ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОММИТЕТ  РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ПО СВЯЗИ, ИНФОРМАТИЗАЦИИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

 

 

Кафедра   “Системы

энергообеспечения”

 

 

 

 

 

 

Задания  и методические указания к практическим занятиям по курсу

 

 

Аккумуляторные батареи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        

 

 

 

 

Ташкент – 2014

Practice contents

1.      UPS: the calculation of the operating time from the battery (storage battery).

ИБП: расчет времени работы от аккумулятора (аккумуляторной батареи).

 

2.      Determination of current of short circuit of storage battery.

Определение тока короткого замыкания аккумуляторной батареи.

 

3.      Determination of electromotive force(E.M.F.) and internal resistance of accumulator.

Определение электродвижущей силы (ЭДС) и внутреннего сопротивления аккумулятора.

 

4.      Calculation of time of a charge of accumulators.

Расчет времени заряда аккумуляторов

5.      Calculation of capacity of accumulator for a video camera.

Расчет емкости аккумулятора для видеокамеры.

 

6.      Calculation of capacity of storage battery for the system of autonomous power supply.

Расчет емкости аккумуляторной батареи для системы автономного электроснабжения.

 

7.      Calculation of capacity of storage battery and total current of the выпрямительной system for loading of direct-current.

Расчет емкости аккумуляторной батареи и суммарного тока выпрямительной системы для нагрузки постоянного тока.

 

8.      Calculation of the charge-discharge device battery.

Расчет зарядно-разрядного устройства для аккумуляторной батареи.

 

9.      Calculation and choice of storage batteries and charge devices for mobile devices.

Расчет и выбор аккумуляторных батарей и зарядных устройств для мобильных устройств.

 

10.  Calculation and forming of telecommunication storage batteries.

Расчет и формирование телекоммуникационных аккумуляторных батарей.

 

11.  Calculating the configuration of storage batteries for uninterrupted power supply.

Расчет конфигурации аккумуляторных батарей для ИБП.

 

12.  Calculation of the maximal power given out by an accumulator.

Расчет максимальной мощности, выдаваемой аккумулятором.

 

13.  Calculation of power of accumulators.

Расчет мощности аккумуляторов.

 

14.  Calculation of loading of capacity of storage batteries and type selection of accumulators.

Расчет нагрузки емкости аккумуляторных батарей и выбор типа аккумуляторов.

 

15.  Calculation of the real capacity of accumulator depending on loading.

Расчет реальной емкости аккумулятора в зависимости от нагрузки.

 

16.  Calculation of the scheme of the NiCd charger of storage batteries.

Расчет схемы зарядного устройства NiCd аккумуляторных батарей.

 

17.  Calculation of current of storage battery.

Расчет тока аккумуляторной батареи.

 

18.  Calculation of the electric parameters of lead - acid accumulators.

Расчет электрических параметров кислотно - свинцовых аккумуляторов.

 

 

Аккумуляторные батареи

 

Зачастую представляет определенные трудности использовать напрямую энергию, генерируемую солнечными, ветровыми или микрогидроэлектрическими установками. Поэтому электричество обычно сохраняется в специальных аккумуляторных батареях для последующего использования.

Эти батареи очень часто работают по тому же принципу, что и обычные автомобильные стартерные батареи, однако они спроектированы специально для использования в системах автономного электроснабжения. Стартерные батареи рассчитаны на то, чтобы выдавать большие токи (сотни ампер) в течение очень короткого промежутка времени (несколько секунд) для того, чтобы запустить двигатель машины. Они не подходят для использования в системах автономного электроснабжения, потому что рассчитаны на то, чтобы быть постоянно полностью заряженными и срок их службы будет очень маленьким, если эти батареи будут работать в режиме глубокого разряда (то есть, когда большая часть энергии АБ используется до того, как начнется зарядка).

Специальные батареи для использования в системах автономного электроснабжения часто собираются из отдельных аккумуляторов с напряжением 2 вольта, соединенных вместе. АБ меньшей емкости с напряжением 6 и 12 вольт также используются. Наиболее распространенным типом АБ являются свинцово-кислотные, как с жидким электролитом, так и герметичные (в последнее время становятся все более популярными вследствие снижения цены)..

Никель-кадмиевые батареи также могут использоваться. Хотя они намного дороже кислотных, зато имеют очень большой срок службы и имеют более стабильное напряжение в процессе разряда.

Емкость батареи.

Количество энергии, которое может быть сохранено в батарее, называется ее емкостью. Она измеряется в ампер-часах. Одна АБ емкостью 100 Ач может питать нагрузку током 1 А в течение 100 часов, или током 4 А в течение 25 часов, и т.п., хотя емкость батареи снижается при увеличении разрядного тока. На рынке продаются батареи емкостью от 1 до 2000 Ач.

Срок службы.

Для увеличения срока службы АБ желательно использовать только малую часть ее емкости до повторной зарядки. Каждый процесс разряда-заряда называется зарядным циклом. Если возможно использовать более 50% энергии, запасенной в АБ до ее заряда, такая батарея называется батареей "глубокого разряда".

Свинцово-кислотные АБ спроектированные для использования в системах автономного электроснабжения имеют срок службы от 300 до 5000 циклов (для никель-кадмиевых до 50 000 циклов), при условии, что они разряжаются на 20% емкости. В системах на базе ВИЭ батарея может разрядиться гораздо сильнее. Для обеспечения длительного срока службы, обычный цикл должен быть менее 20% емкости АБ, а глубокий разряд - не более 80% емкости.

Можно повредить батареи, если перезарядить их. Максимальное напряжение кислотных АБ должно быть 2,5 вольта на элемент, или 15 В для 12-ти вольтовой батареи. Многие фотоэлектрические батареи имеют мягкую нагрузочную характеристику, поэтому при увеличении напряжения ток заряда снижается значительно. Хотя это и хорошо для АБ, однако следует учитывать, что заряд все-таки идет до напряжения примерно 17 вольт (для фотоэлектрической батареи с напряжением холостого хода 18 В). Поэтому во многих случах необходим специальный контроллер заряда. В случае примененения ветроэлектрических станций или микроГЭС, такие контроллеры обязательны.

Основные характеристики аккумуляторов

Для безопасной эксплуатации аккумуляторных батарей необходимо придерживаться следующих правил:

Не создавать цепь короткого замыкания между клеммами батареи, поскольку значительный ток короткого замыкания заряженной батареи способен расплавить контакты клемм и нанести термический ожог.

Не хранить аккумуляторные батареи в разряженном состоянии. В этом случае происходит сульфатация электродов и батареи значительно снижают свою емкость.

Подключать аккумуляторную батарею в устройство только в правильном соответствии с полярностью. Заряженная батарея имеет значительный запас энергии и способна при неправильном подключении вывести устройство из строя.

Не вскрывать корпус батареи. Содержащийся внутри гелеобразный электролит способен вызвать химический ожог кожи.

Утилизировать отслужившую свой срок батарею в соответствии с правилами утилизации для изделий, содержащих тяжелые металлы.

Технические характеристики

 

Разрядные характеристики аккумуляторных батарей

Наиболее важными показателями качества АБ являются: емкость, напряжение, габариты, вес, стоимость, допустимая глубина разряда, срок службы, КПД, диапазон рабочих температур, допустимый ток заряда и разряда. Также, необходимо учитывать, что все характеристики производитель дает при определенной температуре - обычно 20 или 25 °С. При отклонениях от этого напряжения, характеристики меняются, и обычно в худшую сторону.

Значения напряжения и емкости обычно входят в название модели батареи. Например: RA12200DG - батарея напряжением 12 вольт и емкостью 200 ампер*часов, гелевая, глубокого разряда. Это значит, что батарея может выдать в нагрузку энергию 12 х 200 = 2400 Вт*ч при 10 часовом разряде током в 1/10 от емкости. При больших токах и быстром разряде емкость батареи понижается. При меньших токах - обычно увеличивается. Это можно видеть на графике разрядных характеристик аккумуляторных батарей. Также, нужно смотреть на разрядные характеристики на конкретные батареи. Иногда производители в названии пишут завышенную емкость аккумулятора, которая имеет место только в идеальных условиях - так, например, делает Haze (у аккумуляторов Haze реальная емкость процентов на 10-20 ниже, чем указано в названии батареи).

Разрядные характеристики аккумуляторных батарей

 

При разряде током в 0,1 С время работы составляет 10 часов и батарея полностью выдаст в нагрузку аккумулированную энергию. При разряде током 2 С (в 20 раз большим) время работы будет около 15 минут (1/4 часа) и при этом батарея выдаст в нагрузку только половину аккумулированной энергии. При больших токах разряда это значение еще меньше. Зачастую в источниках бесперебойного питания аккумуляторные батареи работают в еще более тяжелых режимах, при которых токи разряда достигают 4 С. При этом время разряда сравнимо с 5 минутами и батарея выдает в нагрузку менее 40% энергии.

Емкость батареи

Количество энергии, которое может быть сохранено в батарее, называется ее емкостью. Она измеряется в ампер-часах. Одна АБ емкостью 100 Ач может питать нагрузку током 1 А в течение 100 часов, или током 4 А в течение 25 часов, и т.п., хотя емкость батареи снижается при увеличении разрядного тока. На рынке продаются батареи емкостью от 1 до 2000 Ач.

Для увеличения срока службы свинцово-кислотной АБ желательно использовать только малую часть ее емкости до повторной зарядки. Каждый процесс разряда-заряда называется зарядным циклом, причем не обязательно полностью разряжать аккумулятор. Например, если вы разрядили аккумулятор на 5 или 10% и затем снова зарядили его - это тоже считается как 1 цикл. Конечно, количество возможных циклов будет сильно отличаться при различной глубине разряда (см. ниже). Если возможно использовать более 50% энергии, запасенной в АБ до ее заряда, без заметного ухудшения ее параметров, такая батарея называется батареей "глубокого разряда".

Заряд-разрядные кривые

Можно повредить батареи, если перезарядить их. Максимальное напряжение кислотных АБ должно быть 2,5 вольта на элемент, или 15 В для 12-ти вольтовой батареи. Многие фотоэлектрические батареи имеют мягкую нагрузочную характеристику, поэтому при увеличении напряжения ток заряда снижается значительно. Поэтому всегда необходимо использовать специальный контроллер заряда для солнечных батарей. В случае применения ветроэлектрических станций или микроГЭС, такие контроллеры также обязательны.

Напряжение

Напряжение на аккумуляторе зачастую является основным параметром, по которому можно судить о состоянии и степени заряженности аккумулятора. Особенно это относится к герметизированным аккумуляторам, у которых не возможно измерить плотность электролита.

Напряжение при заряде, разряде и отсутсвии тока очень сильно отличаются. Для определения степени заряженности аккумулятора измеряют напряжение на его клеммах при отсутствии как зарядного, так и разрядного токов в течение как минимум 3-4 часов. За это время напряжение обычно успевает стабилизироваться. Значение напряжения при заряде или разряде ничего не скажет от состоянии или степени заряженности АБ. Примерная зависимость степени заряженности аккумулятора от напряжения на его клеммах в режиме холостого хода, приведена в таблице ниже. Это типичные значения для стартерных аккумуляторов с жидким электролитом. Для герметизированных аккумуляторов (AGM и гелевых) обычно эти напряжения немного выше (нужно запрашивать производителя) - например, AGM батареи полностью заряжены, если напряжение составляет 13-13,2В (сравните с напряжением стартерных батарей с жидким электролитом 12,5-12,7В).

 

Степень заряженности

Степень заряженности зависит от очень многих факторов, и точно ее могут определить только специальные зарядные устройства с памятью и микропроцессором, которые отслеживают как заряд, так и разряд конкретного аккумулятора в течение нескольких циклов. Этот метод наиболее точный, но и наиболее дорогой. Однако он сможет сэкономить много денег при облуживании и замене аккумуляторов. Применение специальных устройств, контролирующих работу аккумуляторов по степени их заряженности, позволяет очень сильно повысить срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов. Ряд предлагаемых нами контроллеров для солнечных батарей имеют встроенные устройства вычисления степени заряженности аккумулятора и регулируют заряд в зависимости от ее величины.

