Курзуков н.и., ягнятинский в.м.

Курзуков Н.И., Ягнятинский В.М.

СТАРТЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

Основы устройства, эксплуатация и обслуживание

СОДЕРЖАНИЕ:

От издателя

ПРЕДИСЛОВИЕРЕДИСЛОВИЕ

1 Основные этапы развития свинцовых аккумуляторных батарей

2 Назначение стартерных аккумуляторных батарей

3 Принцип действия, устройство и основные характеристики свинцовых

аккумуляторных батарей

3.1 Теоретические основы преобразования химической энергии в электрическую

3.2 Принцип действия и основные электрохимические процессы в свинцовом

аккумуляторе

3.2.1 Разряд аккумулятора

3.2.2 Заряд аккумулятора

3.2.3 Расход основных токообразующих реагентов

3.3 Современная классификация аккумуляторных батарей и их устройство

3.3.1 Батареи открытые (вентилируемые)

3.3.2 батареи нормального исполнения (N)

3.3.3 батареи с малым расходом воды (L)

3.3.4 батареи с очень малым расходом воды (VL)

3.3.5 Батареи закрытого вида с регулирующим клапаном (VRLA)

3.4. Условное обозначение и маркировка свинцовых стартерных аккумуляторных

батарей

3.5 Электрические характеристики аккумуляторных батарей

3.5.1 Электродвижущая сила

3.5.2 Внутреннее сопротивление

3.5.3 Напряжение при заряде и разряде

3.5.4 Ёмкость аккумуляторной батареи

3.5.5 Энергия и мощность аккумуляторной батареи

3.5.6 Саморазряд аккумуляторной батареи

3.5.7 Характеристики стартерного разряда аккумуляторных батарей

3.5.8 Расход воды в аккумуляторной батарее

3.6 Выбор батареи для замены изношенной

Подготовка аккумуляторных батарей к эксплуатации

4.1транспортировка аккумуляторных батарей

4.2 Хранение сухозаряженных батарей

4.3 Приведение аккумуляторных батарей в рабочее состояние

4.4 Хранение ранее залитых электролитом и заряженных батарей

4.5 Методы заряда свинцовых аккумуляторных батарей

4.5.1 Заряд при постоянстве тока

4.5.2 Заряд при постоянстве напряжения

4.5.3 Модифицированный заряд

Эксплуатация и обслуживание

5.1Влияние условий эксплуатации на работоспособность и срок службы

автомобильныхстартерныхаккумуляторных батарей

5.2 Требования к местам установки автомобильныхстартерныхаккумуляторных

батарей

5.3 Влияние основных изделий электрооборудования автомобиля на состояние

аккумуляторной батареи

5.3.1 Регулятор напряжения генератора и заряженность стартерной аккумуляторной

батареи

5.3.2 Стартерная аккумуляторная батарея на автомобиле не заряжается полностью

5.3.3 Возможные дефекты стартера на автомобиле

5.4 Виды дефектов в стартерных батареях

5.4.1 Производственные дефекты

5.4.2 Дефекты, возникающие по причине ускоренного износа

5.4.3 Изменение свойств аккумуляторной батареи вследствие естественного старения

5.4.4 Мнимые неисправности аккумуляторных батарей

5.4.5 Методы обнаружения дефектов

5.5 Разрядная вольтамперная характеристика аккумуляторной батареи

5.6 Гарантия, ресурс и срок службы аккумуляторных батарей в эксплуатации

5.6.1 Что такое гарантийный срок на аккумуляторную батарею

5.6.2 Ресурс работы аккумуляторной батареи

5.6.3 Фактический срок службы аккумуляторной батареи в эксплуатации

5.6.4 Как можно продлить ресурс аккумуляторной батареи

5.7. Зимняя эксплуатация аккумуляторной батареи

5.8 Порядок проверки работоспособности аккумуляторной батареи

5.8.1. Измерение НРЦ и плотности электролита в аккумуляторной батарее

5.8.2. Проверка напряжения на выводах аккумуляторной батареи при работающем

двигателе

5.8.3. Проверка на наличие «утечек» тока в системе электрооборудования автомобиля

