Die Wirkstoffe der positiven und negativen Platten haben gegenüber dem Elektrolyten bestimmte Potentiale. Die Differenz dieser Potenziale bestimmt die EMF der Batterie, die nicht von der Wirkstoffmenge in den Platten abhängt. Die EMF einer Batterie hängt hauptsächlich von der Dichte des Elektrolyten ab, diese Abhängigkeit wird durch die empirische Formel bestimmt:
wobei d die Dichte des Elektrolyten in den Poren der aktiven Masse der Platten ist. Die Batteriespannung beim Laden ist um den Wert des internen Spannungsabfalls größer als der EMF-Wert:
U З = E + I З ∙ r 0,
wobei r 0 der Innenwiderstand der Batterie ist, bzw. bei Entladung:
U P = E - I P ∙ r 0.
Für eine entladene Blei-Säure-Batterie ist die Dichte d = 1,17, dann E = 0,85 + 1,17 = 2,02 V. Für eine geladene Batterie, d = 1,21, dann E = 0,85 + 1,21 = 2, 06 V => EMF von a entladene Batterie bei ausgeschalteter Last unterscheidet sich nicht wesentlich von der EMF einer geladenen Batterie. Beim Laden des Akkus beträgt seine Ladespannung 2,3 - 2,8 V. Die Entladespannung beträgt ca. 1,8 V.
Kapazität der Blei-Säure-Batterie
Die Nennkapazität wird mit einer zehnstündigen Entladung bis zu einer Spannung von 1,8 V bei einer Elektrolyttemperatur von 25 ° C bestimmt. Die Nennkapazität einer Blei-Säure-Batterie beträgt 36 A/h. Diese Kapazität entspricht dem Entladestrom I P = Q / 10 = 3,6 A.
Wenn Sie den Entladestrom I P und die Temperatur des Elektrolyten ändern, ändert sich auch seine Kapazität. Eine Erhöhung der Umgebungstemperatur trägt zu einer Erhöhung der Kapazität bei, aber bei einer Temperatur von 40 ° C tritt eine Verwindung der positiven Platten auf und die Selbstentladung der Batterie steigt stark an, daher für den normalen Betrieb der Batterie eine Temperatur von +35 °C - 15 °C eingehalten werden.
Die Nennkapazität bei einer Temperatur von 25 ° C und einer zehnstündigen Entladung wird durch die Formel bestimmt:
wobei P t der Nutzungsfaktor der aktiven Masse der Batterie ist, %;
T ist die tatsächliche Temperatur des Elektrolyten während der Entladung.
Arten von Blei-Säure-Batterien
Stationäre Batterien sind mit den Buchstaben C, SK, SZ, SZE, CH und anderen gekennzeichnet:
C - stationäre Batterie;
K - Akkumulator, der eine kurzfristige Entladung ermöglicht;
З - geschlossene Batterie;
E - Ebenholzgefäß;
H - Akkumulator mit verputzten Platten.
Die Zahl, die hinter der Buchstabenbezeichnung steht, bedeutet die Batterienummer:
C-1 - 36 A/h;
C-4 - 4 x 36 A/h;
und andere...
Arten von Alkalibatterien
Kennzeichnung Н – Ж (Nickel – Eisen), Н – К (Nickel – Kadmium), С – Ц (Silber – Zink). Die elektromotorische Kraft (EMF) von N – W Batterien beträgt: E З = 1,5 V; E Р = 1,3 V. EMF von N – K Batterien beträgt: E З = 1,4 V; E P = 1,27 V. Die mittlere Ladespannung beträgt U Z = 1,8 V; Entladung U R = 1 V.
STROMVERSORGUNGSSYSTEME
Allgemeine Bestimmungen
Die Stromversorgung stationärer Automatisierungs- und Kommunikationsgeräte im Schienenverkehr erfolgt aus Gleichstromquellen mit Nennspannungen, beispielsweise 24, 60, 220 V usw. . .; Quellen mit einer Nennspannung von 60 V - für automatische Telefonzentralen, Telegrafenschaltgeräte; Quellen mit einer Spannung von 220 V - zur Stromversorgung von Kommunikationsgeräten, Weichenmotoren usw. Stromquellen mit einer bestimmten Nennspannung werden normalerweise in Form von unabhängigen Geräten ausgeführt, die im allgemeinen Komplex der Stromversorgungsanlage eines Kommunikationshauses, einer EG-Post oder eines anderen Objekts enthalten sind, in dem sich zentrale Stromversorgungen befinden.
Zu den wichtigsten Stromversorgungssystemen zählen autonome, puffer-, batterielose und kombinierte Stromversorgungssysteme (Abb. 2.1). Das autonome System soll tragbare und stationäre Automatisierungs- und Kommunikationsgeräte und den Rest stationäre Geräte mit Strom versorgen.
Reis. 2.1. Blockschaltbild der Stromversorgungssysteme
Autonomes Stromversorgungssystem
Das Stromversorgungssystem aus Primärzellen wird hauptsächlich verwendet, um den Betrieb von tragbaren Geräten (Funkstationen, Messgeräte usw.) sicherzustellen. Zur Stromversorgung stationärer Geräte wird dort, wo keine Wechselstromnetze vorhanden sind, ein autarkes Stromversorgungssystem eingesetzt. Das Stromversorgungssystem aus Batterien nach dem „Lade-Entlade“-Verfahren (Abb. 2.2) ist für Fälle vorgesehen, in denen die Energie aus den Wechselstromnetzen unregelmäßig geliefert wird. Die Essenz dieser Stromversorgungsmethode besteht darin, dass für jede Spannungsabstufung ein separater Gleichrichter und zwei (oder mehr) Akkus vorhanden sind. . Das Gerät wird von einer Batterie gespeist und die andere wird vom Gleichrichter geladen oder in Reserve geladen. Sobald die Batterie bis zu einem bestimmten Zustand entladen ist, wird sie getrennt und zum Laden an einen Gleichrichter angeschlossen, und eine geladene Batterie wird angeschlossen, um das Gerät zu versorgen. Bei dieser Betriebsweise werden die Batterien meistens im Konstantstrommodus geladen. Die Kapazität der Batterien wird anhand der Dauer der Stromversorgung des Geräts für 12-24 Stunden bestimmt, daher sind die Batterien sehr sperrig und für ihre Installation sind speziell ausgestattete große Räume erforderlich. Die Lebensdauer solcher Batterien beträgt 6-7 Jahre, da tiefe und häufige Lade- und Entladezyklen zu einer schnellen Zerstörung der Platten führen. Die Notwendigkeit einer ständigen Überwachung von Lade- und Entladevorgängen führt zu hohen Betriebskosten.
Abbildung 2.2. Schema des Batteriestromversorgungssystems nach der Methode "Lade-Entladen":
F - Zubringer; SHPT - Wechselstrombus; ЗШ - Reifen aufladen; RSh-Rippenreifen; 1, 2, 3 - Batteriegruppen
Die aufgeführten Nachteile, zusammen mit der geringen Effizienz der Installation (30-45%), schränken die Verwendung dieses Modus ein. Zu den Vorteilen des Verfahrens zählen das Fehlen von Spannungswelligkeiten an der Last und die Möglichkeit, verschiedene Stromquellen zum Laden zu verwenden.
Pufferstromsystem
Bei einem solchen Netz parallel zum Gleichrichter UZ und die Last enthält einen wiederaufladbaren Akku GB(Abb. 2.3). Bei einem Ausfall des Wechselstromnetzes oder einer Beschädigung des Gleichrichters erfolgt die weitere Versorgung des Verbrauchers durch die Batterie ohne Unterbrechung der Energieversorgung. Der Akku sorgt für eine zuverlässige Pufferung der elektrischen Energiequellen und sorgt zusätzlich zusammen mit dem Netzfilter für die notwendige Glättung der Welligkeit. Bei einem Pufferstromversorgungssystem werden drei Betriebsarten unterschieden: Durchschnittsstrom, Impuls- und Erhaltungsladung.
Mit Mittelstrommodus(Abb. 2.4) Gleichrichter UZ, parallel zur Batterie geschaltet GB, liefert einen konstanten Strom I in unabhängig von der Änderung des Stroms I n in der Last R n. Bei kleinem Laststrom I n versorgt der Gleichrichter die Last und lädt den Akkumulator mit dem Strom I 3, bei großem Laststrom liefert der Gleichrichter zusammen mit der Batterie, die durch den Strom I p entladen wird, die Ladung. Während des Ladevorgangs steigt die Spannung an jeder Batterie der Batterie und kann 2,7 V erreichen, und während der Entladung sinkt sie auf 2 V. Um diesen Modus zu implementieren, können die einfachsten Gleichrichter ohne automatische Steuergeräte verwendet werden. Der Gleichrichterstrom wird basierend auf der Menge an elektrischer Energie (Amperestunden) berechnet, die tagsüber für die Stromversorgung der Last aufgewendet wird. Dieser Wert sollte um 15-25% erhöht werden, um Verluste zu kompensieren, die beim Laden und Entladen von Batterien immer vorhanden sind.
