Исследование конструктивных особенностей свинцовых стартерных аккумуляторных батарей

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

1. Цель работы:

Изучение устройства и принципа работы свинцовых стартерных аккумуляторных батарей. Определение необ­ходимого количества пластин заданного типа аккумуля­торных батарей.

2. Краткие сведения

Аккумуляторные батареи на автомобилях, тракторах предназначены для питания электроэнергией стартера при пуске двигателя внутреннего сгорания и других потребите­лей, когда генератор не работает или не развивает доста­точной мощности.

Разрядные токи аккумуляторных батарей при пуске двигателя стартером составляют 100...1000 А в зависимо­сти от мощности стартера и температуры пуска. С пониже­нием температуры пуска и увеличением мощности стар­тера, потребляемые стартером токи увеличиваются. По­этому на автомобилях и тракторах в настоящее время при­меняются стартерные аккумуляторные батареи, способные отдавать токи большой силы при пуске двигателя старте­ром вследствие малого внутреннего сопротивления акку­муляторнойбатареи.

Свинцовый аккумулятор представляет собой обра­тимый электрический источник тока, в котором при раз­ряде его химическая энергия активных масс превращается в электрическую энергию, и при заряде химическая энер­гия восстанавливается путем подвода энергии от внешнего источника (например, генератора). Окислительно-восста­новительные электрохимические реакции повторяются многократно в процессе срока службы свинцового аккуму­лятора.

Активными массами заряженного свинцового акку­мулятора вступающими в процесс токообразования, явля­ются двуокись свинца (темно-коричневого цвета) на поло­жительной пластине, губчатый свинец Рb (темно-серого цвета) на отрицательной пластине и электролит-водный раствор серной кислоты, в который помещены пластины.

В процессе разряда свинцового аккумулятора актив­ные массы положительной и отрицательной пластин пре­образуются в сернокислый свинец PbSO₄. В электролите, при разряде расходуются ионы сульфата SO₄, плотность электролита уменьшается от начальных значений (1,25 ... 1,31)∙10³ кг/м³, до конечных (1,09 ... 1,15)∙10³ кг/м³. Расход серной кислоты в процессе разряда больше около положи­тельной пластины.

В процессе заряда под влиянием тока от внешнего источника электроэнергии на пластинах происходят обрат­ные процессы восстановления активных масс: сульфат свинца PbSO₄ на положительной пластине преобразуется в двуокись свинца РbО₂, а на отрицательной пластине – в губчатый свинец Рb. Плотность электролита при этом повы­шается от (1,09 ... 1,15)∙10³ кг/м² до (1,25 ... 1,31)∙10³ кг/м³ из - за освобождения ионов сульфата SO₄^- при разложении сульфата свинца PbSO₄.

После полного преобразования активных масс поло­жительной и отрицательной пластин плотность электролита перестает повышаться, что служит признаком конца заряда аккумулятора. При дальнейшем заряде (переразряде) проис­ходит разложение воды на кислород и водород, характери­зующееся появлением на поверхности электролита газовых пузырьков, так называемое «кипение» электролита.

Окислительно-восстановительные реакции, происхо­дящие в свинцовом аккумуляторе при разряде и заряде, со­гласно теории двойной сульфатации могут быть упрощенно представлены в виде следующего уравнения:

РbО₂ + Рb + 2Н₂SO₄ = PbSO₄ + 2H₂О

При чтении слева направо уравнение, описывает про­цесс разряда, а справа на лево процесс заряда.

Окислительно-восстановительные реакции происхо­дят на границе раздела активных веществ пластин и электро­лита. Для увеличения граничной поверхности и облегчения доступа электролита пластины свинцового аккумулятора вы­полняются пористыми. При наличии пор электролит превы­шает примерно в 2000 раз видимую поверхность пластин, но при пористых пластинах плотность электролита в простран­стве между пластинами отличается от плотности его в глубине пор, особенно при стартерном разряде ак­кумулятора, в результате чего ухудшается протекание электрохимических процессов в аккумуляторе.

Основными электрическими характеристиками стар­терных свинцовых аккумуляторных батарей являются электродвижущая сила, напряжение и ёмкость.

Электродвижущей силой аккумулятора называется разность потенциалов положительной и отрицательной пластин при разомкнутой внешней цепи. ЭДС полностью заряженного свинцового аккумулятора составляет около 2,1 В. ЭДС аккумуляторной батареи, состоящей из не­скольких последовательно соединенных аккумуляторов, равна сумме ЭДС аккумуляторов.