6 Общие положения

6.1 Приборы и оборудование, необходимые для технического обслуживания

аккумуляторной батареи

6.2 Меры безопасности при работе с аккумуляторными батареями

6.2.1 Общие меры безопасности

6.2.2 О причинах взрыва аккумуляторной батареи

6.3 Стартерные батареи без пробок с индикатором

6.4 Почему нельзя переворачивать аккумуляторную батарею и сливать электролит

6.5 Лёд в батарее – причины и последствия

6.6 Порядок выбора аккумуляторной батареи при покупке

6.7 Пожар на автомобиле

6.8 Основные режимы испытания стартерных батарей на соответствие требованиям,

указанным производителем (только для новых батарей)

6.9 Вопросы, вопросы, вопросы …

7 Словарь специальных терминов

ОТ ИЗДАТЕЛЯ

Ну вот, уважаемые читатели, вы держите в руках вторую книгу об автомобильных аккумуляторах, подготовленную к печати нашей компанией. Книгу, которая давно была обещана и, наконец, выходит в свет. Она вобрала в себя бесценный научный и практический опыт, по крупицам собранный двумя ведущими специалистами отрасли, генеральным директором научно-исследовательского института стартерных аккумуляторов, Владимиром Матвеевичем Ягнятинским, и заведующим лабораторией кафедры динамических испытаний института автомобильной электроники, Николаем Ивановичем Курзуковым. Мне выпала честь работать с ними и я, как издатель, хочу от души поблагодарить их за ту колоссальную работу, которую они проделали, за высочайший профессионализм и за преданность своему делу. Все ранее выходившие из под их пера книги тоже были ценны, актуальны и своевременны. Они, как ступени лестницы, вели к этому изданию. Когда-то и оно устареет, – вечного ничего нет, но на сегодняшний день издания лучше и полнее вы просто не найдёте.

Справедливости ради надо отметить, что литературы, касающейся темы аккумуляторов, на российском книжном рынке крайне мало, а изданий такого класса нет вообще. Кем бы вы ни были, но раз вы взяли эту книгу в руки, мы все потрудились не зря. Хочется верить, что она станет вам незаменимым подспорьем и помощником в вашей работе.

Всех вам благ и успехов в работе!

Директор ООО «Никкель», Анатолий Каплаух.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Надёжная и долговечная стартерная аккумуляторная батарея, работоспособная в различных климатических условиях, и не требующая большого внимания от водителя – вот основная задача, над решением которой постоянно работают все прогрессивные производители аккумуляторов. На реше­ние этой задачи направлены основные исследования и новые разработки, которые в настоящее время появляются на потребительском рынке.

Не имея цели подробно рассмотреть все вопросы, связанные с конструкцией, режимами применения и их влиянием на состояние заряженности и надёжность работы стартерной аккумуляторной батареи на автомо­биле, в книге приводятся наиболее общие сведения о принципе действия, особенностях конструкции некоторых разновидностей аккумуляторных батарей, влиянии различных факторов на их работоспособность и долговечность.

При подготовке этой книги авторы исходили из положения, что современные аккумулятор­ные батареи являются неремонтопригодными. Не претендуя на полноту освещения всех вопросов, касаю­щихся стартерных батарей, сделана попытка раскрыть нашим читателям те свойства и особенно­сти батарей, которые позволят максимально использовать заложенный в них потенциал работоспособности и долговечности. Отдельные вопросы освещены для более глубокого понима­ния автомобилистами связи параметров электрооборудования, режима и условий работы автомо­биля с текущим состоянием аккумуляторной батареи, а так же его влиянием на срок её службы в данных условиях. В книге также приведены аналитические материалы по результатам работы стартерных батарей (в том числе самых современных) на автомобилях различного назначения.

Кроме того, в книгу включена информация о новом Российском Государственном стандарте ГОСТ Р 53165-2008, который вступил в действие на территории Российской Федерации с 01.07.2009 г. и общая информация по среднесрочному техническому прогнозу развития рынка автомобильной техники и связанными с ним изменениями рынка аккумуляторных батарей для автомобильной техники. Даны также некоторые практические советы, следование которым позволит обеспечить надёжную и безотказную работу аккумуляторной батареи на автомобиле и достичь максимально возможного срока её эксплуатации. Мы надеемся, что приведённая ниже информация будет интересна и полезна как автолюбителям, интересующимся вопросами безопасной и безотказной эксплуатации своих автомобилей, так и специалистам, связанным по роду своей деятельности с реализацией, сервисом и эксплуатацией автомобильных аккумуляторных батарей в различных регионах страны.

АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В

ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

При погружении электродов из металлов или их окислов в раствор электролита возникает электрический потенциал, который определяется электрохимическими свойствами данного материала в этом электролите. Если в один и тот же электролит поместить электроды из различных материалов, то их электрические потенциалы будут различаться. Разность потенциалов между электродами из различных материалов, помещённых в один и тот же электролит (при отсутствии тока во внешней цепи) и находящихся в равновесном стационарном состоянии, называется «электродвижущей силой» (ЭДС). В технической литературе для характеристики напряжения химических источников тока при разомкнутой цепи чаще применяют термин «напряжение разомкнутой цепи» (НРЦ), который характеризует величину разности потенциалов при отсутствии тока во внешней цепи, как в равновесном, так и в неравновесном состоянии (при протекании переходных процессов, связанных с выравниванием градиентов концентрации после выключения тока).

Для получения электрического тока необходимо соединить между собой разноименные электроды при помощи внешнего электрического проводника, сохранив пространственное разделение электродов в электролите.

Химическим источником тока (ХИТ) называется устройство, в котором за счёт протекания пространственно разделённых окислительно-восстановительных химических реакций их свобод­ная энергия преобразуется в электрическую энергию.

Для обозначения напряжения химических источников тока используется приближенное значение разности потенциалов между электродами, характеризующее данную электрохимическую систему, которое согласно принятой в научно-технической литературе (в том числе в международных стандартах, – документ МЭК 60050-482), называется номинальным напряжением. Для химических источников тока свинцово-кислотной системы номинальное напряжение принято считать равным 2,0 В.

По характеру работы химические источники тока делятся на две группы:

- первичные ХИТ – гальванические элементы;

- вторичные ХИТ – электрические аккумуляторы.

Первичные химические источники тока допускают только однократное использование, так как вещества, образую­щиеся при их разряде, не могут быть превращены в исходные активные материалы. Полностью разряженный гальванический элемент, как правило, к дальнейшей работе непригоден. Это говорит о том, что гальванический элемент яв­ляется необратимым источником энергии.

Вторичные химические источники тока являются обратимыми источниками энергии. Это означает, что после какого угодно глубокого разряда, их работоспособность можно полностью восстановить путём заряда. Для этого через вторичный химический источник тока достаточно пропустить электрический ток, в направлении обратном тому, в котором проте­кал ток при его разряде. При этом вещества, образовавшиеся при разряде, в процессе заряда пре­вратятся в первоначальные активные материалы. Таким образом, во вторичных химических источниках тока (аккумулято­рах) происходит многократное превращение свободной энергии химического источника тока в электрическую энергию (разряд аккумулятора) и обратное превращение электрической энергии в свободную энергию химического источника тока (заряд аккумулятора).

Прохождение тока через электрохимические системы, к числу которых относятся и химические источники тока, свя­зано всегда с происходящими при этом химическими реакциями (превращениями). Поэтому ме­жду количеством вещества, вступившего в электрохимическую реакцию и подвергшегося превра­щениям, и количеством затраченного или высвободившегося при этом электричества существует зависимость, которая была установлена М. Фарадеем

Согласно первому закону Фарадея, масса вещества, вступившего в электродную реакцию или получившегося в результате её протекания (Dm), пропорциональна количеству электричества (q), прошедшего через систему. Этот закон выражается следующим уравнением:

Δm = k_э · q = k_э · I · τ ( 1 )

где I – сила тока, проходящего через электрохимическую систему;

τ – время, в течение которого проходил ток;

k_э – коэффициент пропорциональности, который называется «электрохимическим экви­валентом» и характеризует количество вещества, прореагировавшего при прохождении через сис­тему единицы электрического заряда.