Для определения степени заряженности можно использовать также следующие 2 упрощенных метода:

Напряжение на аккумуляторе. Этот способ наименее точный, но требует только наличия цифрового вольтметра, способного измерять десятые и сотые доли вольта. Перед измерениями нужно отсоединить от аккумулятора всех потребителей и все зарядные устройства и подождать как минимум 2 часа. Затем можно измерить напряжение на терминалах аккумулятора. Ниже в таблице приведены напряжения для аккумуляторов с жидким электролитом. Для полностью заряженной новой AGM или гелевой батареи напряжение составляет 13-13,2В (сравните с напряжением стартерных батарей с жидким электролитом 12,5-12,7В). По мере старения аккумуляторов это напряжение снижается. Можно измерять напряжение на каждой банке аккумулятора, чтобы найти неисправную банку (разделите напряжение для 12В на 6 для того, чтобы определить нужное напряжение на одной банке).

 

Второй метод определения степени заряженности - по плотности электролита. Этот метод подходит только для аккумуляторов с жидким электролитом. Также, нужно подождать 2 часа перед измерениями. Для измерения используется ареометр. Обязательно наденьте резиновые перчатки и защитные очки! Держите рядом пищевую соду и воду на случай, если вода попадет на кожу.

        

 

Степень заряженности

Батарея 12В

Батарея 24 В

Плотность электролита

100

12.70

25.40

1.265

95

12.64

25.25

1.257

90

12.58

25.16

1.249

85

12.52

25.04

1.241

80

12.46

24.92

1.233

75

12.40

24.80

1.225

70

12.36

24.72

1.218

65

12.32

24.64

1.211

60

12.28

24.56

1.204

55

12.24

24.48

1.197

50

12.20

24.40

1.190

40

12.12

24.24

1.176

30

12.04

24.08

1.162

20

11.98

23.96

1.148

10

11.94

23.88

1.134

 

 

Срок службы аккумуляторов

 

Неправильно определять срок службы аккумуляторов в годах или месяцах. Срок службы батареи определяется числом циклов заряд-разряд и значительно зависит от условий ее эксплуатации. Чем глубже разряжается батарея, чем большее время она находится в разряженном состоянии, тем меньшее число возможных циклов работы.

Срок службы аккумуляторных батарей в циклах

 

Само понятие «количество рабочих циклов «заряда-разряда» аккумулятора» относительное, так как сильно зависит от различных факторов. Кроме того, значение количества рабочих циклов, например для одного типа аккумулятора, не является универсальным понятием, так как зависит от технологии, различной у каждого из производителей.Срок службы аккумуляторов определяется в циклах, поэтому время работы в годах - приблизительное и рассчитано для типичных условий работы. Поэтому, если, например, в рекламе указано, что срок службы аккумуляторов составляет 12 лет, это значит, что производитель посчитал срок службы для буферного режима с средним числом циклов заряд-разряд 8 в месяц. Например, для AGM аккумуляторов Haze указывается срок службы 12 лет и максимальное число циклов 1200 при разряде на 20%. В год получается 100 таких циклов, в месяц - около 8.

Еще один важный момент - в процессе эксплуатации полезная емкость аккумулятора уменьшается. Все характеристики по количеству циклов обычно приводятся не до полной смерти аккумулятора, а до момента потери им 40% своей номинальной емкости. Т.е, если производителем приведено количество циклов 600 при 50% разряде, это значит, что через 600 идеальных циклов (т.е. при температуре 20С и разряде током одной величины, обычно 0,1С) полезная емкось аккумулятора будет 60% от начальной. При такой потере емкости уже рекомендуется замена аккумулятора.

Свинцово-кислотные АБ, предназначенные для использования в системах автономного электроснабжения имеют, срок службы от 300 до 3000 циклов в зависимости от типа и глубины разряда. В системах на базе ВИЭ батарея может разрядиться гораздо сильнее, чем при буферном режиме. Для обеспечения длительного срока службы, в типичном цикле разряд не должен превышать 20-30% емкости АБ, а глубокий разряд - не более 80% емкости. Очень важно сразу же после разряда заряжать свинцово-кислотные аккумуляторы. Длительное нахождение (более 12 часов) в разряженном или не полностью заряженном состоянии приводит к необратимым последствиям в аккумуляторах и снижению их срока службы.

Как определить, что аккумулятор уже близок к окончанию своего срока службы? Очень просто - у аккумулятора повышается внутреннее сопротивление, это приводит к более быстрому росту напряжения при заряде (и, соответственно, снижению времени, требуемого для заряда), и более быстрому разряду аккумулятора. Если заряд производится током, близким к предельно допустимому, умирающий аккумулятор будет нагреваться при заряде сильнее, чем раньше.

Максимальные токи заряда и разряда.

Токи заряда и разряда любой аккумуляторной батареи измеряются относительно ее емкости. Обычно для аккумуляторов максимальный ток заряда не должен превышать 0,2-0,3С. Превышение зарядного тока ведет к сокращению срока службы аккумуляторов. Мы рекомендуем устанавливать максимальный ток заряда не более 0,15-0,2С. Смотрите характеристики на конкретные модели аккумуляторов для определения максимального зарядного и разрядного токов.

Саморазряд.

Явление саморазряда характерно в большей или меньшей степени для всех типов аккумуляторов и заключается в потере ими своей емкости после того, как они были полностью заряжены в отсутствие внешнего потребителя тока.

Для количественной оценки саморазряда удобно использовать величину потерянной ими за определенное время емкости, выраженную в процентах от значения, полученного сразу после заряда. За промежуток времени, как правило, принимается интервал времени, равный одним суткам и одному месяцу. Так, например, для исправных NiCD аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончании заряда, для NiMH – немного больше, а для Li-ION пренебрежимо мал и оценивается за месяц. Саморазряд в герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторах значительно уменьшен и составляет 40% в год при 20 °С и 15% при 5 °С. При более высоких температурах хранения саморазряд увеличивается: при 40 °С батареи лишаются 40 % емкости за 4-5 месяцев.

Следует отметить, что саморазряд аккумуляторов максимален именно в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается. Глубокий его разряд и последующий заряд увеличивают ток саморазряда.

Саморазряд аккумуляторов в основном обусловлен выделением кислорода на положительном электроде. Этот процесс еще больше усиливается при повышенной температуре. Так, при повышении окружающей температуры на 10 градусов по отношению с комнатной возможно увеличение саморазряда в два раза.

В некоторой степени саморазряд зависит от качества использованных материалов, технологического процесса изготовления, типа и конструкции аккумулятора. Потери емкости могут быть вызваны повреждением сепаратора, когда образования слипшихся кристаллов пробивают его. Сепаратором принято называть тонкую пластину, разделяющую положительный и отрицательный электроды. Это обычно происходит из–за неправильного обслуживания аккумулятора, его отсутствия или применения несоответствующих или некачественных зарядных устройств. У изношенного аккумулятора пластинки электродов разбухают, слипаясь друг с другом, что приводит к повышению тока саморазряда, при этом поврежденный сепаратор невозможно восстановить проведением циклов заряда/разряда.

Принципы расчета систем питания постоянного тока.

Принципы расчета принятых схем питания вычислительных центров с использованием систем UPS отличаются от принципов, используемых для систем постоянного тока. Системы постоянного тока имеют иную структуру, компоновку и уровень заводской готовности. От тщательного соблюдения принципов и рекомендаций по их конфигурации зависит достижение требуемого уровня надежности и бесперебойности работы системы в целом.

В последнее время для обозначения характеристик надежности систем широкое распространение получили т.н. «девятки», т.е. показатель вероятности отказа системы в процентах. Например, надежность 99.9% («три девятки») означает, что в среднем за год эта система в принципе может не работать 8-9 часов. В США такая надежность считается стандартной для электрических сетей «общего пользования» без дополнительного резервирования. Если ставится установка резервного питания (дизель-генератор) и АВР, то надежность нашей ЭПУ увеличивается до «средних девяток» – 99.99 – 99.999, что составляет до 5 минут среднего времени отказов в год. Считается, что в среднем стоимость одного часа простоя небольшого сайта электронной коммерции составляет до 8 000 долларов в час невосполнимых убытков. Для крупных он-лайн продавцов такие потери могут достигать 180 000 долларов в час. Неудивительно, что простои по вине электропитания не входят в бизнес-планы предприятий сетевой экономики. Развитие телекоммуникационных сетей, конвергенция сетей передачи данных и голоса требуют повышенной надежности электропитания. Кратковременный перебой в подаче электроэнергии, просадка или всплеск могут привести к многомиллиардным убыткам, потере ценной информации, порче данных и невосполнимым моральным издержкам. Поэтому узлы связи с критичным к перебоям питания телеком- или датаком оборудованием требуют надежности электропитания на уровне не менее «шести девяток». Такая надежность уже требует не просто применения систем постоянного тока, но и соблюдения определенных принципов их расчета.

В общем виде эта процедура включает в себя определение количества выпрямителей, емкости аккумуляторных батарей, сечений и типа батарейных кабелей, номинального тока расцепителя системы защиты батареи, выбора типа и номиналов распределительных автоматов или предохранителей, а также сечений кабеля питания нагрузки. Дополнительно при расчете систем могут быть приняты во внимание требования конструктивного размещения системы (автономно в шкафу либо встраиваемое в существующий статив), конфигурация батарейного стеллажа с учетом требований к максимальной нагрузке на пол, точечной либо распределенной, а также требования к возможности местного или дистанционного управления.

О некоторых принципах расчета систем постоянного тока мы и расскажем ниже.

 

1. Расчет времени работы UPS, ИБП, от аккумулятора (аккумуляторной батареи)

 

Чтобы выполнить расчет времени работы блока бесперебойного питания в автономном режиме, воспользуйтесь усредненными показателями для большинства ИБП. К примеру, время автономной работы при полной нагрузке составляет от 4 до 8 минут, в соответствии, с уменьшением нагрузки этот период увеличивается в той же прогрессии. А можно избежать расчетов и использовать специальные таблицы, в которых определена временная шкала для всех типов ИБП с разбивкой по величинам мощности в нагрузках и емкости встроенных АКБ. При этом следует понимать, что указаны только усредненные данные, которые рассчитаны производителями в качестве оценочных.

В частности, временные параметры приводятся для наиболее идеальных условий работы ИБП, в том числе и в температурном режиме 20-25°С. Но в реальности условия эксплуатации могут значительно отличаться, что также отражается на эффективности работы аккумуляторов источников бесперебойного питания.

Чтобы максимально точно определить временной период автономии АКБ и ИБП, необходимо учесть множество параметров, которые различаются в каждом конкретном случае. Следует использовать специальную формулу, чтобы получить данные по упрощенно-приблизительному времени автономной работы ИБП от аккумуляторных батарей:

 

Т = E • U / P

 

Е - показатель емкости АКБ (Ач)

U - показатель напряжения аккумулятора (В)

P - показатель мощности установки нагрузки ИБП (Вт)

 

Время автономной работы ИБП зависит во многом от уровня его мощности и объема аккумуляторной батареи. К наиболее требовательным нагрузкам относятся управляющие схемы для котлов отопления, для сервера, сложнейшего оборудования лабораторий по проведению циклических экспериментов, а также различного медицинского оборудования.

Важно! Чтобы выполнить наиболее грамотные расчеты автономной работы ИБП от аккумуляторных батарей для таких потребителей в вышеназванной формуле следует сделать скидку для:

- КПД инвертора, значение которого варьируется в диапазоне 0,75 - 0,8,

- количества аккумуляторов в одном устройстве

- степени изношенности АКБ

- глубины разряда - 0,8 - 0,9

 

 

Кроме того, емкость также снижается в зависимости от увеличения температуры в помещении – 1 градус после 40°С – на 5%. Специалисты рекомендуют вообще после 25°С снижать мощность нагрузки источника бесперебойного питания на 20% для каждых десяти последующих пунктов температуры.