Die Nachteile des Modus umfassen: die Unfähigkeit, den erforderlichen Gleichrichterstrom genau zu bestimmen und einzustellen, da die tatsächliche Art der Laststromänderung nie genau bekannt ist, was zu einer Unterladung oder Überladung der Batterien führt; kurze Batterielebensdauer (8-9 Jahre) durch tiefe Lade- und Entladezyklen; erhebliche Spannungsschwankungen an der Last, da die Spannung an jeder Batterie zwischen 2 und 2,7 V variieren kann.
Im Impulserhaltungslademodus(Abb. 2.5) der Gleichrichterstrom ändert sich schlagartig in Abhängigkeit von der Spannung an der Batterie GВ. In diesem Fall ist der Gleichrichter UZ versorgt die Last R n zusammen mit der Batterie G . mit Strom V oder speist die Last
Abbildung 2.3 - Schema des Pufferstromversorgungssystems
Abbildung 2.4 - Durchschnittlicher Strommodus:
a - Diagramm; b - Stromdiagramm; в - Abhängigkeiten von Strömen und Spannungen von der Zeit; I З und I Р - jeweils die Lade- und Entladeströme des Akkus
Abbildung 2.5 - Impulserhaltungslademodus:
a - Diagramm; b - Strom- und Spannungsdiagramm; c, d - Abhängigkeiten von Strömen und Spannungen von der Zeit
und lädt den Akku wieder auf. Der maximale Gleichrichterstrom wird geringfügig höher eingestellt als der in der Stunde maximaler Last auftretende Strom, und der minimale Laststrom I B max ist kleiner als der minimale Laststrom I n .
Angenommen, in der Ausgangsstellung liefert der Gleichrichter den Mindeststrom. Die Batterie wird entladen und die Spannung sinkt auf 2,1 Volt pro Zelle. Relais R gibt den Anker frei und überbrückt den Widerstand R . Der Ausgangsstrom des Gleichrichters steigt schlagartig bis zum Maximum an. Ab diesem Zeitpunkt versorgt der Gleichrichter die Last und lädt die Batterie. Während des Ladevorgangs steigt die Spannung am Akku an und erreicht 2,3 V pro Zelle. Relais ist wieder angezogen R, und der Gleichrichterstrom auf ein Minimum abfällt; die Batterie beginnt sich zu entladen. Dann werden die Zyklen wiederholt. Die Dauer der Zeitintervalle des maximalen und minimalen Gleichrichterstroms variiert entsprechend der Stromänderung in der Last.
Die Vorteile des Modus umfassen: Einfachheit des Systems zum Regeln des Stroms am Ausgang des Gleichrichters; kleine Grenzen der Spannungsschwankung an der Batterie und an der Last (von 2,1 bis 2,3 V pro Zelle); Erhöhung der Batterielebensdauer um bis zu 10-12 Jahre durch weniger Tiefenlade- und Entladezyklen. Dieser Modus wird verwendet, um Automatisierungsgeräte mit Strom zu versorgen.
Im Erhaltungslademodus(Abb. 2.6) Last R n wird vollständig vom Gleichrichter gespeist UZ. Aufgeladener Akku GB erhält vom Gleichrichter einen kleinen konstanten Erhaltungsstrom, der die Selbstentladung kompensiert. Um diesen Modus zu implementieren, muss die Spannung am Ausgang des Gleichrichters für jede Batterie auf (2,2 ± 0,05) V eingestellt und mit einem Fehler von nicht mehr als ± 2% beibehalten werden. In diesem Fall beträgt der Ladestrom für Säurebatterien I p = (0,001-0,002) C n und für Alkalibatterien I p = 0,01 C N. Daher gilt für
Abbildung 2.6 - Kontinuierlicher Erhaltungslademodus:
a - Diagramm; b - Stromdiagramm; в - Abhängigkeiten von Strömen und Spannungen von der Zeit
Um diesen Modus zu vervollständigen, müssen Gleichrichter über genaue und zuverlässige Spannverfügen. Andernfalls kommt es zu Überladung oder Tiefentladung und Sulfatierung der Batterien.
Zu den Vorteilen des Modus gehören: ausreichend hoher Wirkungsgrad der Anlage, der nur durch den Gleichrichter bestimmt wird (η = 0,7 ÷ 0,8); lange Batterielebensdauer von 18-20 Jahren aufgrund des Fehlens von Lade- und Entladezyklen; hohe Stabilität der Spannung am Ausgang des Gleichrichters; niedrigere Betriebskosten durch Automatisierung und vereinfachte Batteriewartung.
Die Batterien werden normalerweise geladen und erfordern keine kontinuierliche Überwachung. Das Fehlen von Lade- und Entladezyklen und der richtig gewählte Erhaltungsstrom reduzieren die Sulfatierung und ermöglichen längere Zeiträume zwischen Überladungen und Kontrollentladungen.
Der Nachteil dieses Modus ist die Notwendigkeit, die Versorgungsgeräte aufgrund der Stabilisierungs- und Automatisierungselemente zu verkomplizieren. Der Modus wird in Geräten zur Stromversorgung von Kommunikationsgeräten verwendet.
Zweck von Starterbatterien
Theoretische Grundlagen der Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie
Batterieentladung
Batterieladung
Verbrauch der wichtigsten strombildenden Reagenzien
Elektromotorische Kraft
Innenwiderstand
Lade- und Entladespannung
Batteriekapazität
Batterieenergie und Leistung
Selbstentladung der Batterie
Zweck von Starterbatterien
Die Hauptfunktion der Batterie besteht darin, den Motor zuverlässig zu starten. Eine weitere Funktion ist der Energiepuffer bei laufendem Motor. Tatsächlich sind neben den traditionellen Verbrauchertypen viele zusätzliche Servicegeräte erschienen, die den Fahrerkomfort und die Verkehrssicherheit verbessern. Die Batterie gleicht das Energiedefizit bei Fahrten im Stadtverkehr mit häufigen und langen Stopps aus, wenn der Generator nicht immer die notwendige Leistung erbringen kann, um alle angeschlossenen Verbraucher vollständig zu versorgen. Die dritte Arbeitsfunktion ist die Stromversorgung bei ausgeschaltetem Motor. Eine längere Nutzung von Elektrogeräten beim Parken mit stillstehendem Motor (oder Motorleerlauf) führt jedoch zu einer Tiefentladung der Batterie und einer starken Verschlechterung der Starteigenschaften.
Der Akku ist auch für die Notstromversorgung ausgelegt. Bei Ausfall eines Generators, Gleichrichters, Spannungsreglers oder einer Unterbrechung des Generatorriemens muss er den Betrieb aller Verbraucher gewährleisten, die für eine sichere Fahrt zur nächsten Tankstelle erforderlich sind.
Daher müssen Starterbatterien folgende Grundvoraussetzungen erfüllen:
Bereitstellung des für den Betrieb des Starters erforderlichen Entladestroms, dh einen geringen Innenwiderstand für minimale interne Spannungsverluste innerhalb der Batterie;
Stellen Sie die erforderliche Anzahl von Versuchen zum Starten des Motors mit einer festgelegten Dauer bereit, dh verfügen Sie über die erforderliche Energiereserve für die Starterentladung;
eine ausreichend große Leistung und Energie bei kleinstmöglicher Größe und Gewicht haben;
über eine Energiereserve verfügen, um Verbraucher bei Motorstillstand oder im Notfall zu versorgen (Kapazitätsreserve);
Halten Sie die für den Betrieb des Anlassers erforderliche Spannung aufrecht, wenn die Temperatur innerhalb der angegebenen Grenzen sinkt (Kaltstartstrom);
Bei erhöhter (bis zu 70 "C) Umgebungstemperatur die Leistung lange aufrechterhalten;
Ladung übernehmen, um bei laufendem Motor die verbrauchte Kapazität zum Starten des Motors und zur Versorgung anderer Verbraucher über den Generator wiederherzustellen (Ladungsübernahme);
Keine spezielle Schulung der Benutzer, Wartung während des Betriebs erforderlich;
Hohe mechanische Festigkeit entsprechend den Betriebsbedingungen aufweisen;
Halten Sie die angegebenen Leistungsmerkmale während des Betriebs über einen langen Zeitraum ein (Lebensdauer);
eine unbedeutende Selbstentladung besitzen;
Haben Sie einen niedrigen Preis.
Theoretische Grundlagen der Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie
Eine chemische Stromquelle ist ein Gerät, in dem aufgrund räumlich getrennter chemischer Redoxreaktionen deren freie Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Aufgrund der Art der Arbeit werden diese Quellen in zwei Gruppen unterteilt:
Primäre chemische Stromquellen oder galvanische Zellen;
Sekundärquellen oder elektrische Akkumulatoren.