Напряжение аккумуляторной батареи при разряде меньше её ЭДС на величину внутреннего падения напря­жения, обусловленного в основном сопротивлением пла­стин, электролита, сепараторов и других токоведущих де­талей.

Ёмкостью аккумулятора называется количество электричества выраженное в ампер - часах, получаемое от аккумулятора при разряде его до допустимого напряжения. При последовательном соединении аккумуляторов одина­ковой емкости емкость аккумуляторной батареи равна ем­кости одного аккумулятора.

Емкость аккумулятора зависит от количества актив­ных веществ и коэффициента их использования, а также от величины разрядного тока, температуры разряда, конст­рукции пластин, их пористости и т. д.

Теоретически необходимое количество активных веществ на один ампер-час емкости составляет 4,46 г дву­окиси свинца РbО₂, 3,87 г губчатого свинца Рb и 3,66 г серной кислоты H₂SO₄. В действительности из-за недоис­пользования активных веществ в аккумуляторе расход их превышает более чем в 2 раза приведенные теоретические значения. При одинаковой конструкции и размерах пла­стин емкость аккумулятора пропорциональна числу пла­стин.

С повышением тока разряда и понижением темпера­туры емкость аккумулятора уменьшается (особенно резко при стартерном разряде и температуре электролита ниже 0°С).

Так как мощность аккумулятора зависит от многих факторов, то в технических характеристиках стартерных свинцовых аккумуляторных батарей указывается номи­нальная емкость при 20-часовом режиме разряда и про­должительность стартерного разряда.

Номинальная емкость - это количество электриче­ства, выраженное в ампер-часах, получаемое при непре­рывном разряде полностью заряженной батареи при тем­пературе +25 °С током 0,05 С₂₀ (С₂₀ - номинальная емкость, указанная в условном обозначениибатареи) до достижения конечного напряжения на полюсных выводах 5,25 В у 6-вольтовой батареи и 10,5 В у 12-вольтовой батареи.

Свинцовая стартерная аккумуляторная батарея но­минальным напряжением 6 или 12 В представляет собой совокупность последовательно соединенных трех или шести аккумуляторов, размещенных в едином баке - моно­блоке. При номинальном напряжении 24 В используются две 12-вольтовые аккумуляторные батареи, соединенные последовательно.

Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи со­стоят из следующих деталей и узлов:

• моноблока;

• крышек и общей крышки;

• полублоков положительных пластин;

• полублоков отрицательных пластин;

• сепараторов;

• перемычек;

• пробок;

• полюсных выводов.

Моноблок 1 (рис. 1.1 и рис. 1.2) представляют собой со­суд с внутренними перегородками, делящими его на ячейки по числу аккумуляторов. На дне ячеек моноблока имеются 4 призмы, на которые опираются пластины и се­параторы. Пространство между призмами служит для пре­дотвращения замыкания разноименных пластин шламом - оплывающей в процессе работы активной массы пластин. Моноблоки перспективных батарей (рис. 1.2) имеют вы­ступы на нижней части для крепления аккумуляторной ба­тареи на автомобиле.

Материалами для изготовления моноблоков явля­ются эбонит и термопластичные материалы (полипропи­лен, полиэтилен, поликарбонат).Применение пластмасс благодаря их низкому удельному весу, жесткости, твердо­сти и износостойкости позволило снизить толщину стенок и перегородок моноблока,что улучшает массо-габаритные характеристики аккумуляторных батарей.

Каждая ячейка моноблока закрывается сверху крышкой 5 с двумя отверстиями со свинцовыми втулками и заливочной горловиной и пробкой 3 (рис. 1.1). Герметиза­ция батареи осуществляется при этом с помощью битум­ной мастики, заполняющей стыки крышек и моноблока. Данный способ герметизации затрудняет механизацию технологического процесса сборки батареи и недостаточно надёжен при резких температурах.

При применении общей крышки 5 на моноблоке (рис. 1.1) герметизация батареи осуществляется контактно - тепловой сваркой или склеиванием моноблока с крышкой, что более технологично, но батарея при заданном, способе является неремонтноспособной. Использование общей крышки позволяет также облегчить техническое обслужи­вание батареи.

Крышки изготовляются из эбонита или термопла­стичных материалов.

Заливочные горловины крышек закрываются резь­бовыми пробками 3 (рис. 1.1), имеющими вентиляционные отверстия для выхода газов из аккумулятора. Для предот­вращения выплескивания электролита в пробке установлен отражатель, а на корпус пробки надевается резиновая шайба, обеспечивающая плотное прилегание пробки 3 к крышке 5.