Чтобы иметь возможность пользоваться ИБП как можно дольше, рекомендуется в выборе устройства обращать внимание на его дополнительные функции. В частности, подключение дополнительных зарядных плат или стабилизатора. В результате использования таких возможностей вы сможете значительно увеличить работоспособность ИБП, что даст в будущем неплохую экономию. При этом лучше доверить специалистам выполнять индивидуальный расчет параметров конфигурации ИБП.

1. Расчет средней мощности.

Сначала нужно определить среднюю мощность подключенного к UPS оборудования в ваттах. Нам нужно узнать именно среднее (за время работы UPS от аккумулятора) потребление. Оно может отличаться от максимальной или номинальной мощности, указанной в описаниях оборудования.

Например, номинальная мощность блока питания компьютера может быть 500 Вт, а реальное потребление 120 Вт (процессор небольшой мощности - 60 Вт, не слишком навороченная матплата с интегрированным видеоадаптером - 50 Вт и небольшой винчестер - 10 Вт).

Второй пример. Подключенный к UPS холодильник имеет компрессор с электрической мощностью 200 Вт, но включается этот компрессор один раз в 10 минут и работает 2 минуты. В этом случае, среднее потребление будет равно:

200 Вт / 10 мин. * 2 мин. = 40 Вт

 

Если для холодильника указано годовое потребление энергии в киловатт-часах, (например, 270 кВт*час в год), то для расчета средней мощности эту величину нужно разделить на 9:

 

P = 270 / 9 = 30 Вт

 

Нас интересует средняя активная мощность оборудования, питающегося от UPS, т.е. мощность, выраженная в ваттах (Вт), а не в вольт-амперах (ВА). Если известна только полная мощность (в ВА), то ее нужно умножить на коэффициент от 0.6 до 1.0 в зависимости от характеристик оборудования.

2. Расчет суммарной емкости аккумулятора UPS

Обычно аккумуляторная батарея UPS состоит из нескольких одинаковых герметичных свинцовые кислотных аккумуляторов. В частном случае, такой аккумулятор может быть один.

Нам нужно найти суммарную емкость аккумуляторной батареи UPS. Для этого умножим общее количество аккумуляторов на емкость одного аккумулятора.

Например, UPS имеет встроенную аккумуляторную батарею, состоящую из 2-х герметичных свинцовых кислотных аккумуляторов емкостью 17 А*час и напряжением 12 вольт. Кроме того, к UPS подключен один внешний батарейный блок с четырьмя такими же аккумуляторами. Тогда суммарная емкость аккумуляторной батареи UPS будет равна:

 

C = 17 А*час * (2 + 4) = 102 А*час

 

3. Расчет времени работы UPS, ИБП, от аккумулятора (аккумуляторной батареи).

Теперь мы готовы рассчитать время работы UPS от аккумуляторной батареи:

T [час] = C [А*час] * V [В] * η / P [Вт],

 

где: C - рассчитанная ранее суммарная емкость аккумуляторной батареи UPS в ампер-часах; V - напряжение одного аккумулятора в вольтах; η - КПД инвертора UPS (рекомендуется использовать значение 0.85); P - рассчитанная ранее средняя мощность подключенного к UPS оборудования в ваттах.

Для рассмотренных примеров (компьютер средней мощностью 120 Вт и UPS с двумя встроенными 12-вольтовыми аккумуляторами на 17 А*час и внешней аккумуляторной батареей из четырех таких же аккумуляторов) имеем:

 

T = 102 А*час * 12 В * 0.85 / 120 Вт = 8.67 час = 8 час 40 мин

 

Как мы видим, время работы UPS от аккумуляторной батареи не зависит ни от мощности UPS (ИБП), ни от суммарного напряжения его аккумуляторной батареи. Поэтому, для увеличения времени работы UPS от аккумуляторной батареи нужно не выбирать UPS большей мощности, а выбирать UPS (ИБП), у которого больше суммарная емкость аккумуляторов.

4. Очень важная поправка.

Приведенная выше формула приближенно верна для больших времен работы UPS от аккумуляторной батареи (более 8-10 часов). При малых временах разряда (больших токах разряда) аккумулятор отдает только часть емкости. Точно эту величину можно узнать из технических характеристик аккумулятора, а приближенно отражено на графике-1.1.

 

 

График-1.1. Техническая характеристика аккумулятора

 

Поэтому, если по приведенной выше формуле получилось время около 6 часов, его нужно уменьшить на 20%. Для 4 часов - уменьшить на 30%, для 2 часов - на 40%, а если в расчете получилось время около 30 минут, его нужно разделить на 2.

Для точного расчета времени работы UPS от аккумуляторной батареи, нужно использовать точные значения КПД инвертора UPS при данной мощности и разрядные кривые данного типа аккумуляторов.

 

 

2. Определение тока короткого замыкания аккумуляторной батареи

 

При подключении к аккумуляторной батареи с ЭДС 24 Вольта, сопротивления величиной 4 Ома, в цепи протекает ток 10 Ампер. Определить ток короткого замыкания аккумуляторной батареи.

 

Дано: E=24 В; R=4 Ом; I1=10 А

Найти: I2 — ?

 

Решение:

 

Из формулы закона Ома для полной цепи , определяем внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи .

 

Ток короткого замыкания аккумуляторной батареи

 

 

A

 

Ответ: ток короткого замыкания данной аккумуляторной батареи равен 30 Амперам

 

 

3. Определение электродвижущей силы (ЭДС) и внутреннего сопротивления аккумулятора

 

 

Электродвижущая сила и напряжение. Электродвижущей силой (ЭДС) называется разность потенциалов положительного и отрицательного электродов аккумулятора при разомкнутой внешней цепи.

Величина ЭДС зависит, главным образом, от электродных потенциалов, т. е. от физических и химических свойств веществ, из которых изготовлены пластины и электролит, но не зависит от размеров пластин аккумулятора.

ЭДС кислотного аккумулятора зависит также от плотности электролита. Теоретически и практически установлено, что ЭДС аккумулятора с достаточной для практики точностью можно определить по формуле

 

Е=0,85 + g,

 

где g– плотность электролита при 15°С, г/см3.

 

Для кислотных стартерных аккумуляторов, в которых плотность электролита колеблется в пределах от 1,12 до 1,29 г/см3,  ЭДС изменяется соответственно от 1,97 до 2,14 В.

Измерить ЭДС с абсолютной точностью почти невозможно. Однако для практических целей ЭДС приблизительно и достаточно точно можно измерить вольтметром, имеющим высокое внутреннее сопротивление (не менее 1000 Ом на 1 В). При этом через вольтметр будет проходить ток незначительной величины.

Напряжением аккумулятора называется разность потенциалов положительных и отрицательных пластин при замкнутой внешней цепи, в которую включен какой-либо потребитель тока, т. е. при прохождении тока через аккумулятор. При этом показания вольтметра при измерении напряжения всегда будут меньше, чем при замере ЭДС, и эта разность будет тем больше, чем больший ток проходит через аккумулятор.

ЭДС и напряжение зависят от ряда факторов. ЭДС изменяется от плотности и температуры электролита. Напряжение в свою очередь зависит от ЭДС, величины разрядного тока (нагрузки) и внутреннего сопротивления аккумулятора.

Зависимость ЭДС аккумулятора от плотности электролита (концентрации раствора Н2SО4) приведена ниже:

Плотность электролита при 25°С,г/см3....1,05  1,10  1,15 1,20  1,25    1,28  1,30

Н2SО4, %........ 7,44   14,72    21,68   27,68   33,8    37,4   39,7

ЭДС аккумулятора, в....1,906  1,960   2,005  2,048   2,095   2,125  2,144

Из этой зависимости видно, что с увеличением концентрации серной кислоты ЭДС также увеличивается. Отсюда, однако, не следует, что для получения большей ЭДС можно чрезмерно увеличивать плотность электролита. Установлено, что стартерные аккумуляторные батареи достаточно хорошо работают тогда, когда плотность электролита в них составляет 1,27 – 1,29 г/см3.Кроме того, электролит плотностью 1,29 г/см3имеет самую низкую точку замерзания.

При изменении температуры электролита ЭДС аккумулятора также меняется. Так, с изменением температуры электролита от +20°С до -40°С ЭДС аккумулятора снижается с 2,12 до 2,096 в. В значительно большей степени с изменением температуры электролита меняется напряжение, так как оно зависит не только от ЭДС, но и от внутреннего сопротивления аккумулятора, которое с понижением температуры значительно возрастает.

Между ЭДС, напряжением, внутренним сопротивлением и величиной разрядного тока существует следующая зависимость:

 

U=Е-Ir,

 

где U – напряжение;

Е – э. д. с. аккумулятора;

I – величина разрядного тока;

r – внутреннее сопротивление аккумулятора.

 

Из этой формулы видно, что при постоянном значении ЭДС, измеряемой при разомкнутой цепи, напряжение аккумулятора падает по мере увеличения отдаваемого в процессе разряда тока.

 

 

 

4. Расчет времени заряда аккумуляторов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение количества выпрямителей

 

Начинается расчет конфигурации системы питания с определения количества выпрямителей. Для этого необходимо знать потребляемую мощность нагрузки в Ваттах (или в Амперах) в номинальном и пиковом режимах, а также, для правильного выбора типа системы, ожидаемую мощность расширения в будущем. Данные о напряжении питания и потребляемой мощности можно найти в технической документации на оборудование. К сожалению, в настоящее время единого стандарта напряжения и режима заземления для источников питания постоянного тока нет. Традиционно на Взаимоувязанной сети связи РФ используются напряжения –60В для питания коммутаторов и абонентских линий, -24В для питания каналообразующей аппаратуры. Импортные системы поставляются на напряжение –48В (коммутаторы, выносы и MSC), а также на +24В (базовые станции сотовой и транкинговой связи). Решение о том, какую схему вторичного питания выбрать принимается после того, как собрана полная информация о потребителях, их напряжении питания и потребляемых мощностях. С точки зрения надежности целесообразно выбрать некоторую общую платформу (например, -48В) и запитать прочую нагрузку с помощью вторичных преобразователей - DC/DC конверторов (48/24 или 48/60) и инверторов. Преимуществом такого решения будет использование общей аккумуляторной батареи, обеспечивающей равное время резерва для питания всего узла связи.

Для расчета количества выпрямителей Nвыпр необходимо потребляемую мощность нагрузки Pнаг разделить на мощность одного выпрямителя Pвыпр, и округлить полученный результат до целого в большую сторону.

Nвыпр наг = Pнаг / Pвыпр

При определении мощности нагрузки нужно не забыть включить в нее таких потребителей, как инверторы (преобразователи постоянного тока в переменный), дополнительные DC/DC конверторы, системы резервного освещения и т.п. Мощность инверторов измеряется в ВА (вольт-амперах) и при расчете мощности нагрузки эту мощность можно учитывается как мощность в Вт (например, инвертор 1000ВА имеет эквивалентную нагрузку 1000Вт).

Ринв,Вт = РВА

Для учета нагрузки DC/DC конверторов их номинальную мощность в Вт нужно разделить на КПД, который для современных конверторов небольшой мощности (до 700Вт) составляет 0.8-0.9.

РDCконв = Р DC/DC / 0.8

Полученное число Nвыпр наг запоминается и начинается процедура расчета емкости аккумуляторной батареи.

Расчет емкости аккумуляторной батареи

Емкость аккумуляторной батареи определяется из условий 10-ти часового разряда с постоянной мощностью (или током) при температуре 20-25 °С до конечного напряжения 1.8В на гальванический элемент. Обычно при выборе батареи пользуются разрядными таблицами или формулами, предоставляемыми производителями батарей. Такой метод дает самые точные результаты. Для очень грубой оценки емкости можно воспользоваться методом «ампер-часов» (т.е. умножением тока нагрузки на время резерва в часах).

