Работа аккумуляторной батареи

Принцип действия аккумуляторной батареи основан на преобразовании электрической энергии в химическую энергию при заряде и наоборот химической энергии в электрическую при разряде. Работа аккумуляторной батареи носит циклический характер: разряд-заряд.

Разряд происходит при подключении потребителей. При разряде активная масса положительных (диоксид свинца) и отрицательных (губчатый свинец) электродов взаимодействует с электролитом. При этом образуется сульфат свинца и вода, плотность электролита уменьшается.

При работающем двигателе аккумуляторная батарея заряжается от генератора. Аккумуляторную батарею также можно зарядить с помощью специального зарядного устройства. При зарядке сульфат свинца и вода преобразуются в свинец, двуокись свинца и серную кислоту. Плотность электролита повышается.

Заряд батареи должен производиться при оптимальном напряжении. Высокое напряжение приводит к сильному разложению воды и снижению уровня электролита. Низкое напряжение чревато неполной зарядкой батареи и, соответственно, уменьшением срока ее службы.

Рис. 2.2.6 – Принцип действия кислотного аккумулятора

При разрядке кислотного аккумулятора происходят следующие химические реакции:

у отрицательной пластины

Pb + SO₄ = PbS0₄;

у положительной пластины

РЬО₂ + H₂+H₂SO₄=PbSO₄+2H₂O.

При разрядке кислотных аккумуляторов на всех пластинах выделяется сернокислый свинец PbSO4 и уменьшается концентрация электролита (вследствие диссоциации кислоты и выделения воды).

Зарядка аккумуляторов производится от внешнего источника электроэнергии, генератора постоянного тока или выпрямителя. При зарядке к отрицательным пластинам направляются ионы водорода, а к положительным — ионы кислотного остатка. В результате возникают следующие химические реакции:

у отрицательной пластины

PbS0₄ + H₂ = Pb + H₂S0₄;

у положительной пластины

PbS0₄ + 2Н₂0 + S0₄ = Рb0₂ + 2Н₂ + 2H₂SO₄.

Следовательно, при зарядке аккумуляторов происходит разложение сернокислого свинца на исходные продукты, а также восстановление концентрации электролита. Очевидно, что окончанием зарядки аккумуляторов можно считать такой момент, когда весь сернокислый свинец разложился, и концентрация электролита восстановилась до нормальной.

Работа аккумуляторной батареи зависит от температуры окружающего воздуха. При повышении температуры увеличивается отдаваемая мощность, но вместе с ней увеличивается саморазряд и коррозия электродов. Понижение температуры сопровождается снижением разрядной емкости, замедлением химических процессов и уменьшением плотности электролита.

При отсутствии нагрузки процессы в аккумуляторной батарее продолжаются – происходит ее саморазряд. Величина саморазряда зависит от температуры окружающего воздуха и конструкции батареи (электродов).

Срок службы аккумуляторной батареи составляет в среднем 4-5 лет и во многом зависит от режима эксплуатации. Производители постоянно работают над повышением эффективности аккумуляторной батареи, увеличением срока ее службы. Среди перспективных направлений:

· внедрение системы управления энергетическим балансом (регулирует подключение потребителей);

· использование двух аккумуляторных батарей (одна для запуска, другая для всего остального);

· совершенствование конструкции аккумуляторных батарей (AGM, EFB технологии).

Генераторы

Электрооборудование любого автомобиля включает в себя генератор – устройство, преобразующее механическую энергию, получаемую от двигателя, в электрическую. Вместе с регулятором напряжения он называется генераторной установкой. На современные автомобили устанавливаются генераторы переменного тока. Они в наибольшей степени отвечают предъявляемым требованиям.

Требования, предъявляемые к генератору:

· выходные параметры генератора должны быть таковы, чтобы в любых режимах движения автомобиля не происходил прогрессивный разряд аккумуляторной батареи;

· напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генератором, должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок.

Последнее требование вызвано тем, что аккумуляторная батарея весьма чувствительна к степени стабильности напряжения. Слишком низкое напряжение вызывает недозаряд батареи и, как следствие, затруднения с пуском двигателя, слишком высокое напряжение приводит к перезаряду батареи и, ускоренному выходу ее из строя.