Согласно второму закону Фарадея, при равном количестве прошедшего через систему элек­тричества, массы прореагировавших веществ относятся между собой, как их химические эквива­ленты А (А = m_A / Z , где m_A – атомный вес вещества, Z – заряд иона):

Δm₁ / A₁ = Δm₂ / A₂ = const. (2)

Законы Фарадея являются наиболее общими и наиболее точными законами электрохимии. Это значит, что любая электрохимическая реакция не может протекать с отклонениями от этих законов. Однако, в боль­шинстве случаев, на практике электрохимическому изменению подвергается меньшее количество вещества, чем следовало бы ожидать по законам Фарадея. Но отступления от законов являются только кажущимися. На самом деле они объясняются тем, что при прохождении тока, помимо основных электрохимических реакций, при определённых условиях происходят ещё и параллельные или вторичные (побочные) электрохимические реакции, изменяющие массу продук­тов реакции. Чтобы учесть влияние таких реакций, введено понятие «выхода по току».

Выход по току В_т – это та часть количества электричества, прошедшего через систему, которая приходится на долю основной рассматриваемой электрохимической реакции:

В_т = (q_i / S q_i) ·100 % (3)

Здесь q_i – количество электричества, расходуемого на основную рассматриваемую реакцию;

Sq_i – общее количество прошедшего через систему электричества.

СВИНЦОВОМ АККУМУЛЯТОРЕ

В 1883 году английские учёные Гладстон и Трейб опубликовали теорию химических про­цессов в свинцовом аккумуляторе, которая в настоящее время является общепризнанной класси­ческой теорией токообразующих процессов при заряде и разряде свинцовых аккумуляторов.

Согласно этой теории, принято считать, что активными веществами заряженного свинцового аккумулятора, принимающими участие в токообразующем процессе, являются:

- на положительном электроде – двуокись свинца PbO₂ (тёмно-коричневого цвета);

- на отрицательном электроде – губчатый свинец Pb (серого цвета);

- электролит – водный раствор серной кислоты H₂SO₄.

Часть молекул кислоты в водном растворе всегда диссоциирована на положительно заряженные ионы водорода Н⁺ и отрицательно заряженные сульфат ионы SO₄^2-.

РАЗРЯД АККУМУЛЯТОРА

Схема электрохимических процессов, протекающих при разряде свинцового аккумулятора, показана на Рис.1.

Свинец, который является активной массой отрицательного электрода, частично рас­творяется в электролите и окисляется в растворе с образованием положительных ионов Pb²⁺. Освободившиеся при этом избыточные электроны сообщают электроду отрицательный заряд и начинают движение по замкнутому участку внешней цепи к положительному электроду.

Положительно заряженные ионы свинца Pb²⁺ вступают в реакцию с отрицательно заряжен­ными сульфат ионами SO₄^2- с образованием сульфата свинца PbSO₄, который имеет незначитель­ную растворимость и поэтому осаждается на поверхности отрицательного электрода. Таким обра­зом, в процессе разряда аккумулятора, активная масса отрицательного электрода преобразуется из губчатого свинца в сернокислый свинец с изменением серого цвета на светло-серый.

Двуокись свинца PbO₂ положительного электрода растворяется в электролите в значительно меньшем количестве, чем свинец отрицательного электрода. При взаимодействии с водой PbO₂ диссоциирует (распадается в растворе на заряженные частицы – ионы). При этом образуются ионы четырёхвалентного свинца Pb⁴⁺ и ионы гидро­ксила OH^-:

PbO₂ + 2H₂O ® Pb (OH)₄ ® Pb⁴⁺ + 4OH^- (4)

Ионы Pb⁴⁺ сообщают электроду положительный потенциал и, присоединяя электроны, при­шедшие по внешней цепи от отрицательного электрода, восстанавливаются до ионов двухвалент­ного свинца Pb²⁺, согласно уравнению:

Pb⁴⁺ + 2e^- ® Pb²⁺ (5)

Ионы Pb²⁺ взаимодействуют с ионами SO₄^2-, образуя сернокислый свинец PbSO₄, который по указанной выше причине также осаждается на поверхности положительного электрода, как это имело место на отрицательном электроде. Активная масса положительного электрода по мере разряда преобразуется из двуокиси свинца PbO₂ через промежуточные реакции в сульфат свинца PbSO₄ с изменением её цвета из темно-коричневого в светло-коричневый.