Процедура расчета с использованием таблиц разряда сводится к следующему: по известному значению мощности нагрузки Pнаг (с учетом всех дополнительных преобразователей!) определяется удельная мощность на один 2 вольтовый гальванический элемент батареи. На этом шаге также решается, сколько батарейных «групп», или «стрингов» будет использовано. С точки зрения надежности работы и удобства обслуживания рекомендуется использовать батарею, состоящую не менее, чем из двух батарейных групп. Одна группа батареи 48В имеет 24 гальванических элемента, а одна батарея +24В – 12. Если принимается решение об использовании Nбат батарейных групп, то количество 2В гальванических элементов для 48В будет равно:

N гэ = 24 * Nбат ,

А удельная мощность на один элемент для батареи 48В составит:

Ргэ = Pнаг / N гэ

Далее, зная требуемое время резерва в минутах или часах, по таблице разряда определяется емкость аккумуляторной батареи. Для этого полученное значение Ргэ сравнивается со значением мощности разряда в таблице для соответствующего столбца- времени резервирования и выбирается ближайшее большее значение. Соответствующая строка покажет требуемую емкость.

Пример 1:

Мощность нагрузки 1500Вт/48В, время резервирования 4 часа.

Принимаем количество батарейных групп равным 2, тогда удельная мощность на элемент будет равна Ргэ = 1500/(24*2) = 31.25 Вт/г.э.

По таблице разряда с постоянной мощностью до напряжения 1.8В на г.э. получаем, например, для батареи “Oerlikon Compact Power” – тип 6CP80, емкостью 80 Ач. В этом случае батарея будет состоять из двух параллельно соединенных групп по 8 шестивольтовых моноблоков в каждой из групп, соединенных последовательно, всего 16 блоков типа 6СР80. Общая емкость батареи составит 160 Ач.

При использовании метода «ампер-часов» мы бы получили результат 120Ач, т.к. 1500Вт деленные на 50В дают примерный ток нагрузки 30А, умноженные на 4 часа = 120Ач. Как можно видеть, без использования поправочных коэффициентов этим способом нужно пользоваться с осторожностью.

После того, как требуемая емкость аккумуляторной батареи определена, необходимо оценить достаточна ли мощность нашей системы питания для перезаряда батареи в течении заданного времени. Обычно это время составляет 10 часов, но может быть задано и меньшим, в зависимости от условий конкретного объекта. Достаточно точно можно определить время перезаряда до уровня 0.8-0.9 от номинальной емкости, т.к. на этом участке «работает» правило «ампер-часов», т.е. практически линейная зависимость тока заряда от емкости. Полностью заряд батарея набирает в течение от одних до нескольких суток.

Этот метод оценки времени перезаряда батареи заключается в следующем. Полученное количество выпрямителей Nвыпр наг умножается на мощность одного выпрямителя Pвыпр и из полученной общей мощности системы вычитается мощность нагрузки Pнаг . Полученная разница делится на минимальное напряжение системы питания (например, 43.2В), откуда получается величина максимального тока I max. Значение общей номинальной емкости батареи в Ач умножается на 0.8 и делится на значение I max. В результате получается ориентировочное время перезаряда батареи. Если полученное время превышает 10 часов, необходимо добавить один или несколько выпрямителей.

Пример 2.

Мощность нагрузки 1500Вт/48В, время резервирования 4 часа.

Выбирается система питания с выпрямителем мощностью 680Вт. Требуемое количество выпрямителей равно 1500/680 = 2.2 => округляется до 3.

Емкость аккумуляторной батареи 160 Ач.

Общая мощность системы питания с тремя выпрямителями равна 680*3=2040Вт

Запас мощности равен: 2040-1500=540Вт.

Максимальный ток нагрузки с полностью разряженной батареей: 540Вт/43.2В=12,3 А

Ориентировочное время перезаряда равно: 160*Ач*0.8/12.8А= 10 ч, что является удовлетворительным.

Некоторые производители систем питания предоставляют очень удобные инструменты для точного расчета времени перезаряда с учетом типа батареи (гелевые или AGM), мощности нагрузки, требуемого уровня заряда и других параметров.

 

Общее количество выпрямителей с учетом мощности нагрузки и заданного времени перезаряда батарей будет равно:

Nвыпр общее = Nвыпр нагр + Nвыпр бат + 1,

Где 1 – резервный выпрямитель (принцип N+1).

Использование резервного выпрямителя является необходимым и часто достаточным условием обеспечения требуемой надежности работы системы.

Расчет системы защиты батареи от глубокого разряда

Следующим шагом является расчет системы защиты батареи от глубокого разряда. Существует, в принципе, два условия, которые должны быть при этом учтены: во-первых, при нормальной работе ток батареи должен быть не более 80% номинала устройства защиты, и, во-вторых, система должна сохранить работоспособность даже при отключении одной из групп батарей (если их больше одной). Если используется больше 6 групп батарей, защита должна обеспечить возможность отключения минимум 20% общего количества групп.

Процедура расчета сводится к следующему. Сначала определяется максимальный ток нагрузки I max путем деления мощности нагрузки Pнаг на минимальное напряжение (напряжение срабатывания защиты батареи) U min bat .

I max = Pнаг / U min bat

Напряжение U min bat рассчитывается исходя из количества гальванических элементов в батарее (для 48 батареи – 24 шт.) и конечного напряжения разряда на элемент (обычно 1.8В), т.е. 24*1.8= 43.2В.

Далее, максимальный ток системы нужно разделить на количество батарейных групп минус 1 (т.е. с учетом одной отключенной группы) и получить максимальный ток через одну батарею для “наихудшего случая”.

I max bat = I max / (N бат - 1)

Разделив полученное значение I max bat на 0.8 (коэффициент нагрузки) мы получим минимальное значение тока системы защиты батареи.

I bat protect = I max bat / 0.8

Пример 3.

Мощность нагрузки 1500Вт/48В, время резервирования 4 часа.

Емкость аккумуляторной батареи 160 Ач, состоящей из двух групп по 80 Ач каждая.

Максимальный ток системы в режиме разряда батарей: I max = 1500/43.2=34.7 А

Максимальный ток через одну батарею с учетом одной батареи отключенной:

I max bat = 34.7/(2-1) = 37.7А

Минимальный ток блока защиты батареи: I bat protect = 37.7/0.8 = 43.4 А

Для системы питания можно выбрать блок защиты батарей 2х50А.

Вообще, существует два распространенных способа защиты батарей от глубокого разряда – либо путем отключения батарей от общих шин системы питания, либо путем отключения от них нагрузки. Последний способ с точки зрения ведущих производителей в настоящее время является более перспективным, т.к. такая система позволяет реализовать приоритетный принцип разделения нагрузки с минимальным влиянием секций с низким и высоким приоритетом друг на друга. Отключение нагрузки с низким приоритетом в режиме работы от батарей дает дополнительное время резерва для нагрузки с высоким приоритетом и экономию средств за счет установки батареи с меньшей емкостью.

Расчет сечения и длины батарейных кабелей

После расчета системы защиты батареи от глубокого разряда необходимо рассчитать сечения и длину батарейных кабелей. Основным условием расчета сечения является ограничение падения напряжения на кабеле по всей длине, с учетом положительной и отрицательной ветви, до уровня 0.5В. Минимальное сечение батарейного кабеля определяется по формуле:

 Smin = 2*L*(Рнаг / (Umin bat*Nbat))*р/ΔU,  [mm2]

Где, 

L – расстояние от батареи до системы питания, [м]

ρ - коэффициент удельного сопротивления меди = 0.0175 [ом * мм2 / м] при 20ºС

ΔU – допустимое падение напряжения на батарейном кабеле = 0.5В

Umin bat - минимальное напряжение на АБ

Nbat - кол-во батарейных групп

Рнаг -мощность нагрузки.

Если получившееся значение Smin достаточно велико (например, больше 300 мм2), можно использовать несколько кабелей на полюс батареи, число которых определяется по формуле:

N пол = S min / S каб

Где S каб - сечение выбранного кабеля.

Общая длина батарейных кабелей будет равна:

L бат = 2 * N бат * N пол * L

Расчет системы распределения постоянного тока

После расчета аккумуляторной батареи наступает черед расчета системы распределения постоянного тока – сечения кабелей и их длина, типы и номиналы автоматических выключателей или предохранителей. Поскольку эта часть расчета тесно связана с требованиями нагрузки и зависит от ее специфики, здесь уместны только самые общие рекомендации.

Для расчета сечения кабеля питания можно применить ту же формулу, что и для расчета сечения батарейного кабеля, с той лишь разницей, что падение напряжение DU при максимальном токе рекомендуется ограничить величиной 2 вольта.

Типы и номиналы автоматических выключателей или плавких предохранителей выбираются согласно требованиям нагрузки и рекомендациям производителей систем электропитания, причем автоматические выключатели рекомендуется нагружать током, не превышающим 50% от номинала автомата, а плавкие предохранители – не более 80%.

Если нагрузка критична к питающему напряжению, например, имеет строго заданное “окно”, то необходимо использовать т.н. “высокоомное распределение”, обеспечивающее постоянство параметров во всех режимах работы системы питания, в том числе даже в режиме к.з. Такое распределение идеально для нагрузки, имеющей централизованное питание и большое количество взаимосвязанных потребителей. Правильно рассчитанная сеть обеспечит такое «аккуратное» отключение поврежденного в результате к.з. потребителя, при котором соседние потребители этого даже не «почувствуют».

Расчет системы постоянного тока – выбор типа системы питания, мощности и количества выпрямителей, определение емкости аккумуляторной батареи, системы распределения постоянного тока и ее защиты от влияния переходных процессов требует соблюдения некоторых правил и принципов, часть из которых в общем виде была рассмотрена нами в данной статье. Предложенная методика расчета систем постоянного тока является одним из примеров практических инженерных способов, дающим хорошие результаты и имеющим приемлемую точность. Соблюдение этих принципов обеспечит долгий срок службы, заданный уровень надежности и высокое качество питания потребителей системы электропитания постоянного тока.

 

 

 

АННОТАЦИЯ

 

     В настоящем пособии не приводятся сложные теоретические вык-

ладки, формулы и графики, описывающие все многообразие электрохи-

мических и физических процессов,  протекающих в аккумуляторной ба-

тарее. Рассматриваются только кислотные стартерные аккумуляторы.

     Дается минимальное количество понятий и сведений, достаточное

для понимания  основных  процессов,  позволяющее  автолюбителю са-

мостоятельно без больших затрат сил и времени организовать  рацио-

нальный уход  за аккумулятором и продлить срок его безотказной ра-

боты.

     Пособие предназначено  для  автолюбителей,  которые  в боль-

шинстве своем  не  являются  специалистами  в  области  химических

источников тока,   однако   предполагается   что   читатель  имеет

представление об устройстве современной аккумуляторной батарее.

 

 

     1. ВВЕДЕНИЕ

     Аккумуляторная батарея - одно из самых сложных устройств сов-

ременного автомобиля. В ней непрерывно протекают многие электрохи-

мические и физические процессы,  взаимосвязанные и в  значительной

мере обусловленные влиянием внешних факторов.  И как любое слож-

ное устройство, требует соответствующего ухода при соответствующей

квалификации.

     Автолюбителя, в большинстве своем,  интересуют чисто практи-

ческие вопросы.  Такие, как например, почему батарея уже через два

сезона не обеспечивает пуск совершенно исправного двигателя? Поче-

му батарея  прослужила  всего два года,  а не 5 или 8 лет,  хотя и

прошел автомобиль по 3 тысячи км в год из-за  отсутствия  бензина?

Что надо  делать  для  того,  чтобы аккумуляторная батарея служила

долго и не подводила в самый неподходящий  момент?  И  сколько  ей

уделять времени,  и  не  следует ли с ней возиться каждый день?  И

многие другие подобные вопросы.

     Для ответов  на эти вопросы необходимо пользоваться не только

готовыми рекомендациями и инструкциями,  но и  иметь  определенный

уровень знаний об аккумуляторных батареях.

