращается в сернокислый свинец (рис. 156, б), а плотность электролита уменьшается. После полного разряда аккумулятор снова заряжается и работоспособность его восстанавливается.

Для увеличения емкости аккумулятора (запаса электроэнергии) в нем устанавливают большое количество решетчатых пластин, заполненных активной массой и составляющих два полублока (рис. 156, в). При этом для изоляции между положительными и отрицательными пластинами устанавливаются сепараторы 4.

Аккумуляторная батарея состоит из шести свинцово-кислотных двухвольтовых аккумуляторов, соединенных между собой последовательно, что обеспечивает получение в электрической цепи рабочего напряжения 12 В, необходимого для питания всех потребителей на автомобиле.

Устройство аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея имеет полипропиленовый полупрозрачный корпус 1 (рис. 157), разделенный перегородками на шесть отсеков, представляющих собой отдельные аккумуляторы. Сверху аккумуляторы закрыты общей полипропиленовой крышкой 2, приваренной к корпусу ультразвуковой сваркой. В крышке имеются отверстия для заливки электролита в каждый аккумулятор и для прохода двух полюсных выводов батареи (плюсового и минусового).





Каждый аккумулятор состоит из двух полублоков чередующихся пластин: положительных 9 и отрицательных 10. Пластины одинаковой полярности приварены к межэлементным соединениям (борнам) 4, которые служат для крепления пластин и выводов тока и соединяют аккумуляторы батареи между собой. Решетки пластин отлиты из сплава свинца с добавлением кальция и сурьмы, что замедляет процесс разложения электролита и саморазряд аккумуляторов.

Для увеличения емкости в решетку пластин впрессовывают активную массу, приготовленную на водном растворе серной кислоты из окислов свинца — свинцового сурика (Pb₃O₄) и свинцового глета (PbO) — для положительных пластин и свинцового порошка — для отрицательных пластин. Одноименные пластины соединяются в полублоки, заканчивающиеся выводными полюсными штырями. Полублоки с положительными и отрицательными пластинами собирают в блок таким образом, что положительные пластины располагаются между отрицательными, поэтому последних обычно на одну больше. Это позволяет лучше использовать двустороннюю активную массу крайних положительных пластин и предохраняет их от коробления и разрушения.



Положительные пластины аккумулятора помещаются в сепараторы 8, изготовленные в виде конвертов из тонкого пластикового микропористого материала. Это исключает их короткое замыкание отрицательными пластинами, а малая толщина и большая пористость сепараторов облегчают прохождение через них электролита, снижают внутреннее сопротивление и обеспечивают получение разрядного тока большой силы. Кроме того, это исключает короткое замыкание пластин выпадающей активной массой, позволяет устанавливать блоки пластин непосредственно на днище бака без ребер и значительно увеличить объем электролита над пластинами и тем самым увеличить срок доливки дистиллированной воды при эксплуатации автомобиля.

Для облегчения проверки уровня электролита в каждом аккумуляторе у заливных отверстий снизу имеются трубчатые индикаторы (тубусы) 7. Нижний срез индикатора находится на требуемой высоте от уровня пластин. При нормальном уровне поверхность электролита образует четко видимый через наливное отверстие мениск (эллипс). Кроме того, на полупрозрачном пластмассовом корпусе аккумуляторной батареи могут быть метки «MIN» и «МАХ», между которыми должен находиться уровень электролита.

Полублоки положительных 9 и отрицательных 10 пластин отдельных аккумуляторов соединены между собой межэлементными соединениями, проходящими через пластмассовые перегородки, и соединяются соответственно с положительным 3 и отрицательным 5 выводами батареи.

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



На верхней поверхности батареи расположены отверстия для заливки электролита в каждый аккумулятор батареи, закрываемые пробками 6. Пробки имеют вентиляционные отверстия для выхода газов, образующихся в процессе работы батареи. У новых незалитых батарей вентиляционные отверстия закрыты специальными герметизирующими приливами, которые при заливке в батарею электролита удаляются (срезаются).

Электролит, заливаемый в аккумуляторную батарею, представляет собой раствор химически чистой аккумуляторной кислоты с дистиллированной водой. Для предотвращения замерзания электролита при эксплуатации аккумуляторной батареи в зимних условиях плотность регламентируется в зависимости от климатических условий эксплуатации (см. табл. 13).

Технические характеристики и свойства аккумуляторной батареи

Важнейшей технической характеристикой аккумуляторной батареи является ее емкость, которая характеризует способность батареи отдавать электроэнергию.

Номинальная емкость (С₂₀) аккумуляторной батареи — это количество электричества в ампер-часах (А·ч), которое способна отдать полностью заряженная батарея при непрерывном 20-часовом разряде с постоянной силой тока в амперах (А), численно равной 0,05 С₂₀ при температуре 25°C до напряжения на выводах батареи U_K=10,5 В.

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



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

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

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

Режим разряда батареи характеризуется силой разрядного тока и его прерывностью. Чем больше разрядный ток, тем меньше емкость аккумуляторной батареи. Например, если емкость батареи 6 СТ-55А при разряде ее током 2,75 А при температуре электролита 25°C составляет С=55 А·ч (номинальная емкость), то при разряде током 250 А (4,6 С₂₀) емкость снижается более чем в 2 раза и составляет 22 А·ч (примерно 40% от С₂₀). Емкость, отдаваемая аккумуляторной батареей при прерывистых разрядах, значительно превышает емкость при непрерывном разряде, что особенно важно учитывать при стартерном режиме разряда, когда величина разрядного тока очень высока (примерно 2-5 С₂₀).