Primärquellen können nur einmal verwendet werden, da die bei ihrer Entladung gebildeten Stoffe nicht in Ausgangswirkstoffe umgewandelt werden können. Eine vollständig entladene galvanische Zelle ist in der Regel für die weitere Arbeit ungeeignet - sie ist eine irreversible Energiequelle.
Sekundäre chemische Stromquellen sind reversible Energiequellen – nach einer beliebigen Tiefentladung kann ihre Leistungsfähigkeit durch Aufladen wieder vollständig hergestellt werden. Dazu reicht es aus, einen elektrischen Strom durch die Sekundärquelle in entgegengesetzter Richtung zu derjenigen zu leiten, in der er während der Entladung floss. Beim Aufladen werden die bei der Entladung gebildeten Stoffe zu den ursprünglichen Wirkstoffen. So wird die freie Energie einer chemischen Stromquelle immer wieder in elektrische Energie umgewandelt (Batterieentladung) und die umgekehrte Umwandlung von elektrischer Energie in freie Energie einer chemischen Stromquelle (Batterieladung).
Der Stromdurchgang durch elektrochemische Systeme ist mit den laufenden chemischen Reaktionen (Umwandlungen) verbunden. Es besteht also ein Zusammenhang zwischen der Menge eines Stoffes, der eine elektrochemische Reaktion eingegangen ist und Umwandlungen durchgemacht hat, und der dabei verbrauchten oder freigesetzten Elektrizitätsmenge, die von Michael Faraday festgestellt wurde.
Nach dem ersten Faradayschen Gesetz ist die Masse eines Stoffes, der in eine Elektrodenreaktion eingetreten ist oder durch seinen Fluss gewonnen wird, proportional zur durch das System geleiteten Strommenge.
Nach dem zweiten Faradayschen Gesetz werden bei gleicher Strommenge, die durch das System geleitet wird, die Massen der reagierten Stoffe als ihre chemischen Äquivalente zueinander in Beziehung gesetzt.
In der Praxis wird eine geringere Menge an Materie elektrochemisch verändert als nach den Faradayschen Gesetzen - wenn Strom fließt, treten neben den elektrochemischen Hauptreaktionen auch Parallel- oder Nebenreaktionen auf, die die Masse der Produkte verändern. Um den Einfluss solcher Reaktionen zu berücksichtigen, wurde das Konzept der Stromeffizienz eingeführt.
Der Stromwirkungsgrad ist der Teil der durch das System fließenden Strommenge, der auf den Anteil der betrachteten elektrochemischen Hauptreaktion fällt.
Batterieentladung
Die am Strombildungsprozess beteiligten Wirkstoffe einer geladenen Blei-Säure-Batterie sind:
An der positiven Elektrode - Bleidioxid (dunkelbraun);
An der negativen Elektrode - schwammiges Blei (grau);
Der Elektrolyt ist eine wässrige Schwefelsäurelösung.
Ein Teil der Säuremoleküle in einer wässrigen Lösung wird immer in positiv geladene Wasserstoffionen und negativ geladene Sulfationen dissoziiert.
Blei, die aktive Masse der negativen Elektrode, löst sich teilweise im Elektrolyten und oxidiert in Lösung, um positive Ionen zu bilden. Die dabei freigesetzten überschüssigen Elektronen laden die Elektrode negativ auf und beginnen sich entlang eines geschlossenen Abschnitts des äußeren Stromkreises zur positiven Elektrode zu bewegen.
Positiv geladene Bleiionen reagieren mit negativ geladenen Sulfationen zu Bleisulfat, das wenig löslich ist und sich daher auf der Oberfläche der negativen Elektrode ablagert. Beim Entladen der Batterie wandelt sich die aktive Masse der negativen Elektrode von Bleischwamm zu Bleisulfat mit einem Wechsel von Grau zu Hellgrau.
Bleidioxid von der positiven Elektrode löst sich im Elektrolyten in einer viel geringeren Menge als das Blei von der negativen Elektrode. Bei der Wechselwirkung mit Wasser dissoziiert es (zersetzt sich in Lösung in geladene Teilchen - Ionen) und bildet vierwertige Bleiionen und Hydroxylionen.
Ionen verleihen der Elektrode ein positives Potential und werden durch Anlagerung von Elektronen, die von der negativen Elektrode durch den externen Stromkreis kommen, zu zweiwertigen Bleiionen reduziert
Ionen wechselwirken mit Ionen zu Bleisulfat, das sich aus dem oben genannten Grund auch auf der Oberfläche der positiven Elektrode ablagert, wie dies auch auf der negativen der Fall war. Die aktive Masse der positiven Elektrode wandelt sich bei der Entladung von Bleidioxid in Bleisulfat mit einem Farbumschlag von dunkelbraun nach hellbraun um.
Als Ergebnis der Batterieentladung werden die aktiven Materialien sowohl der positiven als auch der negativen Elektrode in Bleisulfat umgewandelt. Dabei wird Schwefelsäure zur Bildung von Bleisulfat verbraucht und aus den freigesetzten Ionen Wasser gebildet, was zu einer Abnahme der Dichte des Elektrolyten beim Entladen führt.
Batterieladung
Im Elektrolyten enthalten beide Elektroden geringe Mengen an Bleisulfat und Wasserionen. Unter dem Einfluss der Spannung der Gleichstromquelle, in deren Stromkreis die geladene Batterie enthalten ist, wird im externen Stromkreis eine gerichtete Bewegung von Elektronen zum Minuspol der Batterie hergestellt.
Zweiwertige Bleiionen an der negativen Elektrode werden durch die einfallenden zwei Elektronen neutralisiert (reduziert), wodurch die aktive Masse der negativen Elektrode in metallischen Bleischwamm umgewandelt wird. Die restlichen freien Ionen bilden Schwefelsäure
An der positiven Elektrode geben zweiwertige Bleiionen unter Einwirkung eines Ladestroms zwei Elektronen ab und oxidieren zu vierwertigen. Letztere bilden durch Zwischenreaktionen mit zwei Sauerstoffionen Bleidioxid, das an der Elektrode freigesetzt wird. Ionen und bilden ebenso wie an der negativen Elektrode Schwefelsäure, wodurch die Dichte des Elektrolyten beim Laden ansteigt.
Wenn die Umwandlungsprozesse von Stoffen in den aktiven Massen der positiven und negativen Elektroden abgeschlossen sind, ändert sich die Dichte des Elektrolyten nicht mehr, was ein Zeichen für das Ende der Batterieladung ist. Bei weiterer Fortsetzung der Ladung erfolgt der sogenannte Sekundärprozess - die elektrolytische Zersetzung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Sie heben sich in Form von Gasbläschen vom Elektrolyten ab und bewirken dessen intensives Sieden, das auch als Zeichen für das Ende des Ladevorgangs dient.
Verbrauch der wichtigsten strombildenden Reagenzien
Um bei entladener Batterie eine Kapazität von einer Amperestunde zu erreichen, müssen an der Reaktion beteiligt sein:
4,463 g Bleidioxid
3.886 g Schwammblei
3.660 g Schwefelsäure
Der theoretische Gesamtverbrauch an Materialien für die Gewinnung von 1 Ah (spezifischer Materialverbrauch) an Elektrizität beträgt 11,989 g / Ah und die theoretische spezifische Kapazität - 83,41 Ah / kg.
Bei einer Batterie-Nennspannung von 2 V beträgt der theoretische spezifische Materialverbrauch pro Energieeinheit 5,995 g / Wh, die spezifische Energie der Batterie beträgt 166,82 Wh / kg.
In der Praxis ist es jedoch unmöglich, eine vollständige Ausnutzung der am Stromformungsprozess beteiligten aktiven Materialien zu erreichen. Etwa die Hälfte der Oberfläche der Aktivmasse ist für den Elektrolyten unzugänglich, da sie als Grundlage für den Aufbau eines volumetrischen porösen Gerüstes dient, das die mechanische Festigkeit des Materials gewährleistet. Daher beträgt die tatsächliche Nutzungsrate der aktiven Massen der positiven Elektrode 45-55% und die negative 50-65%. Als Elektrolyt wird zusätzlich eine 35-38%ige Schwefelsäurelösung verwendet. Daher ist der Wert des tatsächlichen spezifischen Materialverbrauchs viel höher und die tatsächlichen Werte der spezifischen Kapazität und der spezifischen Energie sind viel niedriger als die theoretischen.
Elektromotorische Kraft
Die elektromotorische Kraft (EMF) der Batterie E ist die Differenz zwischen ihren Elektrodenpotentialen, gemessen mit einem offenen externen Stromkreis.
EMF einer Batterie bestehend aus n in Reihe geschalteten Batterien.