     Аккумуляторы, как и иные химические источники тока, интенсив-

но изучаются и совершенствуются, однако зачастую многие публикации

недоступны для автолюбителя и понимание ряда вопросов требует спе-

циальной профессиональной подготовки.  Во многих журнальных стать-

ях, пособиях, рекомендациях, инструкциях и т.п. наряду с безуслов-

но правильной и полезной информацией много субъективизма, а в ряде

случаев, к сожалению, просматривается непонимание, незнание и кор-

поративные интересы  авторов (особенно в журнале "За рулем").

     Настоящее пособие преследует очень простую цель - дать  авто-

любителю начальные знания по уходу за аккумуляторной батареей.  Мы

старались избежать сложных теоретических выкладок м формул. Тем не

менее, полностью исключить теоретические сведения нельзя.

     Без понимания основных процессов,  протекающих в аккумуляторе

в тех или иных условиях,  невозможно построить оптимальную тактику

ухода за аккумуляторной батареей в реальных условиях  эксплуатации

(собственно аккумулятора),  избежать досадных ошибок, даже пользу-

ясь огромным количеством правильных рекомендаций.

     Мы понимаем,  что  данное пособие тоже не лишено недостатков,

однако постарались в логической  последовательности  изложить  из-

вестные факты, различные методики и выполняемые работы по уходу за

аккумулятором. Надеемся, что материал, изложенный в пособии, помо-

жет автолюбителю в уходе за аккумуляторной батареей.

 

     2. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ В АККУМУЛЯТОРЕ

     2.1. Понятия и определения

     Аккумулятор является  обратимым источником тока.  Он способен

отдавать в нагрузку во внешней цепи ранее запасенную  энергию.  На

легковые автомобили устанавливаются аккумуляторные батареи, состо-

ящие из  шести  последовательно  включенных   аккумуляторов.   Они

способны обеспечивать  большие  разрядные токи и относятся к классу

стартерных аккумуляторных батарей. Это отражено в маркировке бата-

рей. Например,  батарея 6СТ-55 содержит 6 аккумуляторов,  стартер-

ная, номинальная энергоемкость составляет 55 ампер-часов.

     Приведем некоторые основные понятия и определения, характери-

зующие аккумуляторную батарею в различных режимах работы.

     Электродвижущая сила  (ЭДС) - это разность электродных потен-

циалов при разомкнутой электрической цепи.  ЭДС  аккумулятора  за-

висит от  плотности  температуры  электролита  и  состава активной

массы пластин. Выражается ЭДС в вольтах и обычно обозначается бук-

вой Е.  Измерить ЭДС можно вольтметром с большим внутренним сопро-

тивлением, превышающим 20 кОм.

     ЭДС покоя (Е0) - это ЭДС аккумулятора,  находящегося длитель-

ное время (более 2-3 часов) без нагрузки.

     ЭДС аккумулятора  под нагрузкой отличается от ЭДС покоя.  Это

вызвано том,  что при прохождении тока в цепи на  электродах  и  в

электролите происходят  необратимые  физические  и химические про-

цессы, связанные с потерей энергии.  Один из них - это процесс по-

ляризации.

     ЭДС поляризации (Еп) - это ЭДС аккумулятора при наличии поля-

ризации пластин.

     Еп всегда направлена навстречу току.

     При заряде ЭДС аккумулятора равна сумме ЭДС покоя и ЭДС поля-

ризации:

                   Е = Е0 + Еп,

     а при заряде

                   Е = Е0 - Еп.

     Величину Е называют динамической ЭДС,  или просто ЭДС аккуму-

лятора.

     В замкнутой электрической цепи постоянного тока,  когда к ак-

кумулятору подключены потребители,  связи между ЭДС, проходящим по

цепи током и сопротивлением цепи определяется по закону Ома:

 

                  Е = I (R + r),                    (1)

 

     где Е - ЭДС, В;

         I - сила тока в цепи, А;

         R - активное сопротивление внешней цепи, Ом;

         r - полное  сопротивление  участка электрической

             цепи внутри самого источника тока, Ом.

     Выражение (1) можем переписать в виде:

 

                  Е = IR + Ir,                      (2)

 

     т.е. ЭДС  аккумулятора  компенсирует  падение  напряжения  на

внешней цепи U=IR и падение напряжения внутри самого источника то-

ка на его полном внутреннем сопротивлении Ur=I*r.

     Величина U=I*R - это напряжение аккумулятора.  Это напряжение

на зажимах аккумулятора,  которое используется для работы потреби-

телей тока.

     Из уравнения (2) видно,  что при работе аккумулятора его нап-

ряжение U всегда меньше чем ЭДС, так как

 

                  U = E - Ur.

 

     По мере износа аккумулятора его внутреннее сопротивление воз-

растает. Это  одна из причин пониженного напряжения на зажимах ак-

кумулятора под нагрузкой.  поскольку увеличивается Ur. У разряжен-

ного аккумулятора ситуация подобная.

     Различают зарядное напряжение, равное

 

                  Uэ = E + Iз*r,

 

     и разрядное напряжение:

 

                  Uр - E - Iр*r,

 

     где Iз - зарядный ток, А;

         Iр - разрядный ток, А;

         r  - внутреннее сопротивление аккумулятора, Ом.

     Нормальный зарядный   ток  -  величина  зарядного  тока  (А).

численно равная 0.1 емкости аккумуляторной батареи,  выраженная  в

ампер-часах.

     Внутреннее сопротивление аккумулятора складывается из  сопро-

тивления электродов,  электролита  и сопротивления,  обусловленного

сепараторами (прокладками между пластинами).  Внутреннее сопротив-

ление - величина непостоянная.  Оно зависит от конструкции элект-

родов, состояния активной массы, плотности электролита, температу-

ры. В  полностью  заряженном аккумуляторе внутреннее сопротивление

значительно меньше,  чем у разряженного.  Объясняется это тем, что

электропроводность активной  массы  заряженного аккумулятора выше,

чем у разряженного.

     Емкость аккумулятора - это количество электричества,  которое

может запасти или отдать аккумулятор.

     Емкость зависит от величины тока разряда. Емкость аккумулято-

ра определяется как величина, равная произведению постоянного тока

на время при 20-часовом режиме разряда до напряжения 1.7 В:

 

                    Q20 = Ip*tp = Ip*20 (А*ч),

 

     где Iр - величина разрядного тока,

         tр - время разряда.

     Емкость по  току разрядная Qр - номинальная емкость аккумуля-

тора при разряде:

 

                    Qp = Ip*tp,

 

     где Ip - величина разрядного тока, А;

         tp - время разряда.

     Зарядная емкость  аккумулятора  -  характеризует   количество

электричества, полученное аккумулятором в процессе заряда:

 

                    Qз = Iз * tз,

 

     где Qз - зарядная емкость, А*ч;

         Iз - зарядный ток, А;

         tз - время заряда, ч.

     КПД аккумулятора по емкости КПДе (...) - это  отношение  раз-

рядной емкости к зарядной:

 

 

 

 

 

     У современных аккумуляторов КПД по емкости равно 0.85.

     Емкость по энергии - характеризует  способность  аккумулятора

выполнить электрическую работу за определенное время.

     Измеряется в ватт-часах.

     Емкость по энергии при разряде:

 

                      Ap = Up * Ip * tp,

 

     где Up - разрядное напряжение (среднее), В;

         Ip - ток разряда, А;

         tp - время разряда, ч.

     Емкость по энергии при заряде:

 

                      Аз = Uз * Iз * tз,

 

     где Uз - среднее зарядное напряжение, В;

         Iз - ток заряда, А;

         tз - время заряда, ч.

     КПД аккумулятора  по  энергии (отдача аккумулятора) определя-

ется как отношение емкости по энергии при разряде  к  емкости  при

разряде:

 

 

 

 

     Современный аккумулятор имеет КПД по энергии, равный 0.68*

     По мере износа аккумулятора эта величина уменьшается.

     Емкость аккумулятора сильно зависит от  режима  разряда.  При

больших токах  разряда  она  падает в несколько раз по сравнению с

разрядом током 20-часового режима разряда.  Например, в стартерных

режимах, когда  ток  достигает  150-200 А емкость батареи падает в

2-3 раза.

     При снижении  температуры емкость аккумулятора также уменьша-

ется.

     С повышением  температуры емкость аккумулятора увеличивается,

однако при температурах выше 45 С аккумуляторы  необратимо  теряют

емкость и сокращается их срок службы.

     Саморазряд аккумулятора - потеря заряда заряженным  аккумуля-

тором.

     Саморазряд внутренний - обусловлен  химическими  реакциями  в

аккумуляторе. У исправных аккумуляторов при t=+1...+20 С за 1 сут-

ки составляет 1%  от номинальной емкости,  или 30%  за месяц.  При

снижении температуры ток саморазряда уменьшается.

     Очевидно, что неработающий  аккумулятор  необходимо  заряжать

1-2 раза в месяц.  По мере старения аккумулятора саморазряд проте-

кает более интенсивно.

     Саморазряд внешний  -  обусловлен электропроводностью загряз-

ненной поверхности между клеммами аккумулятора. Может достигать ве-

личин 0.5 А и более.

     Очевидно, что батарею необходимо очищать от загрязнений.

     Срок службы аккумулятора - время безотказной работы,  в тече-

ние которого обеспечивается и стартерный режим.

     Срок службы  аккумулятора зависит от очень многих внутренних

и внешних факторов.  Гарантийный срок (который может быть уменьшен

при неправильном   уходе)  указывается  в  паспорте  и  зависит  от

конструкции и технологии изготовления.

     Обычно это   200-300   циклов  заряда-разряда  для  намазных

пластин и 1500-2000 для панцирных пластин.

     Понятно, что  следует  избегать длительных стартерных режимов

разряда, глубоких разрядов.

 

     2.2. ЗАРЯД АККУМУЛЯТОРА

 

     2.2.1. Электрохимические процессы при заряде.

     При заряде  сульфат свинца обеих пластин под действием элект-

рического тока при электролизе переходит на положительной пластине

в перекись свинца, а на отрицательной - в губчатый свинец.

     Эти химические процессы описываются уравнение:

 

 

     Как видно из уравнения,  в процессе заряда плотность электро-

лита повышается из-за образования серной кислоты.

     В конце  цикла  заряда количество уменьшается и более активно

происходит электролиз воды с выделением на положительном электроде

кислорода, а  на  отрицательном - водорода.  Этим обусловлено ин-

тенсивное газовыделение в конце заряда. Часть воды из электролита

удаляется.

     Поэтому после прекращения заряда аккумулятора в течение  2-3

часов идет  выравнивание  плотности  электролита  в порах активной

массы и в межэлектродном пространстве.  Через 3 часа после зарядки

аккумулятора необходимо  проверить  и  откорректировать  плотность

электролита, добавив или дистиллированной воды или кислоты по мере

необходимости.

     Плотность полностью заряженного аккумулятора должна быть

 

                    dз = 1.28+0.005 г/см3

 

     Во время заряда плотность электролита в аккумуляторах повыша-

ется постепенно  и только к концу заряда принимает постоянное зна-

чение. Напряжение на аккумулятора медленного возрастает с 2.2  до

2.4 В, начинается газовыделение.

     Напряжение в конце заряда составляет  2.6-2.65  В,  при  этом

происходит обильное газовыделение.

     Это объясняется тем,  что практически закончено преобразова-

ние сульфата свинца и вся энергия тока зарядного устройства расхо-

дуется на электролитическое разложение воды.

 

     2.2.2. Зарядные характеристики аккумулятора.

     Процесс заряда  аккумулятора описывается определенным набором

зарядных характеристик.

     Зарядными характеристиками аккумулятора называются изменяющи-

еся во времени в процессе заряда следующие величины:

     - напряжение аккумулятора;

     - ЭДС покоя;

     - динамическая ЭДС;

     - плотность электролита;

     - температура электролита;

     - интенсивность газовыделения.

     Все эти  характеристики  взаимозаменяемы  и зависят от многих

факторов, определяющих состояние аккумулятора, и величины зарядно-

го тока.