Генераторы классифицируются по напряжению, роду тока, возбуждению, наличию щеток, степени защиты от внешних воздействий, способу подавления радиопомех.

Номинальные напряжения генераторов и генераторных установок должны быть следующими: 7, 14 и 28 В. Имеются генераторные установки с двумя уровнями напряжений, предназначенные для питания различных приемников. Независимо от уровня напряжения генераторы могут быть постоянного и переменного тока.

К генераторам постоянного тока относятся такие, у которых переменный ток преобразуется в постоянный щеточно-коллекторным узлом. Все остальные генераторы условно относятся к генераторам переменного тока, в том числе и генераторы, у которых вырабатываемый ими ток полностью выпрямляется встроенным в корпус генератора устройством.

Возбуждение генераторов может осуществляться от электромагнитов и постоянных магнитов.

Генераторы с постоянными магнитами обладают целым рядом преимуществ по сравнению с генераторами, имеющими электромагнитное возбуждение.

Основные из них: более высокая надежность в работе и простота конструкции. Однако наряду с указанными преимуществами генераторы переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов имеют и недостатки, которые ограничивают их широкое распространение – это трудности регулирования напряжения и низкий предел мощности.

Генераторы могут быть со щетками и без щеток. Щетки применяются для обеспечения электрического контакта между подвижными и неподвижными деталями. Поскольку в этом узле имеет место трение скольжения, щетки истираются, имеют ограниченный ресурс и низкую надежность. Поэтому разработаны конструкции бесщеточных генераторов, лишенных вышеуказанных недостатков.

Типичным генератором переменного тока с контактными кольцами является генератор 37.3701 (рис. 2.3.1.1), устанавливаемый на автомобилях ВАЗ-2108 и их модификациях. По габаритным, присоединительным и установочным размерам он взаимозаменяем с генераторами Г221 и Г222, но конструктивно от них отличен. Генератор имеет мощность 750 Вт и рассчитан на номинальное напряжение14 В и номинальный ток 55 А. Ресурс не менее 125000 км пробега автомобиля, масса без шкива 4,4 кг.

Рис. 2.3.1.1 – генератор 37.3701

Генератор состоит из статора 11 (рис. 2.3.1.1), ротора 10, крышки 14 со стороны привода, крышки 4 со стороны контактных колец с выпрямительным блоком 2 и шкива с вентилятором 17.

Пакет статора набран из пластин электротехнической стали толщиной 1 мм, соединенных при помощи сварки в четырех точках. Трехфазная обмотка 18 статора расположена в пазах полузакрытой формы. Обмотка трехплоскостная, двухслойная, с числом пазов на полюс и фазу, равным 1. Фазовые обмотки соединены в двойную "звезду". Число витков в фазе 54. Диаметр провода фазы 0,95 мм, сопротивление фазы в холодном состоянии 0,155 Ом.

Ротор включает в себя вал 9, обмотку возбуждения 12, клювообразные полюсы и контактные кольца 8. Обмотка возбуждения изолирована от полюсов пластмассовым каркасом. Концы обмотки возбуждения припаяны к контактным кольцам. Для предотвращения проворачивания и междувиткового замыкания обмотка пропитана лаком, а ротор в сборе для снижения вибрации сбалансирован в двух плоскостях. Обмотка имеет следующие параметры: число витков 420, диаметр медного провода 0,8 мм и сопротивление обмотки в холодном состоянии 2,6 Ом.

Крышки генератора 4 и 14 литые, выполнены из алюминиевого сплава. В крышках установлены шарикоподшипники 5 и 16, причём в канавке крышки о стороны контактных колец для предотвращения проворачивания наружной обоймы шарикоподшипника установлено резиновое кольцо 6. Крышки имеют вентиляционные окна. Со стороны привода крышка имеет стальной болт 13 крепления натяжной планки генератора и армированную стальную втулку в крепежной лапе генератора. В крепежной лапе со стороны контактных колец вставлена резиновая армированная втулка 1, позволяющая выбирать осевой зазор при креплении генератора на двигателе. На крышке со стороны контактных колец расположены щеткодержатель 7 с двумя щетками, конструктивно объединенный с интегральным регулятором напряжения, выпрямительный блок стремя дополнительными диодами для питания обмотки возбуждения помехоподавительный конденсатор 3 емкостью 2,2 мкФ подсоединенный к генератору с помощью флажкового штекера.