Es ist notwendig, zwischen der Gleichgewichts-EMK der Batterie und der Nichtgleichgewichts-EMK der Batterie während der Zeit vom Öffnen des Stromkreises bis zur Herstellung eines Gleichgewichtszustands (der Zeit des Übergangsvorgangs) zu unterscheiden.
Die EMK wird mit einem hochohmigen Voltmeter (Innenwiderstand von mindestens 300 Ohm/V) gemessen. Dazu wird ein Voltmeter an die Pole der Batterie oder Batterie angeschlossen. In diesem Fall darf kein Lade- oder Entladestrom durch den Akkumulator (Batterie) fließen.
Die Gleichgewichts-EMK eines Bleiakkumulators hängt, wie jede chemische Stromquelle, von den chemischen und physikalischen Eigenschaften der am Strombildungsprozess beteiligten Stoffe ab und ist in keiner Weise von der Größe und Form der Elektroden sowie von der Menge der aktiven Massen und des Elektrolyten. Gleichzeitig ist bei einer Blei-Säure-Batterie der Elektrolyt direkt an der Strombildung an den Batterieelektroden beteiligt und ändert seine Dichte je nach Ladezustand der Batterien. Daher ist die Gleichgewichts-EMK, die wiederum eine Funktion der Dichte ist
Die Temperaturänderung der EMF der Batterie ist sehr gering und kann im Betrieb vernachlässigt werden.
Innenwiderstand
Der Widerstand der Batterie gegenüber dem darin fließenden Strom (Laden oder Entladen) wird als Innenwiderstand der Batterie bezeichnet.
Der Widerstand der Aktivmaterialien der positiven und negativen Elektroden sowie der Widerstand des Elektrolyten ändern sich je nach Ladezustand der Batterie. Außerdem ist der Widerstand des Elektrolyten stark temperaturabhängig.
Daher hängt der ohmsche Widerstand auch vom Ladezustand der Batterie und der Temperatur des Elektrolyten ab.
Der Polarisationswiderstand hängt von der Stärke des Entladestroms (Ladestroms) und der Temperatur ab und gehorcht nicht dem Ohmschen Gesetz.
Der Innenwiderstand einer Batterie und sogar einer Batterie aus mehreren in Reihe geschalteten Batterien ist vernachlässigbar und beträgt im geladenen Zustand nur wenige Tausendstel Ohm. Im Laufe der Entladung ändert sie sich jedoch deutlich.
Die elektrische Leitfähigkeit aktiver Massen nimmt bei einer positiven Elektrode um das 20-fache und bei einer negativen um das 10-fache ab. Auch die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten ändert sich in Abhängigkeit von seiner Dichte. Mit einer Zunahme der Dichte des Elektrolyten von 1,00 auf 1,70 g / cm3 steigt seine elektrische Leitfähigkeit zunächst auf ihren Maximalwert und nimmt dann wieder ab.
Beim Entladen der Batterie sinkt die Dichte des Elektrolyten von 1,28 g/cm3 auf 1,09 g/cm3, was zu einer fast 2,5-fachen Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit führt. Dadurch steigt der ohmsche Widerstand der Batterie mit der Entladung. Im entladenen Zustand erreicht der Widerstand einen mehr als 2-fach höheren Wert als im geladenen Zustand.
Neben dem Ladezustand hat die Temperatur einen wesentlichen Einfluss auf den Widerstand von Batterien. Mit abnehmender Temperatur steigt der spezifische Widerstand des Elektrolyten und bei einer Temperatur von -40 ° C wird er etwa 8-mal höher als bei +30 ° C. Auch der Widerstand der Separatoren steigt mit sinkender Temperatur stark an und steigt im gleichen Temperaturbereich fast um das 4-fache an. Dies ist der entscheidende Faktor, um den Innenwiderstand von Batterien bei niedrigen Temperaturen zu erhöhen.
Lade- und Entladespannung
Die Potenzialdifferenz an den Polklemmen der Batterie (Batterie) beim Laden oder Entladen bei Strom im externen Stromkreis wird normalerweise als Spannung der Batterie (Batterie) bezeichnet. Das Vorhandensein des Innenwiderstands der Batterie führt dazu, dass ihre Spannung beim Entladen immer niedriger als die EMF und beim Laden immer höher als die EMF ist.
Beim Laden der Batterie muss die Spannung an ihren Klemmen um den Betrag der internen Verluste größer sein als ihre EMK.
Zu Beginn des Ladevorgangs kommt es zu einem Spannungssprung um den Betrag der ohmschen Verluste im Inneren der Batterie und dann zu einem starken Spannungsanstieg aufgrund des Polarisationspotentials, der hauptsächlich durch eine schnelle Zunahme der Dichte des Elektrolyten in den Poren verursacht wird der aktiven Masse. Außerdem tritt ein langsamer Spannungsanstieg auf, hauptsächlich aufgrund einer Zunahme der EMF der Batterie aufgrund einer Zunahme der Dichte des Elektrolyten.
Nachdem die Hauptmenge des Bleisulfats in PbO2 und Pb umgewandelt wurde, führt der Energieverbrauch zunehmend zur Zersetzung von Wasser (Elektrolyse) Die überschüssige Menge an Wasserstoff- und Sauerstoffionen, die im Elektrolyten auftreten, erhöht die Potentialdifferenz zwischen gegenüberliegenden Elektroden weiter. Dies führt zu einem schnellen Anstieg der Ladespannung, was die Zersetzung des Wassers beschleunigt. Die resultierenden Wasserstoff- und Sauerstoffionen interagieren nicht mit aktiven Materialien. Sie rekombinieren zu neutralen Molekülen und werden in Form von Gasblasen aus dem Elektrolyten freigesetzt (Sauerstoff wird an der positiven Elektrode freigesetzt, Wasserstoff wird an der negativen Elektrode freigesetzt), wodurch der Elektrolyt „kocht“.
Wenn Sie den Ladevorgang fortsetzen, sehen Sie, dass die Zunahme der Dichte des Elektrolyten und der Ladespannung praktisch aufhört, da fast das gesamte Bleisulfat bereits reagiert hat und die gesamte der Batterie zugeführte Energie jetzt nur noch für die Nebenprozess - die elektrolytische Zersetzung von Wasser. Dies erklärt auch die Konstanz der Ladespannung, die als eines der Zeichen für das Ende des Ladevorgangs dient.
Nach dem Stoppen des Ladevorgangs, dh dem Trennen der externen Quelle, fällt die Spannung an den Klemmen der Batterie stark auf den Wert ihrer Nichtgleichgewichts-EMK oder auf den Wert der ohmschen internen Verluste ab. Dann kommt es zu einer allmählichen Abnahme der EMF (aufgrund einer Abnahme der Dichte des Elektrolyten in den Poren der Aktivmasse), die bis zur Konzentration des Elektrolyten im Volumen der Batterie und in den Poren der Aktivmasse andauert vollständig egalisiert ist, was der Einstellung eines Gleichgewichts-EMK entspricht.
Wenn die Batterie entladen ist, ist die Spannung an ihren Klemmen um den Wert des internen Spannungsabfalls geringer als die EMF.
Zu Beginn der Entladung fällt die Batteriespannung aufgrund einer Abnahme der Elektrolytkonzentration in den Poren der aktiven Masse, dh der Konzentrationspolarisation, stark um den Wert der ohmschen Verluste und der Polarisation ab. Außerdem nimmt bei einem stetigen (stationären) Entladevorgang die Dichte des Elektrolyten im Volumen der Batterie ab, was zu einer allmählichen Abnahme der Entladespannung führt. Gleichzeitig ändert sich das Verhältnis des Gehalts an Bleisulfat in der Aktivmasse, was auch eine Erhöhung der ohmschen Verluste verursacht. In diesem Fall verschließen die Bleisulfatpartikel (die etwa das dreifache Volumen im Vergleich zu den Bleipartikeln und seinem Dioxid, aus denen sie gebildet wurden) haben, die Poren der Aktivmasse, was den Durchtritt des Elektrolyten verhindert die Tiefe der Elektroden.
Dies verursacht eine Zunahme der Konzentrationspolarisation, was zu einer schnelleren Abnahme der Entladungsspannung führt.
Wenn die Entladung aufhört, steigt die Spannung an den Batteriepolen schnell um den Wert der ohmschen Verluste an und erreicht den Wert der Nichtgleichgewichts-EMK. Eine weitere Änderung der EMK durch die Angleichung der Elektrolytkonzentration in den Poren der Aktivmassen und im Volumen der Batterie führt zu einer allmählichen Einstellung des Wertes der Gleichgewichts-EMK.