Таким образом, в результате разряда аккумулятора, активные материалы обоих электродов – и положительного (PbO₂), и отрицательного (Pb), превращаются в сульфат свинца PbSO₄. При этом расхо­дуется серная кислота на образование сульфата свинца и образуется вода из освободившихся ио­нов H⁺ и ОН^-, что приводит к снижению плотности электролита при разряде.

Итак, согласно теории двойной сульфатации, итоговые реакции разрядного и за­рядного процессов в свинцовом аккумуляторе описываются следующими уравнениями:

- на положительном электроде:

PbO₂ + 2e^- + 4H⁺ + SO₄^2- ® PbSO₄ + 2H₂O (6)

- на отрицательном электроде:

Pb - 2e^- + SO₄^2- ® PbSO₄ (7)

- суммарная реакция:

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ® 2PbSO₄ + 2H₂O (8)

ЗАРЯД АККУМУЛЯТОРА

Схема электрохимических процессов при заряде аккумулятора показана на Рис. 2.

В элек­тролите у обоих электродов присутствуют в небольших количествах ионы сульфата свинца Pb²⁺, SO₄^2- и воды H⁺, OH^-. Под влиянием напряжения источника постоянного тока, в цепь которого включён заряжаемый аккумулятор, во внешней цепи устанавливается направленное движение электронов к отрицательному выводу аккумулятора. Двухвалентные ионы свинца у отрицательного электрода нейтрализуются (восстанавлива­ются) поступившими двумя электронами, превращая активную массу отрицательного электрода в металлический губчатый свинец. Оставшиеся свободными, ионы SO₄^2- и H⁺ образуют серную ки­слоту:

PbSO₄ + 2e^- ® Pb + SO₄^2- (9)

У положительного электрода под действием зарядного тока двухвалентные ионы свинца Pb²⁺ отдают два электрона, окисляясь в четырёхвалентные ионы свинца Pb⁴⁺. Последние, соединя­ясь через промежуточные реакции с двумя ионами кислорода, образуют двуокись свинца PbO₂, которая выделяется на электроде. Ионы SO₄^2- и H⁺ так же, как и у отрицательного электрода, об­разуют серную кислоту, в результате чего при заряде растёт плотность электролита:

PbSO₄ + 2H₂O ® PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- (10)

Итоговое (суммарное) уравнение процесса заряда имеет вид:

2PbSO₄ + 2H₂O ® PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ (11)

БАТАРЕИ ЗАКРЫТЫЕ С РЕГУЛИРУЮЩИМ КЛАПАНОМ (VRLA)

На импортных автомобилях представительского класса стали появляться батареи нового поколения – закрытые батареи с регулирующим клапаном (VRLA) и иммобилизованным (связанным) электролитом.

Создание закрытой (герметизированной) батареи свинцово-кислотной системы становится возможным благодаря созданию условий для рекомбинации выделяющегося на положительном электроде газообразного кислорода на поверхности отрицательного электрода, который взаимодействует с отрицательной активной массой, и не выделяется в окружающую среду (реализация кислородного цикла). Для этого конструируют батарею таким образом, чтобы ёмкость отрицательных электродов в аккумуляторе была несколько больше, чем ёмкость положительных электродов. Тогда в процессе заряда положительные электроды полностью зарядятся раньше, чем отрицательные, и выделение кислорода на положительном электроде начнётся до начала выделения водорода на отрицательном электроде. Выделяющийся кислород, пройдя через газовые каналы в межэлектродном зазоре, как показано на Рис.10, вступит в химическую реакцию с активной массой отрицательного электрода.

Для ускорения поступления кислорода от положительного электрода к отрицательному необходимо ограничение объёма свободного электролита. Поэтому для производства герметизированных батарей разработаны методы связывания (иммобилизации) жидкого электролита. В настоящее время применяются два способа связывания:

- создание загущённого (гелеобразного) электролита;

- абсорбция (пропитывание) жидкого электролита в специальные сепараторы с высокой объёмной пористостью и активную массу аккумуляторных электродов.

Электролит из таких батарей не вытекает даже в случае, если в корпусе образуется сквозное отверстие. Поэтому такие аккумуляторные батареи сохраняют свою работоспособность в течение достаточно длительного времени даже после того, как будет пробита наружная стенка корпуса. Они менее чувствительны к длительному пребыванию в состоянии низкой степени заряженности, чем аккумуляторные батареи со свободным (жидким) электролитом.