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

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

Напряжение батареи — это разность потенциалов на ее полюсных выводах в процессе заряда или разряда (при наличии тока во внешней цепи). Данная характеристика используется при оценке пусковых качеств батареи.

Для оценки пусковых качеств аккумуляторной батареи применяют следующие основные характеристики стартерного разряда, измеряемые при температуре электролита -18°C: сила разрядного тока в А, напряжение в начале разряда в В (измеряется на батареях с пластмассовым корпусом на 30-й секунде стартерного разряда), время разряда в мин (измеряется при разряде током, численно равным 3С₂₀ до снижения напряжения батареи до 6 В).

Саморазряд аккумуляторной батареи является чрезвычайно важным ее свойством, которое необходимо учитывать для правильной эксплуатации батареи и продления срока ее службы. Саморазрядом называют самопроизвольное снижение емкости аккумуляторной батареи при отключенных от нее потребителях, т. е. при ее бездействии. Обычно саморазряд батареи не превышает 1% в сутки, такой саморазряд называют естественным. При более высоком (более 1% в сутки) значении саморазряда, он считается ускоренным и это свидетельствует о неисправности батареи. На скорость саморазряда батареи оказывает влияние плотность и температура электролита, отсутствие примесей в электролите и доливаемой в него воде, загрязненность аккумуляторной батареи снаружи, а также срок ее эксплуатации. Скорость саморазряда батареи при повытении плотности электролита и его температуры увеличивается, причем особенно интенсивно с увеличением срока ее службы. При отрицательных температурах саморазряд аккумуляторных батарей резко уменьшается, поэтому хранить их лучше при низких (до -30°C) температурах в заряженном состоянии.

Маркировка отечественных аккумуляторных батарей

Маркировка отечественных аккумуляторных батарей состоит из цифр и букв, расположенных в следующем порядке:

• цифра, указывающая количество последовательно соединенных 2-вольтовых аккумуляторов в батарее и обозначающая таким образом ее номинальное напряжение (6 или 3 для аккумуляторных батарей напряжением соответственно 12 или 6 В);
• буква, обозначающая тип применяемой в аккумуляторной батарее электрохимической системы (С-свинцовая);
• буква, обозначающая назначение аккумуляторной батареи (Т — стартерная, т. е. обеспечивающая получение высоких разрядных токов, необходимых для пуска двигателя автомобиля стартером);
• число, отделенное от предыдущей части обозначения дефисом (черточкой) и указывающее номинальную емкость аккумуляторной батареи в ампер-часах (А·ч);
• буквы, обозначающие материал и конструктивное исполнение корпуса батареи (Э — эбонитовый, Т — из термопластичной пластмассы, А — пластмассовый с общей крышкой), материал сепараторов (М — мипласт, Р — мипор), необходимость заливки электролита и заряда батареи (3 — залитая и заряженная, Н — несухозаряженная, Л — необслуживаемая).

Например, марка батареи 6СТ-55АЗЛ означает, что батарея состоит из шести последовательно соединенных 2-вольтовых аккумуляторов (следовательно, ее напряжение 12 В) со свинцовой электрохимической системой (буква С). Батарея предназначена для стартерного пуска двигателя (буква Т) и имеет номинальную емкость 55 А·ч. Батарея имеет пластмассовый корпус с общей крышкой (буква А), залита электролитом и заряжена (буква 3) и является необслуживаемой (буква Л). Термин «необслуживаемая» является условным, поскольку обслуживать такие батареи все же нужно, хотя и в значительно меньшем объеме. Буква Л в маркировке может отсутствовать (например, 6СТ-55А, 6СТ-66А и т.д.). В настоящее время аккумуляторные батареи производятся в основном в необслуживаемом исполнении и в продажу поступают обычно залитые электролитом и заряженные.

Применение аккумуляторных батарей

Изучаемые автомобили комплектуются необслуживаемыми аккумуляторными батареями марок 6СТ-44А (ЗАЗ-1102) и 6СТ-55А (остальные автомобили). Вместо указанных отечественных аккумуляторных батарей могут устанавливаться импортные батареи с соответствующей номинальной емкостью. При установке на автомобиль батареи большей емкости, чем рекомендовано заводом-изготовителем, возможен ее недозаряд на автомомбиле, а при установке батареи с меньшей емкостью — ее перезаряд. Соответственно в первом случае потребуется более частая подзарядка батареи, а во втором — может резко снизиться срок ее службы, а также могут возникнуть затруднения при пуске холодного двигателя при низких температурах.

Аккумуляторные батареи устанавливаются на специальной площадке в моторном отсеке и крепятся при помощи двух резьбовых стяжек с установленной сверху на батарею планкой (автомобили АЗЛК-2141, -21412 и ИЖ-21251) либо крепятся за выступы в нижней части корпуса с помощью кронштейнов 12 (см. рис. 157) и болтов (остальные автомобили).