Die Batteriespannung während ihrer Entladung wird hauptsächlich durch die Temperatur des Elektrolyten und die Stärke des Entladestroms bestimmt. Wie oben erwähnt, ist der Widerstand einer Blei-Säure-Batterie (Batterie) vernachlässigbar und beträgt im geladenen Zustand nur wenige Milliohm. Bei Strömen einer Starterentladung, deren Stärke 4-7 mal höher ist als der Wert der Nennkapazität, hat der interne Spannungsabfall jedoch einen erheblichen Einfluss auf die Entladespannung. Die Zunahme der ohmschen Verluste mit abnehmender Temperatur geht mit einer Erhöhung des Widerstands des Elektrolyten einher. Darüber hinaus steigt die Viskosität des Elektrolyten stark an, was seine Diffusion in die Poren der aktiven Masse erschwert und die Konzentrationspolarisation erhöht (dh den Spannungsverlust im Inneren der Batterie aufgrund einer Abnahme der Konzentration der Elektrolyt in den Poren der Elektroden).
Bei einem Strom über 60 A ist die Abhängigkeit der Entladespannung von der Stromstärke bei allen Temperaturen praktisch linear.
Der Mittelwert der Batteriespannung beim Laden und Entladen wird als arithmetisches Mittel der in regelmäßigen Abständen gemessenen Spannungswerte ermittelt.
Batteriekapazität
Die Batteriekapazität ist die Strommenge, die der Batterie entnommen wird, wenn sie auf ihre eingestellte Endspannung entladen wird. In praktischen Berechnungen wird die Batteriekapazität normalerweise in Amperestunden (Ah) angegeben. Die Entladekapazität kann durch Multiplikation des Entladestroms mit der Entladedauer berechnet werden.
Die Entladekapazität, für die die Batterie ausgelegt ist und die vom Hersteller angegeben wird, wird als Nennkapazität bezeichnet.
Ein wichtiger Indikator ist neben ihr auch die Kapazität, die der Akku beim Laden erhält.
Die Entladekapazität hängt von einer Reihe von konstruktiven und technologischen Parametern der Batterie sowie von den Betriebsbedingungen ab. Die wichtigsten Designparameter sind die Menge an aktiver Masse und Elektrolyt, die Dicke und die geometrischen Abmessungen der Batterieelektroden. Die wichtigsten technologischen Parameter, die die Batteriekapazität beeinflussen, sind die Formulierung der aktiven Materialien und deren Porosität. Auch die Betriebsparameter Elektrolyttemperatur und Entladestrom haben einen wesentlichen Einfluss auf die Entladekapazität. Der verallgemeinerte Indikator, der die Effizienz der Batterie charakterisiert, ist der Nutzungsgrad der aktiven Materialien.
Um eine Kapazität von 1 Ah, wie oben angegeben, zu erreichen, werden theoretisch 4,463 g Bleidioxid, 3,886 g Bleischwamm und 3,66 g Schwefelsäure benötigt. Der theoretische spezifische Verbrauch der aktiven Massen der Elektroden beträgt 8,32 g/Ah. In realen Batterien beträgt der spezifische Verbrauch an Aktivmaterialien bei einem 20-Stunden-Entlademodus und einer Elektrolyttemperatur von 25°C 15,0 bis 18,5 g/Ah, was einer Auslastung der Aktivmassen von 45-55% entspricht. Folglich übersteigt der praktische Verbrauch der aktiven Masse die theoretischen Werte um das Zweifache oder mehr.
Die folgenden Hauptfaktoren beeinflussen den Nutzungsgrad der aktiven Masse und damit den Wert der Entladekapazität.
Porosität der aktiven Masse. Mit zunehmender Porosität verbessern sich die Bedingungen für die Diffusion des Elektrolyten in die Tiefe der Aktivmasse der Elektrode und die wahre Oberfläche, auf der die Strombildungsreaktion abläuft, nimmt zu. Mit zunehmender Porosität steigt die Entladekapazität. Der Grad der Porosität hängt von der Größe der Bleipulverpartikel und der Formulierung zur Herstellung von Aktivmassen sowie von den verwendeten Additiven ab. Darüber hinaus führt eine Erhöhung der Porosität zu einer Verringerung der Haltbarkeit aufgrund einer Beschleunigung des Zerstörungsprozesses hochporöser Aktivmassen. Daher wird der Wert der Porosität von den Herstellern unter Berücksichtigung nicht nur hoher kapazitiver Eigenschaften gewählt, sondern auch die erforderliche Lebensdauer der Batterie im Betrieb sichergestellt. Derzeit wird die optimale Porosität je nach Verwendungszweck der Batterie im Bereich von 46-60% angesehen.
Die Dicke der Elektroden. Mit abnehmender Dicke nimmt die Ungleichmäßigkeit der Belastung der äußeren und inneren Schichten der Aktivmasse der Elektrode ab, was zu einer Erhöhung der Entladungskapazität beiträgt. Bei dickeren Elektroden werden die Innenschichten der Aktivmasse sehr wenig genutzt, insbesondere beim Entladen mit hohen Strömen. Daher nehmen mit zunehmendem Entladestrom die Kapazitätsunterschiede von Batterien mit Elektroden unterschiedlicher Dicke stark ab.
Porosität und Rationalität des Separatormaterialdesigns. Mit zunehmender Porosität des Separators und der Höhe seiner Rippen erhöht sich die Elektrolytzufuhr im Elektrodenzwischenraum und die Bedingungen für seine Diffusion verbessern sich.
Die Dichte des Elektrolyten. Beeinflusst die Kapazität des Akkus und seine Lebensdauer. Mit zunehmender Dichte des Elektrolyten nimmt die Kapazität der positiven Elektroden zu und die Kapazität der negativen, insbesondere bei negativen Temperaturen, durch die Beschleunigung der Passivierung der Elektrodenoberfläche ab. Eine erhöhte Dichte wirkt sich auch negativ auf die Batterielebensdauer aus, indem sie korrosive Prozesse an der positiven Elektrode beschleunigt. Daher wird die optimale Elektrolytdichte basierend auf den Anforderungen und Bedingungen eingestellt, unter denen die Batterie betrieben wird. So beträgt beispielsweise für Starterbatterien, die in einem gemäßigten Klima betrieben werden, die empfohlene Arbeitsdichte des Elektrolyten 1,26-1,28 g / cm3 und für Gebiete mit heißem (tropischem) Klima 1,22-1,24 g / cm3.
Die Stärke des Entladestroms, mit der die Batterie für eine bestimmte Zeit kontinuierlich entladen werden muss (kennzeichnet den Entlademodus). Die Entladungsmodi werden herkömmlicherweise in lange und kurze unterteilt. Im Langzeitbetrieb erfolgt die Entladung mit geringen Strömen über mehrere Stunden. Zum Beispiel 5-, 10- und 20-Stunden-Ziffern. Bei Kurz- oder Startentladungen beträgt die Stromstärke ein Mehrfaches der Nennkapazität der Batterie und die Entladung dauert mehrere Minuten oder Sekunden. Mit steigendem Entladestrom steigt die Entladerate der oberflächlichen Schichten der Aktivmasse stärker als der tiefen. Infolgedessen erfolgt das Wachstum von Bleisulfat in den Mündungen der Poren schneller als in der Tiefe, und die Pore wird mit Sulfat verstopft, bevor ihre innere Oberfläche Zeit zum Reagieren hat. Aufgrund der Beendigung der Diffusion des Elektrolyten in die Pore stoppt die Reaktion darin. Je höher der Entladestrom ist, desto geringer ist also die Batteriekapazität und folglich der Nutzungsfaktor der aktiven Masse.
Zur Beurteilung der Starteigenschaften von Batterien wird deren Kapazität auch durch die Anzahl der intermittierenden Starterentladungen (zB 10-15 s Dauer mit 60 s Intervall dazwischen) charakterisiert. Die von der Batterie bereitgestellte Kapazität bei intermittierenden Entladungen übersteigt die Kapazität bei kontinuierlicher Entladung mit gleichem Strom, insbesondere im Starter-Entlademodus.
Derzeit wird in der internationalen Praxis zur Bewertung der kapazitiven Eigenschaften von Starterbatterien das Konzept der "Reserve"-Kapazität verwendet. Er charakterisiert die Batterieentladezeit (in Minuten) bei einem Entladestrom von 25 A, unabhängig von der Nennkapazität der Batterie. Nach Ermessen des Herstellers kann der Wert der Nennkapazität für einen 20-Stunden-Entlademodus in Amperestunden oder entsprechend der Reservekapazität in Minuten eingestellt werden.
Elektrolyttemperatur. Mit ihrer Abnahme nimmt die Entladekapazität der Batterien ab. Grund hierfür ist eine Erhöhung der Viskosität des Elektrolyten und seines elektrischen Widerstandes, die die Diffusionsgeschwindigkeit des Elektrolyten in die Poren der Aktivmasse verlangsamt. Darüber hinaus werden mit abnehmender Temperatur die Passivierungsprozesse der negativen Elektrode beschleunigt.