     При температуре +20 С и постоянной нормальной величине заряд-

ного тока  для  исправного аккумулятора эти характеристики меняются

следующим образом.

     Напряжение аккумулятора - для разряженного аккумулятора в на-

чале заряда 2.18 В.  Затем оно в течение 1-2 часов  возрастает  до

2.25-2.3 В и очень медленно увеличивается (6-8 часов),  после чего

начинает быстро возрастать при достижении напряжения  2.4  В.  При

напряжение U>2.7 В начинается перезаряд аккумулятора.

     ЭДС покоя зависит от температуры и концентрации  электролита.

Для разряженного аккумулятора ЭДС покоя = 1.95 В,  а для заряжен-

ного - 2.18 В.  По мере заряда аккумулятора эта характеристика ме-

няется линейно  между  указанными  граничными значениями.  По ЭДС

можно судить о степени заряженности  аккумулятора,  однако  весьма

приближенно, поскольку  изменяется ЭДС покоя на небольшую величину

и зависит от нескольких факторов.

     Динамическая ЭДС  имеет почти такой же характер зависимости от

времени, как и напряжение. Она немного меньше напряжения, В начале

заряда динамическая ЭДС равна 1.95 В, а в конце - примерно 2.7 В.

     Плотность электролита между пластинами аккумулятора при заря-

де линейно  изменяется от 1.11 г/см3 для разряженного аккумулятора

до 1.28 г/см3 - для заряженного.  Это одна из основных  диагности-

ческих характеристик аккумулятора.  Зная температуру электролита и

его плотность можно с приемлемой степенью точности определить сте-

пень заряженности аккумулятора.

     Температура электролита линейно возрастает в процессе заряда,

и значительно быстрее растет в области перезаряда.

     Интенсивность газовыделения незначительно до  напряжения  2.4

В. После этого значения до 2.7 В - обильное газовыделение, которое

сохраняется и в области перезаряда.

     Обильное газовыделение  свидетельствует  о  завершении процесса

полезного заряда аккумулятора.

 

     3. Зарядка аккумуляторных батарей.

 

     В зависимости от возможностей, задач и условий эксплуатации ак-

кумуляторов применяются различные методы заряда аккумуляторов.

 

     3.1. Заряд постоянным током.

     Этот метод реализуется с помощью стабилизированного источника

тока. Величина  зарядного  тока  поддерживается постоянной во всей

области полезного заряда.  Область полезного заряда занимает время

до обильного газовыделения.

     Величина (нормальная) зарядного тока устанавливается численно

равной 0.1  емкости  аккумулятора,  выраженной в ампер-часах.  Как

правило, это максимальный зарядный ток.

 

                        J10 = Q/10.

 

     Например, для батареи емкостью 54 А.ч

 

                        J10 = 54/10 = 5.4 А.

 

     Аналогично определяется ток 20-часового режима.

     Например:

                        J20 = 54/20 = 2.7 А.

     Разумеется, если время не очень лимитировано, то целесообраз-

но заряжать током в 2 раза меньшим.  Это  увеличивает  сохранность

аккумулятора, поскольку  реализуются менее интенсивные электрохи-

мические процессы и механические напряжения в  активных  элементах

аккумулятора.

     При заряде контролируют ток,  напряжение, температуру и плот-

ность электролита. Характер их изменения описан в п. 2.2.2.

     Напряжение на аккумуляторе 2.7 В (16.2 В на батарее 6СТ)  при

плотности 1.28  В  свидетельствует о конце заряда аккумулятора при

сильном газовыделении.

     С целью  полного  использования  активной массы пластин заряд

аккумулятора продолжают  1-2  часа  при  сильном   газовыделении,

уменьшив ток  в  2-3  раза.  Эта область перезаряда необходима для

полной уверенности, что аккумуляторная батарея полностью заряжена.

Зарядный КПД батарей равен 0.85.

     Например, можно определить время заряда стартерной  аккумуля-

торной батареи емкостью 54 А.ч током 5.5 А:

 

                     54/(0.85*5.5) = 11.6 часов.

     Количество электричества, полученное аккумулятором:

 

                  Iз*tз = 5.5*11.6 = 64 А.ч,

     где Iз - ток заряда, tз - время заряда.

     Разумеется, не более 85% этого электричества запасено в бата-

рее, а остальное израсходовано на тепло и газовыделение в процессе

электролиза.

     После прекращения  заряда и выключения тока напряжение на за-

жимах аккумулятора резко падает и затем снижается медленно по мере

выравнивания плотности  элетролита в порах пластин и между пласти-

нами.

     Недостатки этого метода заряда.

     - сравнительно большое время заряда;

     - сложное зарядное устройство.

     Преимущества метода заряда постоянным током:

     - хорошо  контролируются все стадии процесса заряда аккумуля-

тора;

     - легко  реализуются  "щадащие" режимы зарядки малыми токами,

продлевающие срок службы аккумулятора.

 

     3.2. Ступенчатый заряд.

     Этот метод применяется при ускоренном заряде аккумуляторных батарей.

Поясним этот метод на примере трехступенчатого заряда.

     На первой ступени заряда, когда нет обильного газовыделения, величина

зарядного тока Jз1 устанавливается численно равной 0.15 емкости аккумулятора,

выраженной в ампер-часах. Больше ток не следует устанавливать, поскольку

чрезмерный зарядный ток вызывает разрыхление активной массы, разрушение

и коробление пластин. Первая ступень заряда продолжается в течение времени tз,

пока на каждом аккумуляторе батареи напряжение достигнет 2.4-2.5 В и начнется

обильное газовыделение. После этого зарядный ток уменьшают в 2-3 раза и заряд

продолжается, пока напряжение опять возрастет до 2.4-2.5 В.

     Далее так Iз3 уменьшают до 1А и продолжают заряд до напряжения 2.7 В.

Количество электричества при таком заряде:

 

          Q = Iз1 * tз1 + Iз2 * tз2 + Iз3 * tз3

 

     Ступенчатый заряд отличается тем, что экономится время заряда аккумуля-

торной батареи.

 

     3.3. Заряд током при постоянном напряжении.

     Этот метод применяется при наличии источника тока со стабилизированным

напряжением. Такими источниками тока являются, в частности, генераторы

постоянного тока на автомобилях, напряжение которых поддерживается

автоматически с помощью реле-регулятора. Напряжение бортовой сети при этом

должно быть 2.4 В на аккумулятор (или 14.4 В на батарею 6СТ). В начале

заряда ток имеет наибольшее значение вследствие значительной разности между

напряжением источника и ЭДС батареи. При этом чем больше мощность зарядного

источника тока и чем сильнее разряжена батарея, тем больше зарядный ток. По

мере заряда ЭДС батареи возрастает и величина зарядного тока падает до нуля.

     Преимущества этого метода:

     - короткое время заряда;

     - автоматически уменьшается ток заряда по мере роста степени заряженности

батареи.

     Недостатки метода:

     - требуется точная установка напряжения источника зарядного тока во

избежание систематического недозаряда или перезаряда;

     - иногда требуются ограничители тока на начальном этапе заряда;

     - нельзя исправлять сульфатированные пластины.

 

     3.4. Заряд реверсивным током.

     Улучшение эксплуатационных характеристик аккумуляторов осуществляется , в

основном, путем совершенствования их конструкции, а также структуры и состава

применяемых активных масс.

     Улучшаются эксплуатационные зарактеристики аккумуляторов и при их заряде

реверсивным током, т.е. переменным током с различными амплитудами и

длительностями импульсов обоих направлений за каждый период их следования.

При этом в каждом периоде аккумулятор заряжается и частично разряжается.

     При определенном соотношении амплитуд и длительности импульсов прямого и

обратного тока снижается газовыделение и температура электролита.

     В соответствии с теорией и практикой электролиза заряд аккумулятора

реверсивным током дает возможность управлять восстановительными реакциями

и структурными изменениями активного материала пластин, получая, в зависимости

от соотношения и абсолюных значений анодного и катодного периодов, кристаллы

различных размеров и форм. Это позволяет увеличить суммарную пористость и

площадь действующей поверхности пластин, т.е. увеличить поверхность

соприкосновения электролита с активным материалом электрода, облегчить условия

диффузии и выравнивания концентрации электролита в приэлектродном слое.

     Увеличение пористости способствует повышению величины максимального тока

заряда (и разряда).

     При заряде аккумуляторных батарей реверсивным током за счет улучшения

условий перемешивания электролита в приэлектродном слое положительного

электрода создается более кислая среда, благоприятствующая получению

тетрагональной формы ( -модификации) диоксида свинца.

     При катодном периоде (разрядном периоде реверсивного тока) из этой

модификации получается более рыхлый сульфат свинца, который в анодный период

(зарядный период реверсивного тока) дает большее количество PbO2. За счет

превращения сульфата свинца в диоксид свинца и металлический свинец в анодный

период просиходит разработка пор активного материала и улучшение условий

доступа электролита к глубинным слоям активного материала.

     В анодном периоде на положительном электроде аккумулятора адсорбируется

атомарный кислород, количество которого во времени увеличивается, что

затрудняет доступ электролита к глубинным слоям активного материала. В катодый

период происходит очищение поверхности пластин  от кислорода. Электролит

получает возможность глубже проникать в поры, что дает возможность большему

количеству PbSO4 вступить в реакцию и превратиться в PbO2 с увеличением

емкости аккумулятора.

     При заряде реверсивным током в конце разяда выделяется меньше тепла и

интенсивность газовыделения начинается позже, содаются условия регулирования

восстановительных реакций, уменьшаются скорости роста кристаллов сульфата

свинца.

     Порядок зарядки реверсивным током аналогичен заряду постоянным током.

     Недостатки метода:

     - сложный источник калиброванного реверсивного тока.

     Преимущества:

     - отпадает необходимость в периодических контрольно-тренировочных циклах

батареи;

     - почти полностью исключается необратимая сульфатация пластин, как

одна из причин старения и выхода из строя аккумулятора;

     - при необходимости ускоренного заряда можно увеличивть зарядный ток

в 2-3 раза выше нормального без повреждения аккумулятора;

     - при заряде малым реверсивным током (1-2 А) эффективно идет процесс

десульфатации пластин и восстановления емкости аккумуляторной батареи, даже

сильно засульфатированной. Пожтому такой режим зарядки аккумулятора иногда

называют "десульфатацией".

 

     3.5. Непрерывный подзаряд.

     В любительской практике применяется, в основном, при хранении

аккумуляторов.

     Устанавливается ток заряда примерно равный току саморазряда аккумулятора

из расчета, что батарея теряет около 1% емкости в сутки. Целесообразно при

этом использовать реверсивный ток во избежание сульфатации пластин.

 

     3.6. Импульсный заряд.

     По своей сущности эквивалентен ступенчатому заряду. Применяется только на

заведомо исправных аккумуляторах при ускоренном заряде. На первой ступени

заряда ток устанавливается равным нескольким десяткам ампер. Контролируются

температура электролита, не допуская чрезмерного перегрева (не более 45 С) и

газовыделение.

 

 

     4. РАЗРЯД АККУМУЛЯТОРА

 

     Разряд аккумулятора - наиболее важный режим работы аккумултора, при

котором потребители обеспечиваются током. Процесс разряда аккумулятора

описывается электрохимической реакцией:

 

 

     Образуется сульфат свинца и вода, поэтому по мере разряда аккумулятора

плотность электролита уменьшается.

     Характер протекания разряда зависит от очень многих характеристик,

описывающих состояние аккумулятора и внешних факторов. Все многообразие

режимов разряда аккумулятора описывается сравнительно небольшим набором

разрядных характеристик.

 

 

     4.1. Разрядные характеристики аккумулятора.

     Основными разрядными характеристиками являются изменяющиеся за время

разярда при постоянном нормальном токе разряда следующие величины:

     - ЭДС покоя - ЭДС, изменяющаяся линейно в процессе разряда от 2.11 В

до 1.95 В;

     - плотность электролита - изменяется от 1.28 до 1.11 г/см3;

     - напряжение аккумулятора: начальное равно 2.11 В, конечное напряже-

ние разряда - 1.7 В;

     - разрядный ток;

     - разрядная емкость аккумуляторной батареи.