В новых конструкциях аккумуляторных батарей применяются безрезьбовые пробки 3, прижимающиеся к крышке с помощью планки 11 (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Свинцовая стар­терная аккумуля­торная батарея:

1 - моно­блок; 2 - полублок отрицательных пластин; 3 - пробка; 4 - пере­мычка; 5 - крышка; б - полюсный вы­вод; 7 - сепаратор; 8 - борн; 9 - мос­тик; 10 - полублок положительных пластин.

Пробки изготавливаются из эбонита или полиэти­лена. В каждой ячейке моноблока размещен блок пластин, состоящий из полублока положительных пластин 10 и по­лублока отрицательных пластин 2, разделенных сепарато­рами 7. Полублок пластин состоит из пластин одной по­лярности, соединенных мостиком 9 с определенными зазо­рами между пластинами. К мостику 9 приварен борн 8, служащий наружным токоотводом. Борн 8 проходит через отверстие со свинцовой втулкой в крышке 5 (рис. 1.1).

Мостики и борны изготавливаются из свинца, для уменьшения сопротивления борны иногда имеют залитые в корпус медные стержни.

Пластина каждой полярности состоит из активной массы и решетки, которая служит токоотводом и удер­живает основную активную массу. В верхней части решетка имеет токоотводящее ушко, а в нижней - две ножки, которыми пластина опирается на соответствующие призмы моноблока. Решетки пластин изготовляются из свинцово-сурьмистого или свинцово кальциевого сплава.

Полублок отрицательных пластин, как правило, со­держит большее на единицу количество пластин по срав­нению с полублоком положительных пластин для более равномерного износа и уменьшения коробления положи­тельных пластин. Отрицательные пластины имеют мень­шую толщину по сравнению с положительными. Крайние к стенкам ячейки отрицательные пластины выполняются чаще всего тоньше остальных, так как в реакциях участ­вуют только стороны пластин, обращенные к положитель­ным пластинам.

Сепараторы 7 (рис. 1), расположенные между пла­стинами, служат для предотвращения замыкания пластин разной полярности и представляют собой тонкие листы из пористого кислотостойкого материала: микропористой ре­зины (мипор) или микропористой пластмассы (мипласт, поровинил, винипор). Сепараторы имеют продольные ребра со стороны, обращенной к положительным пласти­нам, для улучшения доступа электролита к ним. Иногда к основному сепаратору из мипора или мипласта добавляют сепаратор изстекловолокна, пропитанного связующим компаундом, устанавливаемыйсо стороны положительной пластины. Установка дополнительною сепаратора уменьшает количество активной массы положительных пластин, являющейся од­ной из причин выхода из строя свинцовых аккумуляторных батарей.

В перспективной конструкции свинцовой аккумуля­торной батареи сепаратор 7 изготовлен в виде конверта, внутрь которого вставляется положительная пластина (рис. 1.2). Активная масса положительной пластины, сплывая при эксплуатации батареи, остается внутри конверта, тем са­мым устраняется возможность короткого замыкания раз­ноименных пластин. При данной конструкции возможно уменьшение шламового пространства на дне моноблока, что увеличивает уровень электролита над пластинами и уменьшает необходимость доливки дистиллированной воды в аккумуляторы.

Сверху над сепараторами устанавливается пластмас­совый перфорированный предохранительный щиток для защиты верхних кромок сепараторов от механических по­врежденийпри техническом обслуживании.

Соединение аккумуляторов в батарее осуществля­ется перемычками 4, которые помещаются на верхней части крышек 5 и свариваются с проходящими сквозь от­верстия в крышках борнами 8 (рис. 1.1). В перемычки иногда вставляют медные планки для уменьшения их сопротивле­ния.

В перспективной конструкции свинцовой аккумуля­торной батареи (рис. 1.2) соединение полублоков пластин аккумуляторов осуществляется путем сварки укороченных борнов, проходящих через отверстие в перегородке моно­блока. Применение укороченных перемычек 4 позволяет сократить расход свинца, из которого изготавливаются пе­ремычки и борны, а также снизить внутренне сопротивле­ние батареи, что особенно важно для стартерного разряда.

К борнам крайних аккумуляторов ля подключения аккумуляторной батареи в цепь привариваются конусные полюсные выводы 6, имеющие маркировку «+» или «-» на выводах или на крышке около полюсных выводов.

Каждый тип стартерной аккумуляторной батареи имеет условное обозначение, которое наносится на моно­блоке, крышке или перемычке.

В условном обозначении батареи первая цифра оп­ределяет количество последовательно соединённых акку­муляторов (3 или 6), характеризующее ее номинальное на­пряжение (6 или 12 В). Последующие в обозначении буквы - СТ указывают назначение батареи - стартерная.