Der Temperaturkoeffizient der Kapazität a zeigt die Kapazitätsänderung in Prozent bei einer Temperaturänderung um 1 °C.
Bei den Tests wird die im Langzeit-Entlademodus erhaltene Entladekapazität mit dem bei einer Elektrolyttemperatur von +25 ° C ermittelten Wert der Nennkapazität verglichen.
Die Elektrolyttemperatur bei der Bestimmung der Kapazität im Langzeitentladungsmodus gemäß den Anforderungen der Normen sollte im Bereich von +18 ° C bis +27 ° C liegen.
Die Parameter der Starterentladung werden durch die Dauer der Entladung in Minuten und durch die Spannung zu Beginn der Entladung geschätzt. Diese Parameter werden beim ersten Zyklus bei +25 °C (auf trockengeladene Batterien prüfen) und bei den folgenden Zyklen bei Temperaturen von -18 °C oder -30 °C ermittelt.
Der Ladegrad. Mit steigendem Ladezustand erhöht sich bei sonst gleichen Bedingungen die Kapazität und erreicht bei voll aufgeladenen Akkus ihren Maximalwert. Dies liegt daran, dass bei einer unvollständigen Ladung die Menge der Aktivmaterialien auf beiden Elektroden sowie die Dichte des Elektrolyten ihre Maximalwerte nicht erreichen.
Batterieenergie und Leistung
Die Batterieenergie W wird in Wattstunden ausgedrückt und wird durch das Produkt ihrer Entladekapazität (Ladekapazität) und der durchschnittlichen Entladespannung (Ladespannung) bestimmt.
Da sich bei einer Änderung des Temperatur- und Entlademodus die Batteriekapazität und ihre Entladespannung ändern, nimmt bei einer Temperaturabnahme und einer Erhöhung des Entladestroms die Batterieenergie noch stärker ab als ihre Kapazität.
Beim Vergleich chemischer Stromquellen, die sich in Kapazität, Design und sogar im elektrochemischen System unterscheiden, sowie bei der Bestimmung der Richtungen ihrer Verbesserung verwenden sie den spezifischen Energieindikator - Energie pro Masseneinheit der Batterie oder ihres Volumens. Bei modernen wartungsfreien Blei-Säure-Starterbatterien beträgt die spezifische Energie bei einer Entladerate von 20 Stunden 40-47 Wh / kg.
Die Energiemenge, die der Akku pro Zeiteinheit abgibt, wird als Leistung bezeichnet. Sie kann als Produkt aus dem Wert des Entladestroms und der durchschnittlichen Entladespannung definiert werden.
Selbstentladung der Batterie
Selbstentladung wird als Abnahme der Kapazität von Batterien mit offenem externem Stromkreis bezeichnet, dh bei Inaktivität. Dieses Phänomen wird durch Redoxprozesse verursacht, die sowohl an der negativen als auch an der positiven Elektrode spontan auftreten.
Die negative Elektrode ist aufgrund der spontanen Auflösung von Blei (negative Aktivmasse) in der Schwefelsäurelösung besonders anfällig für Selbstentladung.
Die Selbstentladung der negativen Elektrode wird von der Entwicklung von Wasserstoffgas begleitet. Die spontane Auflösungsrate von Blei nimmt mit steigender Elektrolytkonzentration deutlich zu. Eine Erhöhung der Dichte des Elektrolyten von 1,27 auf 1,32 g/cm3 führt zu einer Erhöhung der Selbstentladungsrate der negativen Elektrode um 40%.
Das Vorhandensein von Verunreinigungen verschiedener Metalle auf der Oberfläche der negativen Elektrode hat einen sehr signifikanten (katalytischen) Effekt auf eine Erhöhung der Selbstauflösungsrate von Blei (aufgrund einer Abnahme der Überspannung der Wasserstoffentwicklung). Nahezu alle Metalle, die als Verunreinigungen in Batterierohstoffen, Elektrolyten und Separatoren vorkommen oder in Form spezieller Additive eingebracht werden, tragen zu einer erhöhten Selbstentladung bei. An der Oberfläche der negativen Elektrode angelangt, erleichtern sie die Bedingungen für die Wasserstoffentwicklung.
Einige der Verunreinigungen (Metallsalze mit variabler Wertigkeit) wirken als Ladungsträger von einer Elektrode zur anderen. In diesem Fall werden Metallionen an der negativen Elektrode reduziert und an der positiven oxidiert (ein solcher Selbstentladungsmechanismus wird Eisenionen zugeschrieben).
Die Selbstentladung des positiven Aktivmaterials wird durch die Reaktion verursacht.
2PbO2 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + О2 T.
Auch die Geschwindigkeit dieser Reaktion nimmt mit steigender Elektrolytkonzentration zu.
Da die Reaktion unter Sauerstoffentwicklung abläuft, wird ihre Geschwindigkeit weitgehend durch die Sauerstoffüberspannung bestimmt. Daher erhöhen Additive, die das Sauerstoffentwicklungspotential verringern (z. B. Antimon, Kobalt, Silber) die Geschwindigkeit der Bleidioxid-Selbstauflösungsreaktion. Die Selbstentladungsrate des positiven Aktivmaterials ist um ein Vielfaches geringer als die Selbstentladungsrate des negativen Aktivmaterials.
Ein weiterer Grund für die Selbstentladung der positiven Elektrode ist die Potentialdifferenz zwischen dem Material des Stromkollektors und der aktiven Masse dieser Elektrode. Das aus dieser Potentialdifferenz resultierende galvanische Mikroelement wandelt bei Stromfluss das Blei des Stromabnehmers und Bleidioxid der positiven Aktivmasse in Bleisulfat um.
Eine Selbstentladung kann auch auftreten, wenn die Außenseite der Batterie verschmutzt oder mit Elektrolyt, Wasser oder anderen Flüssigkeiten überflutet ist, die die Möglichkeit einer Entladung durch eine elektrisch leitende Folie zwischen den Polklemmen der Batterie oder deren Steckbrücken schaffen. Diese Art der Selbstentladung unterscheidet sich nicht von der üblichen Entladung bei sehr kleinen Strömen bei geschlossenem äußeren Stromkreis und ist leicht zu beseitigen. Halten Sie dazu die Oberfläche der Batterien sauber.
Die Selbstentladung von Batterien ist stark von der Temperatur des Elektrolyten abhängig. Die Selbstentladung nimmt mit abnehmender Temperatur ab. Bei Temperaturen unter 0 ° C stoppen neue Batterien praktisch. Daher empfiehlt sich die Lagerung von Akkus im geladenen Zustand bei niedrigen Temperaturen (bis -30°C).
Im Betrieb bleibt die Selbstentladung nicht konstant und nimmt gegen Ende der Lebensdauer stark zu.
Eine Verringerung der Selbstentladung ist aufgrund einer Zunahme der Überspannung der Sauerstoff- und Wasserstoffentwicklung an den Batterieelektroden möglich.
Dazu ist es zum einen notwendig, möglichst reine Materialien zur Herstellung von Batterien zu verwenden, den Mengenanteil an Legierungselementen in Batterielegierungen zu reduzieren, nur
reine Schwefelsäure und destilliertes (oder in ähnlicher Reinheit bei anderen Reinigungsverfahren) Wasser zur Herstellung aller Elektrolyte, sowohl während der Produktion als auch während des Betriebs. Durch die Verringerung des Antimongehalts in der Legierung aktueller Wasserhähne von 5% auf 2% und die Verwendung von destilliertem Wasser für alle technologischen Elektrolyte wird die durchschnittliche tägliche Selbstentladung um das Vierfache reduziert. Der Ersatz von Antimon durch Calcium kann die Selbstentladungsrate weiter reduzieren.
Auch die Zugabe organischer Substanzen – Selbstentladungsinhibitoren – kann zu einer Verringerung der Selbstentladung beitragen.
Die Verwendung einer gemeinsamen Abdeckung und versteckter Verbindungen zwischen den Elementen verringert die Selbstentladungsrate durch Kriechströme erheblich, da die Wahrscheinlichkeit einer galvanischen Kopplung zwischen weit voneinander entfernten Polklemmen erheblich verringert wird.
Manchmal bezieht sich Selbstentladung auf den schnellen Kapazitätsverlust aufgrund eines Kurzschlusses im Inneren der Batterie. Dieses Phänomen wird durch eine direkte Entladung durch leitende Brücken erklärt, die zwischen gegenüberliegenden Elektroden gebildet werden.
Einsatz von Hüllentrennern in wartungsfreien Batterien
eliminiert die Möglichkeit von Kurzschlüssen zwischen gegenüberliegenden Elektroden während des Betriebs. Diese Möglichkeit bleibt jedoch aufgrund möglicher Gerätestörungen während der Massenproduktion bestehen. Typischerweise wird ein solcher Defekt in den ersten Betriebsmonaten festgestellt und der Akku muss im Rahmen der Garantie ersetzt werden.