     Первые три характеристики не нуждаются в дополнительных пояснениях.

Остановимся на последних двух.

     Разрядная емкость - это количество электричества, отдаваемое аккумулятором

при разряде.

     Однако емкость аккумулятора зависит от условий разряда. Пожтому само

понятие емкости связывают с условиями разряда. Такое понятие емкости является

сопоставительной характеристикой.

     Разрядной емкостью аккумулятора назвают количество электричества,

отдаваемое аккумулятором при разряде нормальным током.

     Нормальным разрядным током является ток 10-часового режима разряда.

     Наряду с этим исползется величина разрядного тока 20-часового режима

разряда. Большинство заводов-изготовителей указывают емкость батареи в

20-часовом режиме разряда.

     На графиках зависимости напряжения от времени при разряде постоянным

по величине током наблюдается снижающаяся практически прямая линия, а в конце

разряда напряжение линейно и быстро уменьшается. Ниже 1.7 В аккумулятор

разряжать не следует.

     Степень разряженности аккумулятора можно характеризовать относительной

остаточной емкостью.

     Относительная остаточная емкость определяется как количество электричества,

которое аккумулятор способен отдать при нормальном токе разряда, начиная с

данного момента времени, деленное на емкость этого же исправного и полностью

заряженного аккумулятора. Эта величина обычно выражается в процентах.

 

 

 

     Qост.отн. достаточно полно характеризует энергетическое состояние

аккумулятора в данный момент эксплуатации.

     Например, если аккумулятор не изношен, имеет наибольшую емкость

и полностью заряжен, то

              Qост. = Qмакс.

и следовательно

 

т.е. аккумулятор имеет остаточную относительную емкость, равную 100%.

Однако, например, если аккумулятор сильно засульфатирован, заряжается до

2.7 В при интенсивном газовыделении (полностью заряжен) и в состоянии отдать при

нормальном токе разряда

              Qост. = Qмакс.,

то

 

 

 

     Разумеется, относительная разрядная емкость аккумулятора зависит от многих

факторов, определяющих состояние аккумулятора в текущий момент времени

эксплуатации. Это, в основном:

     - степень заряженности аккумулятора;

     - плотность электролита;

     - температура электролита;

     - режим заряда.

     Необходимо строгое и правильное соответствие между этими зарядными и

разрядными характеристиками. Поэтому Qост.отн. - важная диагностическая

характеристика. Зная ее, можно избежать закритических, аварийных режимов

эксплуатации аккумулятора.

     Например, если Qост.отн. = 75%, а температура электролита -25 С, то

стартерный режим работы аккумулятора уже является закритическим, т.е.

плотность электролита должна быть строго определенной при данных температуре

и степени заряженности аккумулятора. Степень заряженности аккумулятора

должна быть полной без перезаряда и недозаряда.

     Режим разряда выбирать в соответствии с состоянием аккумулятора

(это условие часто нарушается, особенно в холодное время года, при длительном

ползовании стартером в попытке запустить особенно неисправный двигатель).

Если этим пренебречь, то можно разморозить аккумуляторную батарею или некоторые

(наиболее разряженные) ее аккумуляторы.

     Таким образом, зная основные разрядные характеристики аккумулятора, их

взаимозависимость  и влияние на остаточную емкость аккумулятора, можно уберечь

аккумулятор от преждевременного износа и выхода из строя.

     Напомним еще раз главные негативные факторы разряда, резко снижающие

срок службы аккумулятора:

     - глубокий разряд;

     - постоянный режим недозаряда;

     - несоответствие норме плотности электролита;

     - засульфатированность пластин;

     - чрезмерные (закритические) токи разряда.

     На величину разрядной емкости аккумулятора оказывает влияние плотность

электролита. Однако концентрация серной кислоты в стартерных аккумуляторах

обусловлена не соображениями получения максимальной емкости, а связана с

другими факторами: срок службы, ток саморазряда, работоспособность при

низких температурах.

     Поэтому следует придерживаться основных правил: аккумуляторная батарея

должна быть полностью заряженной (лучше реверсивным током), а концентрация

электролита соответствовала установленной норме.

     Разрядная емкость батареи сильно зависит от тока разряда и температуры

электролита. В большинстве случаев заводы-изготовители указывают емкость

аккумуляторной батареи для 20-часового режима разряда при Т=25 С. Т.е.

ток разряда, например, аккумуляторной батареи емкостью Q=60А.ч равен

               Iр = 60/20 = 3А

     Однако этот же аккумулятор имеет разрядную емкость при токе 200А

(стартерный режим разряда) не более 20 А.ч. Т.е. в таком режиме аккумулятор

разряжается ниже допустимых значений за время

               Тр = 20/200 = 0.1 часа = 6 минут

     При снижении температуры разрядная емкость аккумуляторной батареи также

сильно уменьшается. Это в значительной мере зависит от конструкции аккумулятора,

однако большинство аккумуляторов, например, при -10 С имеют емкость в 2 раза

меньшую, чем при +25 С. Этим объясняется затрудненное проворачивание коленвала

стратером в зимних условиях (помимо возросшей механической нагрузки из-за

загустения смазки).

     Разрядные зарактеристики позволяют определеить состояние аккумулятора

и не допускать его эксплуатации за пределами допустимых значений характеристик.

     Особенно недопустимы режимы глубокого (ниже практического при U=1.7В)

разряда и систематического недозаряда. При этом стартерные токи разряда быстро

разрушают пластины. Степень разряженности аккумуляторной батареи можно

определить по плотности электролита, поьзуясь таблицей 1.

 

     Таблица 1. Степень разряженности стартерной аккумуляторной батареи при

                температуре +15 С.

 

 

 

 

 

 

 

 

     При  проверке аккумуляторной батареи нагрузочной вилкой можно определить

степень разряженности каждого аккумулятора в зависимости от напряжения по

таблице 2.

 

     Таблица 2. Степень разряженности стартерного аккумулятора под нагрузкой.

 

 

 

 

 

     4.2. Саморазряд.

     Саморазряд аккумуляторной батареи - это потеря электричества без включения

внешнихпотребителей тока.

     Саморазряд, в основном, обусловлен саморазрядом отрицательного электрода.

Саморазряд положительного электрода значительно меньше, чем отрицательного.

     Саморазряд отрицательного электрода происходит, в основном, в результате

его медленного растворения в электролите. Эта реакция сопровождается

образованием сульфата свинца и водорода:

 

 

     Примесь солей железа и других кислот в электролите ускоряет процесс

саморазряда. Поэтому нельзя использовать техническую серную кислоту, в

которой обычно соединений железа больше, чем 0.01%. Разумеется, нельзя

пользоваться стальной посудой при работе с электролитом.

     Суряма, добавляемая в решетки аккумуляторов для повышения их прочности

также увеличивает саморазряд.

     Бессурьмянистые аккумуляторы (активированные кальцием) имеют очень малые

токи саморзряда.

     Саморазряд аккумуляторов считается нормальным, если он не превышает 1% в

сутки, или 30% емкости батареи в месяц.

     Процессы саморазряда протекают более интенсивно в разряженных, изношенных

аккумуляторах.

     Саморазряд приводит к ускоренной  сульфатации пластин и снижению рабочих

характеристик аккумулятора.

     Для предотвращения вредных последствий саморазряда необходимо:

     - применять качественный электролит;

     - поддерживать нормальную плотность электролита;

     - поддерживать батарею в заряженном состоянии;

     - проводить десульфатацию пластин.

 

     4.3. Контрольно-тренировочные циклы.

     Контрольно-тренировочный цикл  заряда-разряда проводится для

предотвращения сульфатации и определения емкости аккумулятора.

     Контрольно-тренировочные циклы проводятся не реже одного раза в год и

выполняются следующим образом:

     - заряжают аккумулятор нормальным током (любым из описанных способов)

до полного заряда;

     - выдерживают аккумулятор 3 часа после прекращения заряда;

     - корректируют плотность электролита;

     - включают зарядку на 20-30 минут для перемешивания электролита;

     - приводят контрольную разрядку постоянным нормальным током

10-часового режима и контролируют время полного разряда до напряжения 1.7 В

(10.2 В на батарее);

     - емкость абатери определяют как произведение величины разрядного тока

и времени разряда:

                Q = Iразр.*tразр.

     После контрольного разряда батарею сразу же ставят на зарядку и полностью

заряжают любым из описанных методов.

     Если оказалось, что емкость батареи меньше 50% ее номинальной, то она

неисправна.

     По нашему мнению в любительской практике, по-видимому, контрольно-

тренировочные циклы проводить не следует, особенно на аккумуляторных батареях

новых конструкций, поскольку каждый такой цикл уменьшает ресурс батареи.

 

     5. ИЗНОС АККУМУЛЯТОРА

     5.1. Понятие надежности аккумулятора.

     Важнейшие эксплуатационные характеристики- надежность, суммарное время

хранения и эксплуатации, разрядные характеристики, особенно стартерных

режимов, и другие в большой мере зависят от условий эксплуатации и хранения.

Со временем эти характеристики меняются и меняются не в лучшую сторону. Это

связано с необратимыми процессами  износа аккумулятора.

     Надежность - это вероятность работы без отказов в течение длительного

промежутка времени во всех рабочих режимах. При этом основные зарядно-

разрядные характеристики не выходят за предельно допустимые (критические)

значения. Близкое понятию надежности - стабильность эксплуатационных

характеристик.

     Механизмов износа много, все они протекают непрерывно. Однако в

определенных условиях одни механизмы износа протекают очень интенсивно и

являются преобладающими, а в иных условиях их соотношение меняется.

     Срок служюы аккумулятора определяется его конструктивными и техноло-

гическими особенностыми, а также условиями хранения и эксплуатации. Обычно

срок службы аккумуляторной батареи определяется заводом-изготовителем

и в условиях эксплуатации автолюбителем составляет 3-4 года. Этот срок

можно увеличить (однако не в несколько раз, как иногда пишут некоторые

авторы публикаций) и очень легко сократить (даже в несколько раз).

     Так называемые необслуживаемые аккумуляторы более надежны и имеют

больший срок службы, но как и для любого аккумулятора их срок безотказной

работы может быть либо увеличен, либо сокращен в зависимости от того, как

его эксплуатировать. Эти батареи безусловно требуют ухода и в процессе

эксплуатации поддержания в норме основных эксплуатационных характеристик.

 

     5.2. Основные процессы износа аккумулятора.

 

     5.2.1. Оползание активной массы положительных пластин.

     Оползание активной массы связано с ее разрыхлением. При этом по мере

износа меняется однородность и механическая прочность активной массы.

Это необратимый процесс иноса аккумулятора. Он активизируется при больших

токах заряда и разряда, при интенсивном газовыделении и повышенных темпера-

турах. Является преобладающим механизмом износа при длительных стартерных

режимах особенно глубокого разряда.

     В аккумуляторах новых конструкций с этим явлением успешно борются,

однако полностью      процесс оползания активной массы положительных

пластин предотвратить пока не удалось.

 

     5.2.2. Коррозия электродов.

     Коррозионный износ электродов обусловлен процессами электрохимической

коррозии и растворения в электролите материалов пластин. Мы не будем

описывать все многообразие процессов эррозии. Дадим лишь общие

закономерности их проявления.

     Для улучшения литейный и механических свойств  свинца используется

сплав свинца с добавками сурьмы (до 10%) и другими легирующими добавками.

Сурьмянистые сплавы свинца при определенной технологии изготовления

электродов аккумуляторов имеют крупнозернистую структуру. Такие сплавы

быстро корродируют и частицы электродов высыпаются в виде шлама. Высоко-

сурьмянистые сплавы свинца приводят также к интенсивному электролизу воды

при малых напряжениях заряда. Т.е. при зарядке уже при напряжении

2.4 В кипят и достаточно активно идут процессы коррозионного

разрушения электродов.