Интегральный регулятор напряжения и конденсатор имеют герметичное исполнение. Протяжная вентиляция генератора осуществляется центробежным вентилятором 17, насаженным через сегментную шпонку 15 на вал ротора.

Электрическая схема генератора 37.3701 показана на рис. 2.3.1.2. Показатели использования материалов генератора 37.3701 улучшены по сравнению с генераторами Г221 (14 В, 590 Вт) и Г222 (14 В, 660 Вт) за счет совершенствования электромагнитной системы и увеличения тока возбуждения, что позволило получить требуемое повышение мощности практически без увеличения массы и основных размеров генератора.

Рис 2.3.1.2 – электрическая схема генератора 37.3701

2.6 Диагностика, ТО и ремонт систем электроснабжения и пуска на примере автомобиля Лада Калина

Аккумулятор

На оба автомобиля устанавливаются свинцово-кислотные необслуживаемые аккумуляторные батареи. На Ладу Калину с завода устанавливается АКБ емкостью 55 Ач, пусковой ток 425 А, напряжение 12 В. BMW имеет АКБ емкостью 70 Ач, пусковой ток 650 А, напряжение 12 В.

Техническое обслуживание аккумуляторных батарей регла­ментируется инструкцией по эксплуатации «Батареи аккумуля­торные свинцовые стартерные». На основании перечня и перио­дичности их проведения работы включаются в первое (ТО-1) или второе (ТО-2) техническое обслуживание автомобиля.

При ТО-1 аккумуляторную батарею очищают от пыли и грязи. Электролит, имеющийся на поверхности батареи, вытирают су­хой тряпкой или ветошью, смоченной 10 %-ным раствором каль­цинированной соды или нашатырного спирта. Проверяют надеж­ность крепления батареи и соединения наконечников проводов с выводами батареи, окислившиеся наконечники проводов и вы­воды зачищают. При этом следует снимать минимальный слой металла, иначе нельзя будет надежно соединить выводы батареи с наконечниками проводов. Следует также следить, чтобы прово­да не были натянуты, так как это может привести к поломке вы­водов или крышек аккумуляторов. Наконечники проводов и вы­воды рекомендуется смазывать техническим вазелином.

При ТО-1 проверяют и, если необходимо, доводят до нормы уровень электролита во всех аккумуляторах.

При доведении уровня в аккумуляторы доливают дистиллиро­ванную воду. В холодное время года во избежание замерзания воду следует доливать непосредственно перед пуском двигателя для быстрого ее перемешивания с электролитом.

Доливать электролит запрещается, за исключением случаев, когда точно известно, что понижение уровня произошло за счет выплескивания электролита.

Чрезмерно быстрое снижение уровня электролита является признаком «перезаряда» батареи из-за повышенного напряжения генератора. При перезаряде наблюдается также выбрызгивание электролита на поверхность аккумуляторной батареи. Перезаряд вреден для батарей, так как приводит к снижению их срока служ­бы. При первых признаках перезаряда необходимо проверить исправность генераторной установки.

При ТО-2, выполняют операции ТО-1 и дополнительно прове­ряют степень заряженности аккумуляторов батареи по плотности электролита и ее работоспособность по напряжению аккумуля­торов под нагрузкой. Плотность электролита замеряют денсимет­ром (рис. 2.6.1.1): опустить прибор в секцию аккумулятора и откачивать электролит, пока поплавок не начнет в нем свободно плавать, по шкале пипетки посмотреть плотность электролита в кг/дм3 (удельная плотность электролита). Плотность электролита в нормальных климатических зонах должна составлять не менее 1,24 кг/дм3. Если плотность электролита во всех секциях аккумулятора слишком мала, то следует зарядить аккумулятор и затем повторить проверку плотности электролита. При неудовлетворительных результатах замените АКБ.