Typischerweise wird die Selbstentladungsrate als Prozentsatz des Kapazitätsverlusts über einen bestimmten Zeitraum ausgedrückt.
Die Selbstentladung ist nach den aktuellen Normen auch durch die Spannung der Starterentladung bei -18 ° C nach dem Test gekennzeichnet: Inaktivität für 21 Tage bei einer Temperatur von +40 ° C.
Batterie EMF (elektromotorische Kraft) dies ist die Differenz der Elektrodenpotentiale in Abwesenheit eines externen Stromkreises. Das Elektrodenpotential ist die Summe des Gleichgewichtselektrodenpotentials. Es charakterisiert den Ruhezustand der Elektrode, d. h. das Fehlen elektrochemischer Prozesse, und das Polarisationspotential, das als Potentialdifferenz der Elektrode beim Laden (Entladen) und in Abwesenheit eines Stromkreises definiert wird.
Diffusionsprozess.
Aufgrund des Diffusionsprozesses, des Ausgleichs der Elektrolytdichte im Hohlraum des Batteriekörpers und in den Poren der Aktivmasse der Platten, kann die Elektrodenpolarisation in der Batterie bei Abklemmen des externen Stromkreises aufrechterhalten werden.
Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt direkt von der Temperatur des Elektrolyten ab; je höher die Temperatur, desto schneller läuft der Prozess ab und kann zeitlich stark variieren, von zwei Stunden bis zu einem Tag. Das Vorhandensein von zwei Komponenten des Elektrodenpotentials während transienter Moden führte zur Aufteilung in Gleichgewicht und Nichtgleichgewicht Batterie-EMF.
Im Gleichgewicht Batterie-EMF beeinflusst den Gehalt und die Konzentration von Wirkstoffionen im Elektrolyten sowie die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Wirkstoffe. Die Hauptrolle bei der Größe der EMF spielt die Dichte des Elektrolyten und die Temperatur beeinflusst sie praktisch nicht. Die Abhängigkeit der EMF von der Dichte kann durch die Formel ausgedrückt werden:
Wobei E die EMF der Batterie ist (V)
P ist die Dichte des Elektrolyten, reduziert auf eine Temperatur von 25 g. C (g / cm3) Diese Formel gilt, wenn die Arbeitsdichte des Elektrolyten im Bereich von 1,05 - 1,30 g / cm3 liegt. EMF kann den Verdünnungsgrad der Batterie nicht direkt charakterisieren. Wenn Sie es jedoch an den Klemmen messen und in Bezug auf die Dichte mit der berechneten vergleichen, können Sie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit den Zustand der Platten und die Kapazität beurteilen.
Im Ruhezustand ist die Dichte des Elektrolyten in den Poren der Elektroden und im Hohlraum des Monoblocks gleich und gleich der EMF im Ruhezustand. Beim Anschluss von Verbrauchern oder einer Ladungsquelle ändern sich die Polarisation der Platten und die Elektrolytkonzentration in den Poren der Elektroden. Dies führt zu einer Änderung des EMF. Beim Laden erhöht sich der Wert der EMF und beim Entladen sinkt er. Dies ist auf eine Dichteänderung des Elektrolyten zurückzuführen, die an elektrochemischen Prozessen beteiligt ist.
ELEKTROMOTORISCHE KRAFT
Elektromotorische Kraft (EMF) der Batterie (E 0) heißt die Differenz seiner Elektrodenpotentiale, gemessen mit einem offenen äußeren Stromkreis im stationären (Gleichgewichts-)Zustand, d.h.:
E 0 = 0 + + φ 0 - ,
wo φ 0 + und φ 0 - bzw. - die Gleichgewichtspotentiale der positiven und negativen Elektroden mit einem offenen äußeren Stromkreis, V.
Batterie-EMK, zusammengesetzt aus n in Reihe geschaltete Batterien:
E 0b = n × E 0.
Das Elektrodenpotential wird allgemein als die Differenz zwischen dem Potential einer Elektrode während des Entladens oder Ladens und ihrem Potential im Gleichgewichtszustand ohne Strom definiert. Es sollte jedoch beachtet werden, dass der Zustand der Batterie unmittelbar nach dem Abschalten des Lade- oder Entladestroms nicht im Gleichgewicht ist, da die Elektrolytkonzentration in den Poren der Elektroden und des Zwischenelektrodenraums nicht gleich ist. Daher bleibt die Elektrodenpolarisation auch nach dem Abschalten des Lade- oder Entladestroms relativ lange in der Batterie. Sie charakterisiert dabei die Abweichung des Elektrodenpotentials vom Gleichgewichtswert j 0 aufgrund des Diffusionsausgleichs der Elektrolytkonzentration in der Batterie vom Zeitpunkt des Öffnens des äußeren Kreislaufs bis zur Einstellung eines stationären Gleichgewichtszustandes.
φ = φ 0 ± ψ
Das „+“-Zeichen in dieser Gleichung entspricht der Restpolarisation ja nach dem Ende des Ladevorgangs das „-“-Zeichen - nach dem Ende des Entladevorgangs.
Also sollte man unterscheiden Gleichgewichts-EMK (E 0) Batterie und Nichtgleichgewichts-EMF, oder besser gesagt NRC ( U 0) der Batterie während der Zeit vom Öffnen des Stromkreises bis zum Herstellen eines Gleichgewichtszustands (die Zeit des Übergangsvorgangs):
E 0 = φ 0 + - φ 0 - = Δφ 0 (12)
U 0 = φ 0 + -φ 0 - ± (ψ + - ψ -) = Δφ 0 ± Δψ (13)
In diesen Gleichheiten:
Δφ 0 - die Differenz zwischen den Gleichgewichtspotentialen der Elektroden (V);
Δψ Ist die Potentialdifferenz der Polarisation der Elektroden (V).
Wie in Abschnitt 3.1 angegeben, wird der Wert der Nichtgleichgewichts-EMK ohne Strom im externen Stromkreis allgemein als Leerlaufspannung (OPV) bezeichnet.
EMF oder NRC wird mit einem hochohmigen Voltmeter (Innenwiderstand von mindestens 300 Ohm/V) gemessen. Dazu wird ein Voltmeter an die Pole der Batterie oder Batterie angeschlossen. In diesem Fall darf kein Lade- oder Entladestrom durch den Akkumulator (Batterie) fließen.
Wenn wir die Gleichungen (12 und 13) vergleichen, sehen wir, dass sich die Gleichgewichts-EMK von der NRC durch den Unterschied der Polarisationspotentiale unterscheidet.
= U 0 - E 0
Parameter Δψ wird nach dem Abschalten des Ladestroms positiv ( U0> E0) und negativ nach Abschalten des Entladestroms ( U 0< Е 0 ). Im ersten Moment nach dem Abschalten des Ladestroms Δψ beträgt ca. 0,15–0,2 V pro Akku und nach Abschalten des Entladestroms 0,2–0,25 V pro Akku, je nach Modus der vorherigen Ladung oder Entladung. Im Laufe der Zeit Δψ als absoluter Wert sinkt er auf null, wenn die transienten Prozesse in Batterien abklingen, die hauptsächlich mit der Diffusion von Elektrolyt in die Poren der Elektroden und den Zwischenelektrodenraum verbunden sind.
Da die Diffusionsgeschwindigkeit relativ gering ist, kann die Abklingzeit instationärer Prozesse je nach Stärke des Entladestroms (Ladestroms) und der Temperatur des Elektrolyten mehrere Stunden bis zwei Tage betragen. Außerdem beeinflusst eine Temperaturabnahme die Abklinggeschwindigkeit des instationären Prozesses viel stärker, da bei einer Temperaturabnahme unter null Grad (Celsius) die Diffusionsrate um ein Vielfaches abnimmt.
Gleichgewichts-EMK eines Bleiakkumulators ( E 0) hängt wie jede chemische Stromquelle von den chemischen und physikalischen Eigenschaften der am Strombildungsprozess beteiligten Stoffe ab und hängt überhaupt nicht von der Größe und Form der Elektroden sowie von der Menge der aktiven Massen ab und Elektrolyt. Gleichzeitig ist bei einer Blei-Säure-Batterie der Elektrolyt direkt an der Strombildung an den Batterieelektroden beteiligt und ändert seine Dichte je nach Ladezustand der Batterien. Daher ist die Gleichgewichts-EMK, die wiederum eine Funktion der Dichte des Elektrolyten ist, auch eine Funktion des Ladezustands der Batterie.