Далее в обозначении батареи приведена номиналь­ная ёмкость батареи при 20 - часовом режиме разряда.

После обозначения номинальной емкости ставятся буквы, характеризующие материал моноблока (Э - эбонит, Т - термопластмасса: полиэтилен, полипропилен и т. д.), затем - материал сепараторов (М - мипласт, Р - мипор, МС - мипласт со стекловолокном, PC - мипор со стекловолок­ном).

Для отдельных батарей, выпускаемым по специаль­ным техническим условиям или опытных, условное обо­значение может включать некоторые другие показатели (например, ток стартерного разряда), а также дополнитель­ные буквы в обозначении, определяющие конструктивные особенности батарей.

Рис. 1.2. Перспективная свинцовая стартерная акку­муляторная батарея:

1 - моноблок; 2 - полублок отрицательных пластин; 3 - пробка; 4 - перемычка; 5 - крышка; 6 - полюсный вывод; 7 - сепаратор; 8 - борн; 9 - мостик; 10 - полублок положи­тельных пластин.

3. Учебные пособия, приспособления и инстру­менты

3.1. Учебные плакаты, стенды с разрезами аккумуляторов, отдельные узлы и детали стартерных свинцовых аккумуляторных батарей.

3.2. Инструмент мерительный (линейка, штангенциркуль).

4. Порядок проведения работы

4.1. Изучить принцип работы и химические реак­ции: в свинцовом аккумуляторе при разряде и заряде, озна­комиться с основными электрическими характеристиками свинцового аккумулятора.

4.2. Изучить устройство свинцовой стартерной ак­кумуляторнойбатареи, отмечая при этом конструктивные особенности стартерных батарей.

4.3. Выполнить эскизы моноблока, пластин, сепара­торов, крышки, пробки, перемычки и полюсных выводов.

4.4. Измерить и обозначить на эскизах длину, ши­рину и толщину положительных и отрицательных пластин, сепараторов. Дать заключение о соотношении размеров пластин и сепараторов.

4.5. Измерить и обозначить на эскизах размеры по­люсных выводов.

4.6. Зарисовать схему соединения аккумуляторов в изучаемой аккумуляторной батарее. Указать другие воз­можные схемы соединения аккумуляторов в батареях для получения необходимого номинального напряжения или необходимой емкости.

4.7. Определить количество положительных и отрицательных пластин в полублоках изучаемого ак­кумулятора. Разобраться в причине использования большого количества отрицательных пластин.

4.8. Рассчитать долю номинальной емкости батареи. Приходящуюся на одну положительную пластину в акку­муляторе.

4.9. Ознакомиться с условными обозначениями свинцовых стартерных аккумуляторных батарей. По ус­ловному обозначению изучаемой аккумуляторной батареи определить назначение и основные технические характери­стики батареи.

5. Содержание отчета

5.1. Тип аккумуляторнойбатареи и её техническая характеристика.

5.2. Краткое описание принципа работы и химиче­ские реакции в свинцовом аккумуляторе при разряде и за­ряде.

5.3. Краткое описание устройства свинцовых стар­терных аккумуляторных батарей (по узлам и деталям, указывая назначение, технические требования, конст­руктивные особенности и применяемые материалы.

5.4. Эскизы моноблока, пластин, сепаратора, крышки, пробки, перемычки и полюсных выводов с указа­нием основных размеров пластин, сепараторов и полюсных выводов.

5.5. Схема соединения аккумуляторов в изучаемой аккумуляторной батарее.

6. Контрольные вопросы

6.1. Из каких основных узлов и деталей состоит свинцовая стартерная аккумуляторная батарея?

6.2. Каковы значения плотности электролита в за­ряженном и разряженном свинцовом аккумуляторе?

6.3. Каков состав активных масс в заряженном и разряженном свинцовом аккумуляторе?

6.4. Каковы значения, технические требования и конструктивные особенности моноблока аккумуляторной батареи?

6.5. Какой тип пластин применяется в свинцовом аккумуляторе? Каково соотношение количества положи­тельных к отрицательным пластинам в аккумуляторе?

6.6. Каково назначение сепараторов и из каких ма­териалов они изготовляется? Какими пластинам обращены сепараторы своей ребристой поверхностью и почему?

6.7. Каковы конструктивные особенности крышек свинцовых аккумуляторной батареи?

6.8. Каковы конструктивные особенности свинцо­вой стартерной аккумуляторной батареи, направленные на уменьшение внутреннего сопротивления батареи?

6.9. Что такое номинальная емкость батареи?

6.10. Как расшифровывается условное обозначение свинцовой стартерной аккумуляторной батареи?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2