Напряжение аккумуляторов замеряют аккумуляторным пробни­ком. Напряжение заряженного автомобильного аккумулятора обычно равно 12.65 В.

Рис. 2.6.1.1 – Проверка уровня (а) и плот­ности (б) электролита. 1 - стеклян­ная трубка; 2 - ареометр для измере­ния плотности электролита; 3 - попла­вок со шкалой.

Пробник Э107 (рис. 2.6.1.2) предназначен для проверки работо­способности аккумуляторных батарей в целом. Он позволяет из­мерять э. д. с. батарей и их напряжение под нагрузкой.

Рис. 2.6.1.2 – Пробник аккумуляторный Э107

Пробник состоит из вольтметра, закрепленного на кронштейне 2 контакт­ной ножки 5, через которые к нему подается измеряемое напряже­ние. Внутри корпуса 3 установлены два нагрузочных резистора 4 из нихрома, соединенные параллельно. Одни концы резисторов постоянно соединены с кронштейном 2 пробника, другие закреп­лены в головке винта, изолированного от контактной ножки 5. При завертывании контактной гайки 6 резисторы подключаются к контактной ножке. Контактный штырь щупа 7 соединен гибким проводом с кронштейном 2.

Проверку аккумуляторной батареи необходимо производить при закрытых пробках аккумуляторов. Для проверки под нагруз­кой необходимо завернуть до упора контактную гайку 6. Затем острый конец контактной ножки 5 плотно прижимают к положи­тельному выводу батареи, а штырь щупа — к отрицательному. Иногда для обеспечения надежного контакта необходимо сделать контактами ножки и щупа царапины на поверхности выводов батареи, чтобы разрушить пленку окиси. Время выдержки бата­реи под нагрузкой должно быть не более 5 с. Если напряжение батареи под нагрузкой более 8,9 В, она исправна. Если напряже­ние упадет ниже 8,9 В, батарея неисправна или сильно разряжена. Уточнение производится измерением плотности электролита или проведением контрольного разряда. Измерение э. д. с. проверяемой батареи производится при от­вернутой контактной гайке.

Возможные неисправности АКБ

Срок службы аккумуляторной батареи при правильной эксплуатации и своевременном обслуживании примерно три–четыре года или соответствует 75 000—100 000 км пробега автомобиля, а при малых годовых пробегах может увеличиваться до 6 лет. При нарушении правил эксплуатации и хранения аккумуляторных батарей эти сроки могут значительно сокращаться. Особенно ухудшают техническое состояние аккумуляторных батарей загрязнение электролита, работа ее и хранение при повышенной температуре электролита или низком его уровне, нарушение режима зарядки, залив электролита повышенной плотности. Все это может стать причиной таких неисправностей, как повышенный саморазряд аккумуляторной батареи, короткое замыкание разноименных пластин и сульфатация пластин, что приводит к снижению емкости аккумуляторной батареи, падению ЭДС и напряжения под нагрузкой.

Основными признаками перечисленных неисправностей аккумуляторной батареи являются замедленное вращение коленчатого вала при пуске двигателя стартером (при сильно разряженной аккумуляторной батарее стартер может вообще не проворачивать коленчатый вал), тусклый свет ламп и ослабленный звуковой сигнал. Кроме того, в процессе эксплуатации происходит окисление полюсных штырей и наконечников, что является наиболее частой причиной неисправностей.

1) Окисление выводов

Окисление полюсных выводов приводит к увеличению сопротивления во внешней цепи и даже прекращению тока. Для устранения неисправности надо зачистить выводы до металлического блеска и укрепить их на штырях. После этого штыри и клеммы снаружи смазать тонким слоем технического вазелина ВТВ-1 или другим кислотостойким смазочным материалом.

2) Повышенный саморазряд

Повышенный саморазряд аккумуляторной батареи может быть вызван следующими причинами: а) внутреннее короткое замыкание; б) загрязнение поверхности аккумуляторной батареи; в) применение для доливки недистиллированной воды, содержащей щелочи и соли; г) попадание внутрь металлических частиц и других веществ, способствующих образованию гальванических пар.