Um den NRC aus der gemessenen Dichte des Elektrolyten zu berechnen, verwenden Sie die empirische Formel
U 0 = 0,84 + d e
wobei "d e" die Dichte des Elektrolyten bei einer Temperatur von 25 ° C in g / cm 3 ist;
Wenn die Dichte des Elektrolyten in Batterien nicht gemessen werden kann (z. B. bei offenen VL-Batterien ohne Stecker oder bei geschlossenen VRLA-Batterien), kann der Ladezustand anhand des Wertes des NRC in Ruhe beurteilt werden, d.h. frühestens nach 5-6 Stunden nach Abschalten des Ladestroms (Abstellen des Automotors). Der LRC-Wert für Batterien, deren Elektrolytstand den Anforderungen der Betriebsanleitung entspricht, mit unterschiedlichen Ladegraden bei unterschiedlichen Temperaturen ist in der Tabelle angegeben. 1
Tabelle 1
Die Änderung der Batterie-EMK durch die Temperatur ist sehr unbedeutend (weniger als 3 · 10 -4 V / Grad) und kann beim Betrieb von Akkus vernachlässigt werden.
INNERER WIDERSTAND
Der Widerstand, den die Batterie dem darin fließenden Strom (Laden oder Entladen) leistet, wird normalerweise als bezeichnet Innenwiderstand Batterie.
Elektromotorische Kraft
Die elektromotorische Kraft (EMF) der Batterie E ist die Differenz zwischen ihren Elektrodenpotentialen, gemessen mit einem offenen externen Stromkreis.
EMF einer Batterie bestehend aus n in Reihe geschalteten Batterien.
Es ist notwendig, zwischen der Gleichgewichts-EMK der Batterie und der Nichtgleichgewichts-EMK der Batterie während der Zeit vom Öffnen des Stromkreises bis zur Herstellung eines Gleichgewichtszustands (der Zeit des Übergangsvorgangs) zu unterscheiden. Die EMK wird mit einem hochohmigen Voltmeter (Innenwiderstand von mindestens 300 Ohm/V) gemessen. Dazu wird ein Voltmeter an die Pole der Batterie oder Batterie angeschlossen. In diesem Fall darf kein Lade- oder Entladestrom durch den Akkumulator (Batterie) fließen.
Die Gleichgewichts-EMK eines Bleiakkumulators hängt, wie jede chemische Stromquelle, von den chemischen und physikalischen Eigenschaften der am Strombildungsprozess beteiligten Stoffe ab und ist in keiner Weise von der Größe und Form der Elektroden sowie von der Menge der aktiven Massen und des Elektrolyten. Gleichzeitig ist bei einer Blei-Säure-Batterie der Elektrolyt direkt an der Strombildung an den Batterieelektroden beteiligt und ändert seine Dichte je nach Ladezustand der Batterien. Daher ist die Gleichgewichts-EMK, die wiederum eine Funktion der Dichte ist
Die Temperaturänderung der EMF der Batterie ist sehr gering und kann im Betrieb vernachlässigt werden.
Lade- und Entladespannung
Die Potenzialdifferenz an den Polklemmen der Batterie (Batterie) beim Laden oder Entladen bei Strom im externen Stromkreis wird normalerweise als Spannung der Batterie (Batterie) bezeichnet. Das Vorhandensein des Innenwiderstands der Batterie führt dazu, dass ihre Spannung beim Entladen immer niedriger als die EMF und beim Laden immer höher als die EMF ist.
Beim Laden der Batterie muss die Spannung an ihren Klemmen um den Betrag der internen Verluste größer sein als ihre EMK. Zu Beginn des Ladevorgangs kommt es zu einem Spannungssprung um den Betrag der ohmschen Verluste im Inneren der Batterie und dann zu einem starken Spannungsanstieg aufgrund des Polarisationspotentials, der hauptsächlich durch eine schnelle Zunahme der Dichte des Elektrolyten in den Poren verursacht wird der aktiven Masse. Außerdem tritt ein langsamer Spannungsanstieg auf, hauptsächlich aufgrund einer Zunahme der EMF der Batterie aufgrund einer Zunahme der Dichte des Elektrolyten.
Nachdem die Hauptmenge des Bleisulfats in PbO2 und Pb umgewandelt wurde, führt der Energieverbrauch zunehmend zur Zersetzung von Wasser (Elektrolyse) Die überschüssige Menge an Wasserstoff- und Sauerstoffionen, die im Elektrolyten auftreten, erhöht die Potentialdifferenz zwischen gegenüberliegenden Elektroden weiter. Dies führt zu einem schnellen Anstieg der Ladespannung, was die Zersetzung des Wassers beschleunigt. Die resultierenden Wasserstoff- und Sauerstoffionen interagieren nicht mit aktiven Materialien. Sie rekombinieren zu neutralen Molekülen und werden in Form von Gasblasen aus dem Elektrolyten freigesetzt (Sauerstoff wird an der positiven Elektrode freigesetzt, Wasserstoff wird an der negativen Elektrode freigesetzt), wodurch der Elektrolyt „kocht“.
Wenn Sie den Ladevorgang fortsetzen, sehen Sie, dass die Zunahme der Dichte des Elektrolyten und der Ladespannung praktisch aufhört, da fast das gesamte Bleisulfat bereits reagiert hat und die gesamte der Batterie zugeführte Energie jetzt nur noch für die Nebenprozess - die elektrolytische Zersetzung von Wasser. Dies erklärt auch die Konstanz der Ladespannung, die als eines der Zeichen für das Ende des Ladevorgangs dient.
Nach dem Stoppen des Ladevorgangs, dh dem Trennen der externen Quelle, fällt die Spannung an den Klemmen der Batterie stark auf den Wert ihrer Nichtgleichgewichts-EMK oder auf den Wert der ohmschen internen Verluste ab. Dann kommt es zu einer allmählichen Abnahme der EMF (aufgrund einer Abnahme der Dichte des Elektrolyten in den Poren der Aktivmasse), die bis zur Konzentration des Elektrolyten im Volumen der Batterie und in den Poren der Aktivmasse andauert vollständig egalisiert ist, was der Einstellung eines Gleichgewichts-EMK entspricht.
Wenn die Batterie entladen ist, ist die Spannung an ihren Klemmen um den Wert des internen Spannungsabfalls geringer als die EMF.
Zu Beginn der Entladung fällt die Batteriespannung aufgrund einer Abnahme der Elektrolytkonzentration in den Poren der aktiven Masse, dh der Konzentrationspolarisation, stark um den Wert der ohmschen Verluste und der Polarisation ab. Außerdem nimmt bei einem stetigen (stationären) Entladevorgang die Dichte des Elektrolyten im Volumen der Batterie ab, was zu einer allmählichen Abnahme der Entladespannung führt. Gleichzeitig ändert sich das Verhältnis des Gehalts an Bleisulfat in der Aktivmasse, was auch eine Erhöhung der ohmschen Verluste verursacht. In diesem Fall verschließen die Bleisulfatpartikel (die etwa das dreifache Volumen im Vergleich zu den Bleipartikeln und seinem Dioxid, aus denen sie gebildet wurden) haben, die Poren der Aktivmasse, was den Durchtritt des Elektrolyten verhindert die Tiefe der Elektroden. Dies verursacht eine Zunahme der Konzentrationspolarisation, was zu einer schnelleren Abnahme der Entladungsspannung führt.
Wenn die Entladung aufhört, steigt die Spannung an den Batteriepolen schnell um den Wert der ohmschen Verluste an und erreicht den Wert der Nichtgleichgewichts-EMK. Eine weitere Änderung der EMK durch die Angleichung der Elektrolytkonzentration in den Poren der Aktivmassen und im Volumen der Batterie führt zu einer allmählichen Einstellung des Wertes der Gleichgewichts-EMK.
Die Batteriespannung während ihrer Entladung wird hauptsächlich durch die Temperatur des Elektrolyten und die Stärke des Entladestroms bestimmt. Wie oben erwähnt, ist der Widerstand einer Blei-Säure-Batterie (Batterie) vernachlässigbar und beträgt im geladenen Zustand nur wenige Milliohm. Bei Strömen einer Starterentladung, deren Stärke 4-7 mal höher ist als der Wert der Nennkapazität, hat der interne Spannungsabfall jedoch einen erheblichen Einfluss auf die Entladespannung. Die Zunahme der ohmschen Verluste mit abnehmender Temperatur geht mit einer Erhöhung des Widerstands des Elektrolyten einher. Darüber hinaus steigt die Viskosität des Elektrolyten stark an, was seine Diffusion in die Poren der aktiven Masse erschwert und die Konzentrationspolarisation erhöht (dh den Spannungsverlust im Inneren der Batterie aufgrund einer Abnahme der Konzentration der Elektrolyt in den Poren der Elektroden). Bei einem Strom über 60 A ist die Abhängigkeit der Entladespannung von der Stromstärke bei allen Temperaturen praktisch linear.
Der Mittelwert der Batteriespannung beim Laden und Entladen wird als arithmetisches Mittel der in regelmäßigen Abständen gemessenen Spannungswerte ermittelt.