Для получения гелеобразного электролита применяют силикагель, аллюмогель и другие подобные по свойствам вещества. При смачивании серной кислотой эти вещества образуют тиксотропный гель. Гелеобразный электролит имеет более высокое электрическое сопротивление, чем жидкий электролит вследствие ограничения подвижности ионов.

Применение в батареях закрытого исполнения раствора электролита в жидком состоянии стало возможно, благодаря созданию качественно нового вида сепаратора в виде нетканого мата из ультратонких стеклянных волокон. Объёмная пористость современных стеклосепараторов достигает 90-95 %. При этом в структуре сепаратора имеются как мелкие поры диаметром порядка 1 мкм и менее (которые служат, в основном, для удержания электролита), так и более крупные поры диаметром порядка 20 мкм (которые предназначены для организации транспорта газовых пузырьков от поверхности положительного электрода к поверхности отрицательного электрода). Искусственное ограничение ёмкости положительных электродов и объёма электролита приводят к тому, что ёмкость герметизированных свинцовых батарей с иммобилизованным электролитом примерно на 15 % ниже, чем батарей со свободным электролитом того же объёма и массы. Устройство свинцовой батареи с иммобилизованным электролитом показано на Рис. 11.

Закрытые свинцовые батареи с иммобилизованным электролитом имеют регулирующий (предохранительный) клапан. Этот клапан служит для того, чтобы давление внутри аккумулятора при его эксплуатации не превышало величины, которая является допустимой по условиям работоспособности и прочности корпусных деталей. Дело в том, что, несмотря на применяемые ограничения ёмкости положительных электродов, выделение водорода на отрицательном электроде в процессе заряда, особенно на заключительной его стадии, полностью подавить пока не удаётся. Причём скорость его выделения в конце зарядного процесса несколько выше, чем скорость выделения кислорода.

Избыточная часть водорода вызывает рост давления внутри аккумулятора. Для ограничения роста внутреннего давления в заданных пределах и служит предохранительный клапан.

Таким образом, свинцовые аккумуляторные батареи пока не могут производиться полностью герметичными.

Нормальная эксплуатация закрытых свинцовых батарей возможна при соблюдении гораздо более жёсткого диапазона регулирования зарядного режима, чем при эксплуатации открытых батарей с жидким электролитом (даже для исполнения с очень малым расходом воды, при котором иногда батареи не имеют отверстий для её доливки). Максимальная величина зарядного напряжения для батарей с гелеобразным электролитом составляет 14,35-14,4 В при температуре +25ºС. В случае превышения этой величины, даже на 0,05 В, скорость газовыделения увеличивается настолько, что может нарушаться равновесие кислородного цикла. Образующийся из-за этого избыток выделяющихся газов приводит к нарушению контакта активной массы электродов с электролитом, и батарея очень быстро безвозвратно теряет ёмкость, а, следовательно – и работоспособность. Аналогично батареям с гелевым электролитом при перезаряде батарей с абсорбированным электролитом будет происходить разложение электролита и осушение объёма сепаратора и электродов, что также приведёт к постепенной потере ёмкости, и, следовательно – работоспособности батареи.

Весьма жёсткие требования по ограничению уровня зарядного напряжения, наряду с более высокой стоимостью закрытых батарей, в сравнении с открытыми батареями, создают в настоящее время определённые затруднения по их быстрому и широкому распространению для массового применения на автомобильной технике.

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА

Электродвижущей силой (ЭДС) аккумулятора (Е₀) называют разность его электродных потенциалов, измеренную при разомкнутой внешней цепи в стационарном (равновесном) состоянии, то есть:

Е₀ = φ₀⁺ + φ₀^- ,

где φ₀⁺ и φ₀^- соответственно – равновесные потенциалы положительного и отрицательного электродов при разомкнутой внешней цепи, В.

ЭДС батареи, состоящей из n последовательно соединенных аккумуляторов:

Е_0б = n×E₀ .