Саморазряд батареи возникает вследствие образования в активной массе пластин местных токов, которые появляются из-за возникновения ЭДС между окислами активной массы и решеткой пластин. Кроме того, при длительном хранении электролит в аккумуляторной батарее отстаивается, и его плотность в нижних слоях становится больше, чем в верхних. Это приводит к появлению разности потенциалов и возникновению уравнительных токов на поверхности пластин. Нормальный саморазряд исправной полностью заряженной необслуживаемой батареи составляет 0, 2—0.3 % в сутки.

3) Короткое замыкание

Короткое замыкание разноименных пластин сопровождается «кипением» электролита, снижением емкости и напряжения аккумуляторной батареи. Причинами этого могут стать: разрушение сепараторов, коробление пластин, выпадение из них активной массы, что влечет за собой частую перезарядку аккумуляторной батареи и повышенную ее вибрацию из-за ослабления креплений. В этом случае аккумуляторная батарея подлежит замене.

4) Загрязнение крышек и газоотводных каналов

Загрязнение вызывает окисление выводов и разрядка аккумуляторных батарей. Пыль и грязь пропитывается электролитом, который замыкает выводы, и аккумуляторная батарея разряжается. Для обнаружения утечки тока следует подключить к поверхности мастики (крышек) вольтметр. Если он регистрирует напряжение, то необходимо очистить поверхность аккумуляторной батареи от пыли, грязи и электролита и протереть крышки 10%-ным водным раствором нашатырного спирта или соды и вытереть насухо.

5) Подтекание электролита через трещины в корпусе обнаруживают визуально. Чаше всего трещины появляются вблизи выводов аккумуляторных батарей из-за неаккуратного демонтажа выводов, а также могут возникать при механических повреждениях корпуса (обычно при авариях). Небольшую трещину в пластмассовом корпусе батареи можно заделать, заплавив ее куском полиэтилена с помощью паяльника, или, наложив на трещину несколько слоев полиэтиленовой пленки, заплавить их через лист плотной бумаги. При значительном повреждении корпуса аккумуляторная батарея подлежит замене. При вынужденной временной эксплуатации неисправной аккумуляторной батареи необходимо периодически добавлять в нее электролит, а не дистиллированную воду.

6) Окисление выводов и наконечников стартерных проводов

Окисление ускоряется при попадании электролита, отсутствии смазочного материала и неплотном креплении выводов. При этом повышается сопротивление внешней цепи. Окисленные выводы следует зачистить и смазать.

7) Пониженная или повышенная плотность электролита

Плотность электролита понижается в основном при разрядке аккумуляторов и сульфатации электродов. При понижении плотности электролита увеличивается внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи и снижается ее емкость. В результате падает напряжение в цепи работающего стартера, уменьшаются частота вращения якоря и мощность стартера, что затрудняет пуск двигателя, особенно в зимнее время года. Кроме того, зимой может произойти замерзание электролита. Плотность электролита повышается при испарении воды во время перезарядки или в результате доливки в аккумуляторы электролита, а не воды. В случае повышенной плотности электролита ускоряется разрушение активного вещества и решеток электродов, а также сульфатация активного вещества, что снижает емкость и срок службы аккумуляторной батареи.Плотность электролита в аккумуляторах батареи не должна отличаться более чем на 0,01 г/см3. В противном случае батарею необходимо зарядить и произвести корректирование плотности электролита доливкой в аккумуляторы воды или электролита. Если плотность выше нормы. — доливают воду, если ниже — электролит плотностью 1,4 г/см3. Доливку производят после предварительного отбора из аккумуляторов нужного количества электролита. После этого аккумуляторную батарею заряжают в течение 25—30 мин для полного перемешивания электролита и снова измеряют его плотность. Плотность электролита в аккумуляторах батареи указывает на степень разряженное™ аккумуляторов. Снижение плотности электролита на 0,01 г/см3 соответствует разрядке аккумулятора на 6 %.