     Снижение содержания сурьмы, например, до 2.5% приводит к тому,

что интенсивное газовыделение начинается только при напряжении

заряда большем, чем 2.45 В. Срок службы такого аккумулятора

возрастает на 30-40% при прочих равных условиях. Ряд зарубежных

фирм выпускают аккумуляторы на основе свинцовых сплавов, не

содержащих сурьмы и изготовленных на основе особо чистых

технологий. В такие аккумуляторы воду доливают 1 раз в 3-4 года и

автомобиль проодит более 300 тыс. км без замены аккумулятора.

     Интенсивность коррозионного износа электродов резко возрастает

при повышении температуры электролита. Например, рпи 45 С срок

службы аккумулятора из-за коррозии уменьшается более чем в 2 раза,

а при более высоких температурах идет недопустимо быстрое

разрушение пластин. При этом другие механизмы износа несущественны.

Сильно корродируют пластины при больших токах заряда, разряда, при

перезаряде, при повышенной плотности электролита.

 

     5.2.3. Сульфатация.

     Одна из причин выхода из строя аккумулятора - повышенная

сульфатация пластин. Она заключается в образовании крупных

кристаллов сульфата свинца, которые являются диэлектриком и

практически не участвуют в основных токообразующих процессах.

     Сульфатация пластин, как правило, вызывается нарушением правил

эксплуатации аккумулятора.

     Наиболее характерные электрохимические  признаки

засульфатированности пластин аккумулятора следующие:

     - повышенное внутреннее сопротивление;

     - повышенное напряжение в начале заряда (если U>2.4B при

нормальном токе разряда, то степень засульфатированности уже

занчительна);

     - преждевременное обильное газовыделение;

     - пониженная емкость аккумулятора;

     - концентрация электролита ниже, чем у исправного

аккумулятора;

     - пониженное напряжение при разряде.

     Можно выделить основные причины, приводящие к сульфатации:

     - систематические недозаряды аккумулятора;

     - глубокие разряды (U<1.75B);

     - длительное пребывание аккумулятора в разряженном состоянии;

     - снижение уровня электролита ниже верхних краев пластин;

     - повышенный саморазряд;

     - повышенная концентрация электролита;

     - хранение аккумулятора при повышенных температурах, особенно

переменных.

     Чтобы избежать сульфатации, необходимо своевременно устранять

основные причины, приведенные выше.Однако, если сульфатация

допущена, ее можно устранить слудеющими способами:

     1. Десульфатация малым реверсивным током.

     Устанавливают величину зарядного реверсивного тока равной 0.5-

2А. Десульфатация продолжается иногда 20-50 часов и более. При этом

плотность электролита будет возрастать. Неизменность напряжения и

плотности электролита в течение 2 часов является признаком

окончания десульфатации.

     2. При очень тяжелой форме сульфатации применяют заряд  малым

током, наиболее эффективно - реверсивным.  Для этого разряжают ак-

кумулятор до 1.8 В,  удаляют электролит, заливают дистиллированную

воду.

     Ток устанавливают настолько малым,  чтобы напряжение было  не

более 2.3 В. По мере увеличения плотности электролита возрастает.

     После тока, как плотность электролита достигнет величины 1,11

г/см3 - слить электролит и залить дистиллированную воду. Опять ве-

дут десульфатацию малым реверсивным током при напряжении до 2.3 В.

     При плотности  электролита  1.12 г/см3 устанавливают величину

реверсивного тока в 1 А.

     Когда плотность  раствора  перестанет  возрастать  и начнется

равномерное газовыделение. заряд прекращают.

     Затем в течение 2 часов аккумулятор заряжают током, составля-

ющим 20% от 10-часового разрядного тока, после чего заряжают в том

же режиме до получения постоянства напряжения и плотности электро-

лита.

     Такой разряд-заряд  повторяют  2-5  раз,  пока  не  достигнут

постоянства напряжения и плотности электролита.

     После этого  добавляют кислоту до плотности 1.21-1.22 г/см3 и

полностью заряжают аккумулятор. После зарядки выдерживают 3 часа и

корректируют плотность электролита.

     Если же систематический  подзаряд  аккумулятора  производится

реверсивным током, то сульфатации практически не наблюдается.

     Вопрос сульфатации пластин аккумулятора и десульфатации широ-

ко освещен в литературе. Однако в ряде сулчаев выводы и рекоменда-

ции некорректны.  Иногда в одних работах утверждается, что сульфа-

тация - единственный механизм старения и выхода из строя аккумуля-

тора, в других - полностью противоположное  утверждение:  во  всех

обследованных аккумуляторах,  вышедших из строя, признаков сульфа-

тации пластин не обнаружено, а значит - в "современных аккумулято-

рах проблемы сульфатации не существует".

     Очевидно, такие крайние утверждения нельзя  считать  верными.

Сульфатация пластин,  повторяем, является одним из механизмов ста-

рения и износа аккумулятора. В зависимости от условий эксплуатации

аккумулятора и выполняемых работ по обслуживанию износ аккумулято-

ра обусловливается преобладанием одного - двух основных механизмов

износа.

     Приведем несколько простых (но часто встречающихся на практи-

ке ) примеров.

     1. Повышенная плотность электролита - основной  механизм  из-

носа: эррозия.

     2. Неправильная регулировка реле-регулятора - повышенное нап-

ряжение бортовой  сети.  При  этом аккумулятор работает в условиях

перезаряда и интенсивного кипения  электролита.  Ускоренный  износ

обусловлен коррозионным  разрушением электродов и разрыхлением ак-

тивной массы.

     3. Эксплуатация батареи в условиях систематического недозаря-

да, глубокого разряда.  В этих условиях активно идет процесс суль-

фатации.

     4. Работа  батареи  при  повышенных  температурах  -  эррозия

пластин. Летом  на солнцепеке под капотом температура аккумулятора

может достигать 60 С и более.  При этом можно вывести из строя ак-

куумулятор за 1 сезон без признаков сульфатации.

     Подобынх примеров можно привести множество, когда наблюдается

ускоренный износ с преобладанием тех или иных механизмов износа.

     Сульфатация, как процесс износа  аккумулятора,  идентифициру-

ется однозначно.  Степень засульфатированности пластин можно опре-

делить с приемлемой степенью точности на фоне иных механизмов  из-

носа аккумулятора.

    

     6. Работоспособность  аккумулятора при отрицательных темпера-

турах.

    

     С понижением температуры работоспособность аккумуляторов зна-

чительно ухудшается, в основном, по следующим причинам:

     - возрастает внутреннее сопротивление;

     - уменьшается емкость;

     - замедляются процессы диффузии электролита в активной массе.

     В зимних   условиях  существует  также  опасность  замерзания

электролита в аккумуляторной батарее (см.табл.3).

    

     Таблица 3.  температура замерзания растворов  серной  кислоты

различной плотности.

    

    

     Очевидно, что в зимних условиях  необходимо  более  тщательно

контролировать состояние  аккумуляторной батареи и поддерживать ее

в рабочем состоянии.

     Нельзя допускать глубокого разряда. Глубокий разряд происходит

вследствие уменьшения емкости  батареи  при  низких  температурах,

пуск холодного  двигателя всегда затруднен и требует большей энер-

гии. При этом плотность электролита падает и электролит может  за-

мерзнуть. Оно  может вывести аккумулятор из строя из-за деформации

пластин и разрушения сосудов вследствие объемных изменений при об-

разовании кристаллов льда.

     Не следует эксплуатировать аккумулятор в  режиме  постоянного

недозаряда. необходимо поддерживать батарею  в  полностью  заряженном

состоянии с нормальной плотностью электролита.

    

     7. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТА

    

     В аккумуляторах  используется  только  аккумуляторная  серная

кислота. Ее плотность 1.83-1.84 г/см3 при концентрации 92-94%. Для

приготовления электролита кислоту смешивают с дистиллированной во-

дой.

     Готовят электролит в чистой ёхимически инертной посуде. В лю-

бительской практике  применяют стеклянную посуду.  Это следует де-

лать с особой осторожностью,  поскольку при смешивании  кислоты  с

водой раствор очень сильно разогревается и посуда может лопнуть.

     Можно вливать только  кислоту  небольшими  порциями  в  воду,

слегка помешивая раствор.

     Вливать воду в кислоту нельзя!

     Для предохранения  глаз целесообразно работать в защитных оч-

ках. Всегда необходимо иметь под рукой достаточное количество воды

и раствора питьевой соды (или мела) для удаления случайно попавших

капель кислоты с одежды или тела.

     Оптимальная плотность  электролита  1.28  г/см3.  Ее измеряют

после остывания электролита ареометром.  Его показания зависят  от

температуры. Поправки приведены в таблице 4.

    

     Таблица 4. Поправки к показаниям ареометра.

    

    

    

    

    

     Количество кислоты  для приготовления электролита можно опре-

делить по таблице 5.

    

    

     Таблица 5.  Расход концентрированной серной кислоты при +15 С

для приготовления 1 литра электролита необходимой плотности.

    

    

    

    

    

    

     Электролит плотностью 1.26-1.30 г/см3 имеет очень низкую тем-

пературу замерзания (-54...-70 С).  Однако если батарея разряжена,

например на 75 %,то электролит замерзнет при -10 С,  если на 50% -

то при -18 С.

     Поэтому зимой  нельзя разряжать аккумулятор более чем на 25%.

При замерзании электролит может разрушить аккумуляторную батарею.

    

     8. ПОДГОТОВКА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ К РАБОТЕ

    

     В настоящее время  автомобильные  батареи  выпускаются  заво-

дом-изготовителем только в сухозаряженном состоянии. Срок хранения

батарей без эксплуатации весьма ограничен и  не  превышает  2  лет

(гарантийный срок хранения 1 год).

     Для приведения аккумуляторной батареи в рабочее состояние не-

обходимо выполнить следующее:

     - вывинтить пробки из заливочных отверстий,  удалить гермети-

зирующие диски  из=под  пробок  или  стержни из вентиляционных от-

верстий (где они есть), прочистить вентиляционные отверстия;

     - залить электролит (после пропитки активного вещества элект-

ролитом степень заряженности - около 80 %);

     - через  три часа после заливки электролита батарею поставить

на заряд и заряжать до полногоо заряда.

     Электролит не  следует  заливать в сухозаряженный аккумулятор

при температуре выше +25 С,  поскольку  при  пропитке  пластин  он

чрезмерно разогревается  и  может  привести  к  оползанию активной

массы*

     При низких  температурах  вязкость  электролита  возрастает и

всемя пропитки пластин возрастает, и например, при +5 С составляет

2-3 часа.

     Правильность ввода в эксплуатацию и первый заряд аккумулятора

в значительной мере определяют его срок службы.

    

    

     9. ХРАНЕНИЕ АККУМУЛЯТОРА

     Стартерные аккумуляторы   имеют  небольшую  сохранность.  Не-

посредственно после изготовления в сухом виде гарантированный срок

хранения составляет 1 год.

     В присутствии следов кислоты,  воды и углекислого  газа  срок

хранения уменьшается.

     Аккумуляторы, бывшие в эксплуатации  можно  хранить  как  без

электролита, так и с электролитом.

     Без электролита хранить аккумулятор можно только в заряженном

состоянии. При этом в процессе хранения аккумулятор требует систе-

матического заряда (не реже одного раза в месяц).

    

     ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    

     Аккумуляторы, изготовленные по разным технологиям и различны-

ми заводами  имеют неодинаковые сроки службы в одинаковых услови-

ях. Точно срок службы аккумулятора не указывается,  поскольку  за-

висит от многих факторов.

     Рациональный уход  за  аккумулятором  продлевает   срок   его

эксплуатации.

     Невыполнение основных  правил  эксплуатации  может  сократить

срок службы аккумулятора в несколько раз.

     Основные правила и выполняемые при обслуживании работы  очень

просты и нетрудоемки. Не подводите себя. Не забывайте уделять вни-

мание аккумулятору, в котором он нуждается.