Электродный потенциал в общем случае определяется, как разность между потенциалом электрода при разряде или заряде и его потенциалом в равновесном состоянии в отсутствие тока. Однако, следует отметить, что состояние аккумулятора сразу после выключения зарядного или разрядного тока не является равновесным, так как концентрация электролита в порах электродов и межэлектродном пространстве неодинакова. Поэтому электродная поляризация сохраняется в аккумуляторе довольно длительное время и после отключения зарядного или разрядного тока. В этом случае она характеризует отклонение электродного потенциала от равновесного значения j₀ за счёт диффузионного выравнивания концентрации электролита в аккумуляторе, от момента размыкания внешней цепи до установления равновесного стационарного состояния.

φ = φ₀ ± ψ

Знак «+» в этом уравнении соответствует остаточной поляризации y после окончания зарядного процесса, знак «–» – после окончания разрядного процесса.

Таким образом, следует различать равновесную ЭДС (E₀)аккумулятора и неравновесную ЭДС, а точнее НРЦ (U₀) аккумулятора в течение времени от размыкания цепи до установления равновесного состояния (период протекания переходного процесса):

E₀ = φ₀⁺ - φ₀^- = Δφ₀ (12)

U₀ = φ₀⁺ -φ₀^- ± (ψ⁺ - ψ ^-) = Δφ₀ ± Δψ (13)

В этих равенствах:

Δφ₀ – разность равновесных потенциалов электродов, (V);

Δψ – разность потенциалов поляризации электродов, (V).

Как указано в разделе 3.1, величину неравновесной ЭДС при отсутствии тока во внешней цепи называют, в общем случае, напряжением разомкнутой цепи (НРЦ).

ЭДС или НРЦ измеряют высокоомным вольтметром (внутреннее сопротивление не менее 300 Ом/В). Для этого вольтметр присоединяют к выводам аккумулятора или батареи. При этом через аккумулятор (батарею) не должен протекать зарядный или разрядный ток.

Если сравнить уравнения (12 и 13), то увидим, что равновесная ЭДС отличается от НРЦ на разность потенциалов поляризации.

Δψ = U₀ - E₀

Параметр Δψ будет положительным после выключения зарядного тока (U₀ > Е₀) и отрицательным после выключения разрядного тока (U₀ < Е₀). В первый момент после выключения зарядного тока Δψ составляет примерно 0,15-0,2 В на аккумулятор, а после выключения разрядного тока 0,2-0,25 В на аккумулятор в зависимости от режима предшествовавшего заряда или разряда. С течением времени Δψ по абсолютной величине уменьшается до нуля по мере затухания переходных процессов в аккумуляторах, связанных в основном с диффузией электролита в порах электродов и межэлектродном пространстве.

Так как скорость диффузии сравнительно невелика, время затухания переходных процессов может составлять от нескольких часов до двух суток, в зависимости от силы разрядного (зарядного) тока и температуры электролита. Причём снижение температуры влияет на скорость затухания переходного процесса значительно сильнее, так как с понижением температуры ниже нуля градусов (по Цельсию) скорость диффузии снижается в несколько раз.

Равновесная ЭДС свинцового аккумулятора (Е₀), как и любого химического источника тока, зависит от химических и физических свойств веществ, принимающих участие в токообразующем процессе, и совершенно не зависит от размеров и формы электродов, а также от количества активных масс и электролита. Вместе с тем, в свинцовом аккумуляторе электролит принимает непосредственное участие в токообразующем процессе на аккумуляторных электродах и изменяет свою плотность в зависимости от степени заряженности аккумуляторов. Поэтому равновесная ЭДС, которая, в свою очередь, является функцией плотности электролита [5], будет также функцией степени заряженности аккумулятора.