8) Сульфатация электродов заключается в образовании крупных трудно растворимых кристаллов сернокислого свинца (сульфата) на поверхности электродов и на стенках пор активного вещества. Кристаллы сульфата забивают поры активного вещества электродов, что препятствует проникновению электролита в глубь активного вещества. В результате не все активное вещество участвует в работе, что снижает емкость аккумуляторной батареи. Сульфатация электродов ускоряется при длительном хранении аккумуляторной батареи без подзарядки, повышенной плотности электролита, большом разряжении, взаимодействии электродов с воздухом при пониженном уровне электролита. Сульфатированная аккумуляторная батарея из-за малой емкости быстро разряжается при резком падении напряжения, особенно при включении стартера. При зарядке сульфатированной аккумуляторной батареи быстро повышаются напряжение и температура электролита, и начинается интенсивное газовыделение, в то время как плотность электролита повышается незначительно, поскольку часть серной кислоты остается связанной в сульфате. Сульфатацию электродов определяют методом сравнения ЭДС подсчитанной по плотности электролита, с величиной напряжения, измеряемого с помощью вольтметра без нагрузки. Если напряжение больше ЭДС, подсчитанной по плотности, электроды аккумулятора сульфатированы. Сульфатацию устраняют, несколько раз разряжая и заряжая батарею при малой плотности электролита (1,11 — 1,12 г/см3). При зарядке электрический заряд не должен превышать 5 % номинальной емкости аккумуляторной батареи. Затем проводят контрольную разрядку, равную 10 % номинальной емкости батареи. Силу тока в цепи регулируют реостатом. Когда на зажимах наихудшего аккумулятора напряжение понизится до 1,7 В, разрядку заканчивают. Аккумуляторная батарея считается исправной, если время разрядки не менее 7,5 ч для батареи с электролитом плотностью 1,29 г/см3, 6,5 ч при плотности электролита 1,27 г/см3 и 5,5 ч при плотности электролита 1,25 г/см3. Если время разрядки аккумуляторной батареи меньше указанных величин, то ее подвергают нескольким циклам зарядки—разрядки, контролируя время разрядки. Если при повторных разрядках не увеличивается время разрядки, то такая аккумуляторная батарея требует ремонта. Контрольную разрядку также производят для определения пригодности аккумуляторных батарей к дальнейшей эксплуатации и перед их длительным хранением.

8) Преждевременное разрушение электродов

За время эксплуатации аккумуляторной батареи происходит окисление решеток и разрыхление активного вещества, особенно плюсовых электродов. Изменение объема активного вещества при зарядке и разрядке аккумуляторной батареи вызывают отслаивание его от решеток. Во время эксплуатации могут возникнуть и другие причины, приводящие к ускоренному разрушению электродов. Это непрочное крепление аккумуляторных батарей на автомобиле, длительная перезарядка батареи, замерзание воды в электролите, понижение уровня электролита ниже верхних кромок электродов, короткое замыкание, неумелый пуск двигателя стартером и др.Короткое замыкание, а также частое и длительное включение стартера приводит к короблению электродов, что ускоряет разрушение массы активного вещества, особенно плюсовых электродов. Включать стартер следует не более чем на 5 с и не более двух-трех раз подряд. Между включениями рекомендуется делать паузу на 15-20 с. Разрушение электродов ускоряется при повышении плотности и температуры электролита, применении химически не чистой серной кислоты и недистиллированной воды. При длительной перезарядке аккумуляторной батареи происходит электролиз воды электролита на кислород и водород. Кислород сильно окисляет решетки плюсовых электродов, что вызывает их разрушение. Одновременно в порах активного вещества электродов накапливается большое количество газов (кислорода и водорода). Давление газов в порах увеличивается, что вызывает разрыхление и выкрашивание активного вещества. Характерным признаком перезарядки являются сильное газовыделение из электролита и быстрое уменьшение его уровня. Во избежание перезарядки аккумуляторных батарей на автомобиле необходимо систематически проверять напряжение генератора. Разрушение электродов вызывает уменьшение емкости аккумуляторных батарей и короткое замыкание разноименных электродов. В аккумуляторных батареях с разрушенными электродами, даже если они полностью заряжены и не имеют сульфатации, напряжение под нагрузкой (особенно стартерной) будет быстро падать. Измерение напряжения под нагрузкой, близкой к стартерной позволяет проверить работоспособность аккумуляторной батареи.