Для вычисления НРЦ по измеренной плотности электролита используют эмпирическую формулу

U₀ = 0,84 + d_э

где «d_э» – плотность электролита при температуре 25ºС в г/см³;

Когда измерить плотность электролита в аккумуляторах не представляется возможным (например – у открытых батарей исполнения VL без пробок или у закрытых батарей исполнения VRLA), о состоянии заряженности можно судить по величине НРЦ в состоянии покоя, то есть не ранее, чем через 5-6 часов после выключения зарядного тока (остановки двигателя автомобиля). Значение НРЦ для батарей, имеющих уровень электролита, соответствующий требованиям руководства по эксплуатации, с различной степенью заряженности при разных температурах приведено в Табл. 1

Таблица 1

Степень заряженности	Равновесное напряжение разомкнутой цепи, В, при температурах
%	от +20 до +25°С	от +5 до – 5°С	от –10 до –15°С
95-100	12,70 – 12,90	12,80 – 13,00	12,90 – 13,10
75-80	12,55 – 12,65	12,55 – 12,75	12,65 – 12,85
ОПАСНАЯ ЗОНА
	12,20 – 12,30	12,30 – 12,40	12,40 – 12,50
	11,95 – 12,10	12,10 – 12,20	12,20 – 12,30
	11,60 – 11,80	11,70 – 11,90	11,80 – 12,00

Изменение ЭДС аккумулятора от температуры весьма малозначительно (менее 3·10 ^-4 В/град) и при эксплуатации аккумуляторных батарей им можно пренебречь.

ВНУТРЕННЕЕ ОПРОТИВЛЕНИЕ

Сопротивление, оказываемое аккумулятором протекающему внутри него току (зарядному или разрядному), принято называтьвнутренним сопротивлением аккумулятора.

МКОСТЬ АККУМУЛЯТОРА

Ёмкость аккумулятора – это количество электричества, полученное при его разряде до установленного конечного напряжения. В практических расчётах ёмкость аккумулятора принято выражать в ампер-часах (А·ч).

Таким образом, согласно определению, разрядную ёмкость С_р аккумулятора можно вычислить, умножив силу разрядного тока I_р на продолжительность разряда Тt_р (при условии, что I_р = const) .

C_р = I_р / τ_р

Разрядная ёмкость, на которую рассчитан аккумулятор и которая указывается изготовителем, называется номинальной ёмкостью. Величина номинальной ёмкости стартерных батарей определяется, как правило, при двадцатичасовом режиме разряда, то есть – при непрерывном разряде током, равным по величине 0,05С₂₀ (0,05 от значения ёмкости, указанной производителем в наименовании батареи) при температуре +25°С. Например для АКБ типа 6СТ-55А ток разряда будет равен 2,75 А, а для батареи 6СТ-75А – 3,75 А. При определении номинальной ёмкости разряд прекращается в момент достижения на выводах двенадцативольтовой батареи величины напряжения, равной 10,5 В.

По усмотрению производителя допускается устанавливать величину номинальной ёмкости при двадцатичасовом режиме разряда в ампер-часах (А·ч) и (или) величину резервной ёмкости при разряде током 25 А – в минутах (мин).

Резервная ёмкостьпоказывает величину времени в минутах, которое потребуется для разряда любой двенадцативольтовой батареи (независимо от величины её ёмкости) током 25 А до конечного напряжения 10,5 В при температуре 25 ± 2°С.

Величина разрядного тока 25 А при определении резервной ёмкости выбрана не случайно. По данным разработчиков систем электрооборудования автомобилей, именно такая минимальная величина тока будет потребляться электрооборудованием современного автомобиля для обеспечения его безопасного движения. Таким образом, получается, что величина резервной ёмкости показывает, сколько времени сможет продолжать двигаться автомобиль, используя только электрическую энергию аккумуляторной батареи в случае выхода из строя генератора автомобиля, при условии, что на момент отказа генератора батарея была полностью заряжена.

В настоящее время в международной и отечественной практике для оценки емкостных характеристик стартерных аккумуляторных батарей все шире применяется понятие «резервная» ёмкость.

Согласно документу МЭК 60095-1:2006 и ГОСТ Р 53165-2008 (приложение «А») величина номинальной резервной ёмкости С_r.n АКБ может быть получена расчётным путём из величины номинальной ёмкости двадцатичасового разряда C₂₀ по формуле:

С_r.n = β (C_20n)^α,

где С_r.n – номинальная (расчётная) резервная ёмкость; C_20n – номинальная ёмкость двадцатичасового разряда; α и β – эмпирические расчётные коэффициенты, установленные документом МЭК 60095-1:2006 и ГОСТ Р 53165-2008. Коэффициенты в формуле пересчёта резервной ёмкости в ёмкость при двадцатичасовом разряде: