Substancje czynne płyt dodatnich i ujemnych mają określone potencjały w stosunku do elektrolitu. Różnica między tymi potencjałami określa siłę elektromotoryczną baterii, która nie zależy od ilości substancji czynnej w płytkach. SEM akumulatora zależy głównie od gęstości elektrolitu, zależność tę określa wzór empiryczny:
gdzie d jest gęstością elektrolitu w porach masy czynnej płytek. Napięcie akumulatora podczas ładowania jest większe od wartości SEM o wartość wewnętrznego spadku napięcia:
U З = E + I З ∙ r 0,
gdzie r 0 jest rezystancją wewnętrzną akumulatora, a przy rozładowaniu odpowiednio:
U P = E - I P ∙ r 0.
Dla rozładowanego akumulatora kwasowo-ołowiowego gęstość wynosi d = 1,17, następnie E = 0,85 + 1,17 = 2,02 V. Dla akumulatora naładowanego d = 1,21, to E = 0,85 + 1,21 = 2, 06 V => SEM a rozładowany akumulator przy wyłączonym obciążeniu nie różni się zbytnio od EMF naładowanego akumulatora. Podczas ładowania akumulatora jego napięcie ładowania wynosi 2,3 - 2,8 V. Napięcie rozładowania wynosi około 1,8 V.
Pojemność akumulatora kwasowo-ołowiowego
Pojemność nominalną określa się przy dziesięciogodzinnym rozładowaniu do napięcia 1,8 V, przy temperaturze elektrolitu 25 ° C. Wydajność znamionowa akumulatora kwasowo-ołowiowego wynosi 36 A/h. Ta pojemność odpowiada prądowi rozładowania I P = Q / 10 = 3,6 A.
Jeśli zmienisz prąd rozładowania I P i temperaturę elektrolitu, zmieni się również jego pojemność. Wzrost temperatury otoczenia przyczynia się do wzrostu pojemności, ale w temperaturze 40 ° C gwałtownie wzrastają dodatnie płyty i samorozładowanie akumulatora, dlatego dla normalnej pracy akumulatora temperatura musi być utrzymywane w temperaturze + 35 ° C - 15 ° C.
Wydajność nominalną w temperaturze 25 ° C i dziesięciogodzinnym rozładowaniu określa wzór:
gdzie P t jest współczynnikiem wykorzystania masy czynnej akumulatora,%;
T to rzeczywista temperatura elektrolitu podczas rozładowania.
Rodzaje akumulatorów kwasowo-ołowiowych
Baterie stacjonarne są oznaczone literami C, SK, SZ, SZE, CH i innymi:
C - bateria stacjonarna;
K - akumulator umożliwiający krótkotrwałe rozładowanie;
З - zamknięty akumulator;
E - naczynie hebanowe;
H - akumulator z otynkowanymi płytami.
Cyfra umieszczona po oznaczeniu literowym oznacza numer baterii:
C-1 - 36 A/h;
C-4 - 4 x 36 A/h;
inny...
Rodzaje baterii alkalicznych
Oznaczenie Н – Ж (nikiel – żelazo), Н – К (nikiel – kadm), С – Ц (srebro – cynk). Siła elektromotoryczna (EMF) akumulatorów N – Zh wynosi: E З = 1,5 V; E Р = 1,3 V. EMF akumulatorów N – K wynosi: E З = 1,4 V; E P = 1,27 V. Średnie napięcie ładowania wynosi U Z = 1,8 V; rozładowanie UR = 1 V.
SYSTEMY ZASILANIA
Postanowienia ogólne
Zasilanie stacjonarnych urządzeń automatyki i łączności w transporcie kolejowym odbywa się ze źródeł prądu stałego o napięciach znamionowych, na przykład 24, 60, 220 V itp.; źródła o napięciu znamionowym 60 V - do automatycznych central telefonicznych, aparatury telegraficznej; źródła o napięciu 220 V - do zasilania urządzeń komunikacyjnych, silników rozjazdowych itp. Źródła prądowe o określonym napięciu znamionowym są zwykle wykonywane w postaci samodzielnego sprzętu wchodzącego w skład ogólnego zespołu instalacji zasilającej domu łączności, poczty EC lub innego obiektu, w którym znajdują się scentralizowane zasilacze.
Główne systemy zasilania to autonomiczne, buforowe, bezbateryjne i kombinowane systemy zasilania (rys. 2.1). System autonomiczny przeznaczony jest do zasilania przenośnych i stacjonarnych urządzeń automatyki i łączności, a pozostałe - do zasilania urządzeń stacjonarnych.
Ryż. 2.1. Schemat blokowy systemów zasilania
Autonomiczny system zasilania
System zasilania z ogniw pierwotnych służy głównie do zapewnienia pracy urządzeń przenośnych (stacje radiowe, sprzęt pomiarowy itp.). Do zasilania urządzeń stacjonarnych stosuje się autonomiczny system zasilania w miejscach, w których nie ma sieci prądu przemiennego. Układ zasilania z akumulatorów metodą „ładowanie-rozładowanie” (rys. 2.2) przeznaczony jest do przypadków, gdy energia z sieci prądu przemiennego jest dostarczana w sposób nieregularny. Istotą tej metody zasilania jest to, że dla każdej gradacji napięcia jest osobny prostownik i dwie (lub więcej) baterie. . Sprzęt zasilany jest z jednego akumulatora, a drugi jest ładowany z prostownika lub jest ładowany w rezerwie. Gdy tylko akumulator zostanie rozładowany do określonego stanu, zostaje on odłączony i podłączony do prostownika w celu ładowania, a naładowany akumulator jest podłączony do zasilania urządzenia. Podczas pracy w ten sposób akumulatory są najczęściej ładowane w trybie prądu stałego. Pojemność akumulatorów określa się na podstawie czasu zasilania urządzenia przez 12-24 godziny, dlatego akumulatory są bardzo nieporęczne i do ich instalacji wymagane są specjalnie wyposażone duże pomieszczenia. Żywotność takich akumulatorów wynosi 6-7 lat, ponieważ głębokie i częste cykle ładowania i rozładowania prowadzą do szybkiego zniszczenia płyt. Konieczność stałego monitorowania procesów ładowania i rozładowywania prowadzi do wysokich kosztów operacyjnych.
Rysunek 2.2. Schemat układu zasilania akumulatorowego metodą „ładowanie-rozładowanie”:
F - podajnik; SHPT - szyna AC; ЗШ - ładowanie opon; RSh – opony żebrowane; 1, 2, 3 - grupy baterii
Wymienione wady, wraz z niską wydajnością instalacji (30-45%), ograniczają korzystanie z tego trybu. Zaletami tej metody jest brak tętnień napięcia na obciążeniu oraz możliwość korzystania z różnych źródeł prądu do ładowania.
System zasilania buforowego
Przy takim układzie zasilania równolegle z prostownikiem UZ a ładunek zawiera akumulator; GB(rys. 2.3). W przypadku awarii sieci prądu przemiennego lub uszkodzenia prostownika, dalsze zasilanie obciążenia zapewnia akumulator bez przerwy w dostawie energii. Akumulator zapewnia niezawodne podtrzymanie źródeł energii elektrycznej, a dodatkowo wraz z filtrem zasilającym wykonuje niezbędne wygładzenie tętnień. W układzie zasilania buforowego rozróżnia się trzy tryby pracy: prąd średni, ładowanie impulsowe i ciągłe ładowanie podtrzymujące.
W trybie średnioprądowym(rys. 2.4) prostownik UZ, połączony równolegle z akumulatorem GB, zapewnia stały prąd I w niezależnie od zmiany prądu I n w obciążeniu R n. Gdy prąd obciążenia I n jest mały, prostownik zasila obciążenie i ładuje akumulator prądem I 3, a gdy prąd obciążenia jest duży, prostownik wraz z akumulatorem, który jest rozładowywany prądem I p, zasila ładunek. Podczas ładowania napięcie na każdym akumulatorze akumulatora wzrasta i może osiągnąć 2,7 V, a podczas rozładowania spada do 2 V. Do realizacji tego trybu można zastosować najprostsze prostowniki bez urządzeń automatycznego sterowania. Prąd prostownika jest obliczany na podstawie ilości energii elektrycznej (amperogodziny) zużytej na zasilanie obciążenia w ciągu dnia. Wartość tę należy zwiększyć o 15-25%, aby zrekompensować straty, które zawsze występują podczas ładowania i rozładowywania akumulatorów.
Wady tego trybu to: niemożność dokładnego określenia i ustawienia wymaganego prądu prostownika, ponieważ rzeczywisty charakter zmiany prądu obciążenia nigdy nie jest dokładnie znany, co prowadzi do niedoładowania lub przeładowania akumulatorów; krótka żywotność baterii (8-9 lat) spowodowana głębokimi cyklami ładowania i rozładowania; znaczne wahania napięcia na obciążeniu, ponieważ napięcie na każdej baterii może wahać się od 2 do 2,7 V.
W trybie ładowania impulsowego(rys. 2.5) prąd prostownika zmienia się gwałtownie w zależności od napięcia na akumulatorze GВ. W tym przypadku prostownik UZ dostarcza zasilanie do obciążenia R n razem z akumulatorem G V lub karmi ładunek
Rysunek 2.3 - Schemat układu zasilania buforowego
Rysunek 2.4 - Tryb prądu średniego:
a - schemat; b - schemat prądów; в - zależności prądów i napięć od czasu; Ja З i Ja Р - odpowiednio prądy ładowania i rozładowania akumulatora
Rysunek 2.5 - Tryb ładowania impulsowego:
a - schemat; b - wykres prądów i napięć; c, d - zależności prądów i napięć od czasu
i ładuje akumulator. Maksymalny prąd prostownika jest ustawiony nieco wyżej niż prąd występujący w godzinie maksymalnego obciążenia, a minimalny prąd obciążenia I B max jest mniejszy niż minimalny prąd obciążenia I n.
Załóżmy, że w początkowej pozycji prostownik dostarcza prąd minimalny. Akumulator jest rozładowany, a napięcie spada do 2,1 V na ogniwo. Przekaźnik r zwalnia twornik i bocznikuje rezystor R ze stykami . Prąd wyjściowy prostownika gwałtownie wzrasta do maksimum. Od tego momentu prostownik zasila obciążenie i ładuje akumulator. W trakcie ładowania napięcie na akumulatorze wzrasta i osiąga 2,3 V na ogniwo. Przekaźnik jest ponownie pod napięciem R, a prąd prostownika spada do minimum; bateria zaczyna się rozładowywać. Następnie cykle się powtarzają. Czas trwania przedziałów czasu maksymalnego i minimalnego prądu prostownika zmienia się zgodnie ze zmianą prądu w obciążeniu.
Zaletami tego trybu są: prostota układu regulacji prądu na wyjściu prostownika; małe granice wahań napięcia na akumulatorze i obciążeniu (od 2,1 do 2,3 V na ogniwo); wydłużenie żywotności baterii do 10-12 lat ze względu na mniej głębokie cykle ładowania i rozładowania. Tryb ten służy do zasilania urządzeń automatyki.
W trybie ładowania podtrzymującego(Rys. 2.6) obciążenie R n jest całkowicie zasilane z prostownika UZ. Naładowana bateria GB otrzymuje z prostownika niewielki prąd podtrzymujący DC, który kompensuje samorozładowanie. Aby zaimplementować ten tryb, konieczne jest ustawienie napięcia na wyjściu prostownika na poziomie (2,2 ± 0,05) V dla każdej baterii i utrzymanie go z błędem nie większym niż ± 2%. W tym przypadku prąd ładowania dla akumulatorów kwasowych I p = (0,001-0,002) C n i dla baterii alkalicznych I p = 0,01 C N. Dlatego dla
Rysunek 2.6 - Tryb ciągłego ładowania podtrzymującego:
a - schemat; b - schemat prądów; в - zależności prądów i napięć od czasu
Aby zakończyć ten tryb, prostowniki muszą mieć dokładne i niezawodne urządzenia stabilizujące napięcie. Niezastosowanie się do tego spowoduje przeładowanie lub głębokie rozładowanie i zasiarczenie akumulatorów.
Zaletami tego trybu są: dostatecznie wysoka sprawność instalacji, określana tylko przez prostownik (η = 0,7 ÷ 0,8); długa żywotność baterii, sięgająca 18-20 lat ze względu na brak cykli ładowania i rozładowania; wysoka stabilność napięcia na wyjściu prostownika; niższe koszty eksploatacji dzięki automatyzacji i uproszczonej konserwacji akumulatorów.
Akumulatory są normalnie naładowane i nie wymagają ciągłego monitorowania. Brak cykli ładowania i rozładowania oraz odpowiednio dobrany prąd konserwujący zmniejszają zasiarczenie i umożliwiają dłuższe okresy między przeładowaniami a wyładowaniami kontrolnymi.
Wadą tego trybu jest konieczność komplikowania urządzeń zasilających ze względu na elementy stabilizacji i automatyki. Tryb stosowany w urządzeniach do zasilania urządzeń komunikacyjnych.
Cel akumulatorów rozruchowych
Podstawy teoretyczne zamiany energii chemicznej na energię elektryczną
Rozładowanie baterii
Ładowanie baterii
Zużycie głównych odczynników prądotwórczych
Siła elektromotoryczna
Wewnętrzny opór
Napięcie ładowania i rozładowania
Pojemność baterii
Energia i moc baterii
Samorozładowanie akumulatora
Cel akumulatorów rozruchowych
Główną funkcją akumulatora jest niezawodne uruchomienie silnika. Kolejną funkcją jest bufor energii podczas pracy silnika. Rzeczywiście, wraz z tradycyjnymi typami konsumentów pojawiło się wiele dodatkowych urządzeń serwisowych, które poprawiają komfort kierowcy i bezpieczeństwo ruchu. Akumulator kompensuje deficyt energii podczas jazdy w cyklu miejskim z częstymi i długimi postojami, gdy generator nie zawsze może zapewnić moc wyjściową niezbędną do pełnego zasilania wszystkich podłączonych odbiorców. Trzecią funkcją roboczą jest zasilanie przy wyłączonym silniku. Jednak długotrwałe używanie urządzeń elektrycznych podczas postoju przy wyłączonym silniku (lub na biegu jałowym) prowadzi do głębokiego rozładowania akumulatora i gwałtownego pogorszenia jego właściwości rozruchowych.
Akumulator przeznaczony jest również do zasilania awaryjnego. W przypadku awarii generatora, prostownika, regulatora napięcia lub zerwania paska generatora musi on zapewnić działanie wszystkim odbiornikom niezbędnym do bezpiecznego przemieszczania się do najbliższej stacji serwisowej.
Tak więc akumulatory rozruchowe muszą spełniać następujące podstawowe wymagania:
Zapewnić prąd rozładowania niezbędny do działania rozrusznika, to znaczy mieć niską rezystancję wewnętrzną dla minimalnych wewnętrznych strat napięcia wewnątrz akumulatora;
Zapewnij wymaganą liczbę prób uruchomienia silnika w ustalonym czasie, czyli miej niezbędny zapas energii na rozładowanie rozrusznika;
Mieć wystarczająco dużą moc i energię przy możliwie najmniejszym rozmiarze i wadze;
Mieć zapas energii dla odbiorników energii, gdy silnik nie pracuje lub w sytuacji awaryjnej (pojemność rezerwowa);
Utrzymuj napięcie wymagane do działania rozrusznika, gdy temperatura spadnie w określonych granicach (prąd zimnego rozruchu);
Utrzymuj wydajność przez długi czas w podwyższonej (do 70 "C) temperaturze otoczenia;
Przyjęcie ładunku w celu przywrócenia pojemności zużytej do uruchomienia silnika i zasilania innych odbiorników z generatora podczas pracy silnika (przyjęcie ładunku);
Nie wymagają specjalnego przeszkolenia użytkowników, konserwacji podczas pracy;
Mają wysoką wytrzymałość mechaniczną odpowiadającą warunkom pracy;
Utrzymuj określone parametry wydajności przez długi czas podczas pracy (żywotność);
Posiadać nieznaczne samorozładowanie;
Mają niski koszt.
Podstawy teoretyczne zamiany energii chemicznej na energię elektryczną
Chemiczne źródło prądu to urządzenie, w którym w wyniku przebiegu przestrzennie rozdzielonych reakcji chemicznych redoks ich energia swobodna jest zamieniana na energię elektryczną. Ze względu na charakter pracy źródła te dzielą się na dwie grupy:
Pierwotne źródła prądu chemicznego lub ogniwa galwaniczne;
Źródła wtórne lub akumulatory elektryczne.
Źródła pierwotne mogą być użyte tylko raz, ponieważ substancje powstałe podczas ich odprowadzania nie mogą zostać przekształcone w początkowe materiały aktywne. Całkowicie rozładowane ogniwo galwaniczne z reguły nie nadaje się do dalszej pracy - jest nieodwracalnym źródłem energii.
Wtórne źródła prądu chemicznego są odwracalnymi źródłami energii – po dowolnie głębokim rozładowaniu ich sprawność można w pełni przywrócić poprzez ładowanie. Aby to zrobić, wystarczy przepuścić prąd elektryczny przez źródło wtórne w kierunku przeciwnym do tego, w którym płynął podczas rozładowania. Podczas procesu ładowania substancje powstałe podczas rozładowania zamienią się w oryginalne materiały aktywne. W ten sposób energia swobodna chemicznego źródła prądu jest wielokrotnie przekształcana w energię elektryczną (rozładowanie akumulatora) i odwrotna konwersja energii elektrycznej w energię swobodną chemicznego źródła prądu (ładowanie akumulatora).
Przepływ prądu przez układy elektrochemiczne wiąże się z zachodzącymi reakcjami chemicznymi (transformacjami). Istnieje zatem zależność między ilością substancji, która weszła w reakcję elektrochemiczną i przeszła przemiany, a ilością zużytej lub uwolnionej w niej energii elektrycznej, co ustalił Michael Faraday.
Zgodnie z pierwszym prawem Faradaya masa substancji, która weszła w reakcję elektrodową lub uzyskana w wyniku jej przepływu jest proporcjonalna do ilości energii elektrycznej przepuszczonej przez układ.
Zgodnie z drugim prawem Faradaya, przy takiej samej ilości energii elektrycznej przepuszczonej przez układ, masy reagujących substancji są ze sobą powiązane jako ich chemiczne odpowiedniki.
W praktyce przemianie elektrochemicznej ulega mniejsza ilość materii niż zgodnie z prawami Faradaya - gdy przepływa prąd, oprócz głównych reakcji elektrochemicznych zachodzą również reakcje równoległe lub wtórne (boczne), które zmieniają masę produktów. Aby uwzględnić wpływ takich reakcji, wprowadzono pojęcie wydajności prądowej.
Sprawność prądowa to ta część ilości energii elektrycznej przechodzącej przez system, która przypada na udział głównej rozważanej reakcji elektrochemicznej.
Rozładowanie baterii
Substancjami czynnymi naładowanego akumulatora kwasowo-ołowiowego biorącymi udział w procesie prądotwórczym są:
Na elektrodzie dodatniej - dwutlenek ołowiu (ciemnobrązowy);
Na elektrodzie ujemnej - gąbczasty ołów (szary);
Elektrolit jest wodnym roztworem kwasu siarkowego.
Niektóre cząsteczki kwasu w roztworze wodnym są zawsze dysocjowane na dodatnio naładowane jony wodorowe i ujemnie naładowane jony siarczanowe.
Ołów, który jest aktywną masą elektrody ujemnej, częściowo rozpuszcza się w elektrolicie i utlenia się w roztworze, tworząc jony dodatnie. Nadmiar elektronów uwolniony w tym przypadku przekazuje ładunek ujemny do elektrody i zaczyna przemieszczać się wzdłuż zamkniętego odcinka obwodu zewnętrznego do elektrody dodatniej.
Dodatnio naładowane jony ołowiu reagują z ujemnie naładowanymi jonami siarczanowymi, tworząc siarczan ołowiu, który ma niewielką rozpuszczalność i dlatego osadza się na powierzchni elektrody ujemnej. W procesie rozładowywania akumulatora masa aktywna elektrody ujemnej przekształca się z ołowiu gąbczastego w siarczan ołowiu, zmieniając kolor z szarego na jasnoszary.
Dwutlenek ołowiu z elektrody dodatniej rozpuszcza się w elektrolicie w znacznie mniejszej ilości niż ołów z elektrody ujemnej. W interakcji z wodą dysocjuje (rozkłada się w roztworze na naładowane cząstki - jony), tworząc czterowartościowe jony ołowiu i jony hydroksylowe.
Jony nadają elektrodzie dodatni potencjał i poprzez przyłączanie elektronów, które przechodzą przez obwód zewnętrzny z elektrody ujemnej, są redukowane do dwuwartościowych jonów ołowiu
Jony oddziałują z jonami tworząc siarczan ołowiu, który z tego powodu osadza się również na powierzchni elektrody dodatniej, podobnie jak na ujemnej. Aktywna masa elektrody dodatniej podczas wyładowania przekształca się z dwutlenku ołowiu w siarczan ołowiu ze zmianą jej koloru z ciemnobrązowego na jasnobrązowy.
W wyniku rozładowania akumulatora materiały aktywne zarówno elektrody dodatniej, jak i ujemnej przekształcają się w siarczan ołowiu. W tym przypadku kwas siarkowy jest zużywany do tworzenia siarczanu ołowiu, a z uwolnionych jonów powstaje woda, co prowadzi do zmniejszenia gęstości elektrolitu podczas rozładowania.
Ładowanie baterii
W elektrolicie obie elektrody zawierają niewielkie ilości siarczanu ołowiu i jonów wody. Pod wpływem napięcia źródła prądu stałego, w obwodzie którego znajduje się ładowany akumulator, w obwodzie zewnętrznym następuje ukierunkowany ruch elektronów do bieguna ujemnego akumulatora.
Dwuwartościowe jony ołowiu na elektrodzie ujemnej są neutralizowane (redukowane) przez nadchodzące dwa elektrony, przekształcając aktywną masę elektrody ujemnej w metaliczny gąbczasty ołów. Pozostałe wolne jony tworzą kwas siarkowy
Na elektrodzie dodatniej pod wpływem prądu ładowania dwuwartościowe jony ołowiu oddają dwa elektrony, utleniając się do czterowartościowych. Te ostatnie, łącząc się poprzez reakcje pośrednie z dwoma jonami tlenu, tworzą dwutlenek ołowiu, który jest uwalniany na elektrodzie. Jony i podobnie jak na elektrodzie ujemnej tworzą kwas siarkowy, w wyniku czego podczas ładowania zwiększa się gęstość elektrolitu.
Po zakończeniu procesów przemiany substancji w masach czynnych elektrody dodatniej i ujemnej gęstość elektrolitu przestaje się zmieniać, co jest oznaką końca ładowania akumulatora. Wraz z dalszą kontynuacją ładowania zachodzi tak zwany proces wtórny - elektrolityczny rozkład wody na tlen i wodór. Wyróżniając się od elektrolitu w postaci pęcherzyków gazu, tworzą efekt jego intensywnego wrzenia, co jest jednocześnie oznaką zakończenia procesu ładowania.
Zużycie głównych odczynników prądotwórczych
Aby uzyskać pojemność jednej amperogodziny przy rozładowanym akumulatorze, konieczne jest, aby w reakcji brały udział:
4,463 g dwutlenku ołowiu
3,886 g gąbczastego ołowiu
3.660 g kwasu siarkowego
Całkowite teoretyczne zużycie materiałów do uzyskania 1 Ah (zużycie jednostkowe materiałów) energii elektrycznej wyniesie 11,989 g / Ah, a teoretyczna pojemność właściwa - 83,41 Ah / kg.
Przy nominalnym napięciu akumulatora 2 V teoretyczne jednostkowe zużycie materiału na jednostkę energii wynosi 5,995 g / Wh, a energia właściwa akumulatora wyniesie 166,82 Wh / kg.
W praktyce jednak niemożliwe jest osiągnięcie pełnego wykorzystania materiałów aktywnych biorących udział w procesie prądotwórczym. Około połowa powierzchni masy aktywnej jest niedostępna dla elektrolitu, ponieważ służy jako podstawa do budowy wolumetrycznej porowatej ramy, która zapewnia wytrzymałość mechaniczną materiału. Dlatego rzeczywisty stopień wykorzystania aktywnych mas elektrody dodatniej wynosi 45-55%, a ujemny 50-65%. Ponadto jako elektrolit stosuje się 35-38% roztwór kwasu siarkowego. Dlatego wartość rzeczywistego jednostkowego zużycia materiałów jest znacznie wyższa, a rzeczywiste wartości pojemności właściwej i energii właściwej znacznie niższe od wartości teoretycznych.
Siła elektromotoryczna
Siła elektromotoryczna (EMF) akumulatora E jest różnicą potencjałów jego elektrod, mierzoną przy otwartym obwodzie zewnętrznym.
EMF baterii składającej się z n baterii połączonych szeregowo.
W czasie od otwarcia obwodu do ustalenia stanu równowagi (okres procesu przejściowego) konieczne jest rozróżnienie między sem równowagi akumulatora a sem nierównowagi akumulatora.
EMF mierzy się woltomierzem o wysokiej rezystancji (rezystancja wewnętrzna co najmniej 300 Ohm / V). Aby to zrobić, woltomierz jest podłączony do zacisków akumulatora lub akumulatora. W takim przypadku przez akumulator (baterię) nie powinien płynąć prąd ładowania ani rozładowania.
Równowagowe SEM akumulatora ołowiowego, jak każde chemiczne źródło prądu, zależy od właściwości chemicznych i fizycznych substancji biorących udział w procesie prądotwórczym i nie zależy w ogóle od wielkości i kształtu elektrod oraz od ilości mas aktywnych i elektrolitu. Jednocześnie w akumulatorze kwasowo-ołowiowym elektrolit bierze bezpośredni udział w procesie powstawania prądu na elektrodach akumulatora i zmienia swoją gęstość w zależności od stanu naładowania akumulatorów. Dlatego równowaga EMF, która z kolei jest funkcją gęstości
Zmiana EMF akumulatora od temperatury jest bardzo mała i można ją pominąć podczas pracy.
Wewnętrzny opór
Rezystancja akumulatora na przepływający w nim prąd (ładowanie lub rozładowanie) nazywana jest oporem wewnętrznym akumulatora.
Rezystancja materiałów aktywnych elektrod dodatnich i ujemnych oraz rezystancja elektrolitu zmieniają się w zależności od stanu naładowania akumulatora. Ponadto opór elektrolitu w dużym stopniu zależy od temperatury.
Dlatego rezystancja omowa zależy również od stanu naładowania akumulatora i temperatury elektrolitu.
Rezystancja polaryzacji zależy od natężenia prądu rozładowania (ładowania) oraz temperatury i nie jest zgodna z prawem Ohma.
Rezystancja wewnętrzna jednej baterii, a nawet baterii składającej się z kilku połączonych szeregowo baterii jest znikoma, a w stanie naładowanym wynosi tylko kilka tysięcznych oma. Jednak w trakcie wyładowania zmienia się znacząco.
Przewodność elektryczna mas aktywnych zmniejsza się dla elektrody dodatniej około 20-krotnie, a dla ujemnej - 10-krotnie. Przewodność elektryczna elektrolitu również zmienia się w zależności od jego gęstości. Wraz ze wzrostem gęstości elektrolitu z 1,00 do 1,70 g/cm3 jego przewodność elektryczna najpierw wzrasta do wartości maksymalnej, a następnie ponownie spada.
W miarę rozładowywania akumulatora gęstość elektrolitu spada z 1,28 g/cm3 do 1,09 g/cm3, co prowadzi do prawie 2,5-krotnego spadku jego przewodności elektrycznej. W rezultacie rezystancja omowa akumulatora wzrasta wraz z rozładowaniem. W stanie rozładowanym rezystancja osiąga wartość ponad 2 razy większą niż w stanie naładowanym.
Oprócz stanu naładowania temperatura ma istotny wpływ na rezystancję akumulatorów. Wraz ze spadkiem temperatury wzrasta opór właściwy elektrolitu iw temperaturze -40 ° С staje się około 8 razy wyższy niż przy +30 ° С. Rezystancja separatorów również gwałtownie wzrasta wraz ze spadkiem temperatury i w tym samym zakresie temperatur wzrasta prawie 4-krotnie. Jest to decydujący czynnik zwiększający rezystancję wewnętrzną akumulatorów w niskich temperaturach.
Napięcie ładowania i rozładowania
Różnica potencjałów na biegunach akumulatora (akumulatora) w procesie ładowania lub rozładowywania w obecności prądu w obwodzie zewnętrznym jest zwykle nazywana napięciem akumulatora (akumulatora). Obecność wewnętrznej rezystancji akumulatora prowadzi do tego, że jego napięcie podczas rozładowania jest zawsze mniejsze niż EMF, a podczas ładowania jest zawsze wyższe niż EMF.
Podczas ładowania akumulatora napięcie na jego zaciskach musi być większe niż jego EMF o wielkość strat wewnętrznych.
Na początku ładowania następuje skok napięcia o wielkość strat omowych wewnątrz akumulatora, a następnie gwałtowny wzrost napięcia ze względu na potencjał polaryzacji, spowodowany głównie szybkim wzrostem gęstości elektrolitu w porach masa czynna. Ponadto następuje powolny wzrost napięcia, głównie ze względu na wzrost pola elektromagnetycznego akumulatora ze względu na wzrost gęstości elektrolitu.
Po przekształceniu głównej ilości siarczanu ołowiu w PbO2 i Pb zużycie energii powoduje coraz większy rozkład wody (elektrolizę). Nadmiar jonów wodoru i tlenu pojawiający się w elektrolicie dodatkowo zwiększa różnicę potencjałów pomiędzy przeciwległymi elektrodami. Prowadzi to do gwałtownego wzrostu napięcia ładowania, co przyspiesza rozkład wody. Powstałe jony wodoru i tlenu nie oddziałują z materiałami aktywnymi. Rekombinują się w cząsteczki obojętne i są uwalniane z elektrolitu w postaci pęcherzyków gazu (na elektrodzie dodatniej uwalnia się tlen, na ujemnej wodór), powodując „wrzenie” elektrolitu.
Kontynuując proces ładowania, widać, że wzrost gęstości elektrolitu i napięcia ładowania praktycznie ustają, ponieważ prawie cały siarczan ołowiu już zareagował, a cała energia dostarczana do akumulatora jest teraz zużywana tylko na proces uboczny - elektrolityczny rozkład wody. Wyjaśnia to również stałość napięcia ładowania, które służy jako jeden ze znaków zakończenia procesu ładowania.
Po zatrzymaniu ładowania, czyli odłączeniu zewnętrznego źródła, napięcie na zaciskach akumulatora gwałtownie spada do wartości jego nierównowagowego pola elektromagnetycznego lub do wartości wewnętrznych strat omowych. Następnie następuje stopniowy spadek pola elektromagnetycznego (ze względu na zmniejszenie gęstości elektrolitu w porach masy czynnej), który trwa aż do stężenia elektrolitu w objętości akumulatora i porach masy czynnej jest całkowicie wyrównany, co odpowiada ustaleniu równowagi pola elektromagnetycznego.
Gdy akumulator jest rozładowany, napięcie na jego zaciskach jest mniejsze niż EMF o wartość wewnętrznego spadku napięcia.
Na początku rozładowania napięcie akumulatora gwałtownie spada o wartość strat omowych i polaryzacji z powodu spadku stężenia elektrolitu w porach masy czynnej, czyli polaryzacji stężenia. Ponadto, przy stałym (stacjonarnym) procesie rozładowywania, gęstość elektrolitu w objętości akumulatora maleje, powodując stopniowy spadek napięcia rozładowania. Jednocześnie następuje zmiana stosunku zawartości siarczanu ołowiu w masie czynnej, co również powoduje wzrost strat omowych. W tym przypadku cząsteczki siarczanu ołowiu (który ma około trzykrotną objętość w porównaniu z cząsteczkami ołowiu i jego dwutlenku, z którego powstały) zamykają pory masy czynnej, co zapobiega przechodzeniu elektrolitu do wnętrza głębokość elektrod.
Powoduje to wzrost polaryzacji stężeń, co prowadzi do szybszego spadku napięcia rozładowania.
Po zakończeniu rozładowania napięcie na zaciskach akumulatora gwałtownie wzrasta o wielkość strat omowych, osiągając wartość nierównowagowego pola elektromagnetycznego. Dalsza zmiana pola elektromagnetycznego spowodowana wyrównaniem się stężenia elektrolitu w porach mas aktywnych i objętości akumulatora prowadzi do stopniowego ustalania wartości pola równowagi.
Napięcie akumulatora podczas jego rozładowywania zależy głównie od temperatury elektrolitu i natężenia prądu rozładowania. Jak wspomniano powyżej, rezystancja akumulatora kwasowo-ołowiowego (akumulatora) jest znikoma i w stanie naładowanym wynosi tylko kilka miliomów. Jednak przy prądach wyładowania rozrusznika, którego siła jest 4-7 razy większa od wartości pojemności nominalnej, wewnętrzny spadek napięcia ma istotny wpływ na napięcie rozładowania. Wzrost strat omowych wraz ze spadkiem temperatury wiąże się ze wzrostem rezystancji elektrolitu. Ponadto gwałtownie wzrasta lepkość elektrolitu, co komplikuje proces dyfuzji w pory masy aktywnej i zwiększa polaryzację stężenia (to znaczy zwiększa utratę napięcia wewnątrz akumulatora z powodu spadku stężenia elektrolitu w porach elektrod).
Przy prądzie powyżej 60 A zależność napięcia rozładowania od natężenia prądu jest praktycznie liniowa we wszystkich temperaturach.
Średnia wartość napięcia akumulatora podczas ładowania i rozładowywania jest określana jako średnia arytmetyczna z wartości napięcia mierzonych w regularnych odstępach czasu.
Pojemność baterii
Pojemność akumulatora to ilość energii elektrycznej pobieranej z akumulatora, gdy rozładowuje się on do ustawionego napięcia końcowego. W praktycznych obliczeniach pojemność baterii jest zwykle wyrażana w amperogodzinach (Ah). Zdolność rozładowania można obliczyć, mnożąc prąd rozładowania przez czas trwania rozładowania.
Pojemność rozładowania, dla której zaprojektowano akumulator i która jest wskazana przez producenta, nazywana jest pojemnością nominalną.
Oprócz tego ważnym wskaźnikiem jest również pojemność przekazywana akumulatorowi podczas ładowania.
Pojemność rozładowania zależy od szeregu parametrów konstrukcyjnych i technologicznych akumulatora oraz warunków jego eksploatacji. Najważniejszymi parametrami konstrukcyjnymi są ilość masy czynnej i elektrolitu, grubość oraz wymiary geometryczne elektrod baterii. Głównymi parametrami technologicznymi wpływającymi na pojemność baterii są skład materiałów aktywnych oraz ich porowatość. Istotny wpływ na wydajność rozładowania mają również parametry pracy – temperatura elektrolitu i prąd rozładowania. Uogólnionym wskaźnikiem charakteryzującym sprawność baterii jest stopień wykorzystania materiałów aktywnych.
Aby uzyskać pojemność 1 Ah, jak wskazano powyżej, teoretycznie potrzeba 4,463 g dwutlenku ołowiu, 3,886 g ołowiu gąbczastego i 3,66 g kwasu siarkowego. Teoretyczne jednostkowe zużycie aktywnych mas elektrod wynosi 8,32 g / Ah. W prawdziwych akumulatorach jednostkowe zużycie materiałów aktywnych przy 20-godzinnym trybie rozładowania i temperaturze elektrolitu 25 ° C wynosi od 15,0 do 18,5 g / Ah, co odpowiada wskaźnikowi wykorzystania mas aktywnych 45-55%. W konsekwencji praktyczne zużycie masy czynnej przekracza wartości teoretyczne o 2 lub więcej razy.
Następujące główne czynniki wpływają na stopień wykorzystania masy czynnej, a co za tym idzie na wartość pojemności rozładowania.
Porowatość masy aktywnej. Wraz ze wzrostem porowatości poprawiają się warunki dyfuzji elektrolitu w głąb masy aktywnej elektrody i wzrasta rzeczywista powierzchnia, na której zachodzi reakcja prądotwórcza. Wraz ze wzrostem porowatości zwiększa się pojemność rozładowania. Wielkość porowatości zależy od wielkości cząstek proszku ołowianego i preparatu do wytwarzania mas aktywnych, a także od zastosowanych dodatków. Ponadto wzrost porowatości prowadzi do spadku trwałości na skutek przyspieszenia procesu niszczenia silnie porowatych mas aktywnych. Dlatego też wartość porowatości dobierana jest przez producentów biorąc pod uwagę nie tylko wysoką charakterystykę pojemnościową, ale także zapewnienie wymaganej trwałości akumulatora w eksploatacji. Obecnie za optymalną porowatość uważa się przedział 46-60%, w zależności od przeznaczenia baterii.
Grubość elektrod. Wraz ze spadkiem grubości zmniejsza się nierównomierność obciążenia zewnętrznej i wewnętrznej warstwy masy czynnej elektrody, co przyczynia się do wzrostu pojemności rozładowania. W przypadku grubszych elektrod wewnętrzne warstwy masy aktywnej są zużywane bardzo mało, zwłaszcza przy rozładowaniu dużymi prądami. Dlatego wraz ze wzrostem prądu rozładowania różnice w pojemności akumulatorów z elektrodami o różnej grubości gwałtownie się zmniejszają.
Porowatość i racjonalność konstrukcji materiału separatora. Wraz ze wzrostem porowatości separatora i wysokości jego żeber zwiększa się dopływ elektrolitu w szczelinie międzyelektrodowej i poprawiają się warunki jego dyfuzji.
Gęstość elektrolitu. Wpływa na pojemność baterii i jej żywotność. Wraz ze wzrostem gęstości elektrolitu pojemność elektrod dodatnich wzrasta, a pojemność elektrod ujemnych, zwłaszcza w temperaturach ujemnych, maleje na skutek przyspieszenia pasywacji powierzchni elektrod. Zwiększona gęstość wpływa również negatywnie na żywotność baterii, przyspieszając procesy korozyjne na elektrodzie dodatniej. Dlatego optymalną gęstość elektrolitu ustala się w oparciu o kombinację wymagań i warunków, w których akumulator jest eksploatowany. Na przykład w przypadku akumulatorów rozruchowych pracujących w klimacie umiarkowanym zalecana gęstość robocza elektrolitu wynosi 1,26-1,28 g / cm3, a dla obszarów o gorącym (tropikalnym) klimacie 1,22-1,24 g / cm3.
Siła prądu rozładowania, z jaką akumulator musi być rozładowywany w sposób ciągły przez określony czas (charakteryzuje tryb rozładowania). Tryby rozładowania są umownie podzielone na długie i krótkie. W trybach długotrwałych wyładowanie następuje przy niskich prądach przez kilka godzin. Na przykład cyfry 5-, 10- i 20-godzinne. Przy krótkich lub rozruchowych wyładowaniach siła prądu jest kilkakrotnie większa od pojemności znamionowej akumulatora, a rozładowanie trwa kilka minut lub sekund. Wraz ze wzrostem prądu rozładowania szybkość rozładowywania warstw powierzchniowych masy czynnej wzrasta w większym stopniu niż głębokich. W rezultacie wzrost siarczanu ołowiu w otworach porów następuje szybciej niż w głąb, a pory są zatykane siarczanem, zanim jego wewnętrzna powierzchnia zdąży zareagować. Z powodu zakończenia dyfuzji elektrolitu do porów reakcja w nim zatrzymuje się. Zatem im wyższy prąd rozładowania, tym mniejsza pojemność akumulatora, a co za tym idzie, współczynnik wykorzystania masy czynnej.
Aby ocenić właściwości rozruchowe akumulatorów, ich pojemność charakteryzuje się również liczbą przerywanych wyładowań rozrusznika (na przykład czas trwania 10-15 s z przerwami 60 s między nimi). Pojemność podawana przez akumulator podczas okresowych rozładowań przekracza pojemność podczas ciągłego rozładowania tym samym prądem, szczególnie w trybie rozładowania rozrusznika.
Obecnie w międzynarodowej praktyce oceny charakterystyk pojemnościowych akumulatorów rozruchowych stosuje się pojęcie pojemności „rezerwowej”. Charakteryzuje czas rozładowania akumulatora (w minutach) przy prądzie rozładowania 25 A, niezależnie od nominalnej pojemności akumulatora. Według uznania producenta dopuszcza się ustawienie wartości pojemności nominalnej dla trybu rozładowania 20-godzinnego w amperogodzinach lub według pojemności rezerwowej w minutach.
Temperatura elektrolitu. Wraz z jego spadkiem zmniejsza się pojemność rozładowania akumulatorów. Powodem tego jest wzrost lepkości elektrolitu i jego oporności elektrycznej, co spowalnia tempo dyfuzji elektrolitu w pory masy aktywnej. Ponadto wraz ze spadkiem temperatury przyspieszają procesy pasywacji elektrody ujemnej.
Współczynnik temperaturowy pojemności a pokazuje zmianę pojemności w procentach, gdy temperatura zmienia się o 1 ° C.
Podczas badań porównuje się pojemność rozładowania uzyskaną w trybie długotrwałego rozładowania z wartością pojemności nominalnej wyznaczonej przy temperaturze elektrolitu +25°C.
Temperatura elektrolitu przy określaniu pojemności w trybie długotrwałego rozładowania zgodnie z wymaganiami norm powinna mieścić się w zakresie od +18 ° С do +27 ° С.
Parametry rozładowania rozrusznika są szacowane na podstawie czasu trwania rozładowania w minutach oraz napięcia na początku rozładowania. Parametry te wyznaczane są w pierwszym cyklu w temperaturze +25°C (sprawdź akumulatory sucho naładowane) oraz w kolejnych cyklach w temperaturze -18°C lub -30 °C.
Stopień naładowania. Wraz ze wzrostem stanu naładowania, przy wszystkich innych parametrach, pojemność wzrasta i osiąga maksymalną wartość, gdy akumulatory są w pełni naładowane. Wynika to z faktu, że przy niepełnym naładowaniu ilość materiałów aktywnych na obu elektrodach, a także gęstość elektrolitu nie osiągają swoich maksymalnych wartości.
Energia i moc baterii
Energia akumulatora W jest wyrażona w watogodzinach i jest określona przez iloczyn jego pojemności rozładowania (ładowania) przez średnie napięcie rozładowania (ładowania).
Ponieważ wraz ze zmianą temperatury i trybu rozładowania zmienia się pojemność akumulatora i jego napięcie rozładowania, wraz ze spadkiem temperatury i wzrostem prądu rozładowania energia akumulatora spada jeszcze bardziej niż jego pojemność.
Porównując chemiczne źródła prądu różniące się pojemnością, konstrukcją, a nawet układem elektrochemicznym, a także określając kierunki ich doskonalenia, posługują się wskaźnikiem energii właściwej - energii na jednostkę masy baterii lub jej objętości. W przypadku nowoczesnych bezobsługowych akumulatorów kwasowo-ołowiowych rozruchowych energia właściwa przy 20-godzinnym tempie rozładowania wynosi 40-47 Wh/kg.
Ilość energii wydzielanej przez akumulator w jednostce czasu nazywana jest jego mocą. Można ją określić jako iloczyn wartości prądu rozładowania i średniego napięcia rozładowania.
Samorozładowanie akumulatora
Samorozładowanie nazywa się zmniejszeniem pojemności akumulatorów z otwartym obwodem zewnętrznym, to znaczy bezczynnością. Zjawisko to jest spowodowane procesami redoks, które spontanicznie zachodzą zarówno na ujemnej, jak i dodatniej elektrodzie.
Elektroda ujemna jest szczególnie podatna na samorozładowanie ze względu na spontaniczne rozpuszczanie się ołowiu (ujemnej masy czynnej) w roztworze kwasu siarkowego.
Samorozładowaniu elektrody ujemnej towarzyszy wydzielanie gazowego wodoru. Szybkość spontanicznego rozpuszczania ołowiu znacznie wzrasta wraz ze wzrostem stężenia elektrolitu. Wzrost gęstości elektrolitu z 1,27 do 1,32 g/cm3 prowadzi do wzrostu szybkości samorozładowania elektrody ujemnej o 40%.
Obecność zanieczyszczeń różnych metali na powierzchni elektrody ujemnej ma bardzo istotny (katalityczny) wpływ na zwiększenie szybkości samorozpuszczania się ołowiu (ze względu na zmniejszenie przepięcia wydzielania wodoru). Prawie wszystkie metale znajdujące się w postaci zanieczyszczeń w surowcach akumulatorowych, elektrolicie i separatorach lub wprowadzone w postaci specjalnych dodatków przyczyniają się do wzrostu samorozładowania. Znajdując się na powierzchni elektrody ujemnej, ułatwiają warunki do wydzielania wodoru.
Niektóre zanieczyszczenia (sole metali o zmiennej wartościowości) działają jako nośniki ładunków z jednej elektrody do drugiej. W tym przypadku jony metali ulegają redukcji na elektrodzie ujemnej, a utlenianiu na elektrodzie dodatniej (taki mechanizm samorozładowania przypisuje się jonom żelaza).
Reakcja powoduje samorozładowanie dodatniego materiału aktywnego.
2PbO2 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + О2 T.
Szybkość tej reakcji również wzrasta wraz ze wzrostem stężenia elektrolitu.
Ponieważ reakcja przebiega wraz z wydzielaniem tlenu, jej szybkość w dużej mierze zależy od nadnapięcia tlenu. Dlatego dodatki zmniejszające potencjał wydzielania tlenu (np. antymon, kobalt, srebro) zwiększą szybkość reakcji samorozpuszczania dwutlenku ołowiu. Szybkość samorozładowania pozytywnego materiału aktywnego jest kilkakrotnie niższa niż szybkość samorozładowania negatywnego materiału aktywnego.
Innym powodem samorozładowania elektrody dodatniej jest różnica potencjałów między materiałem kolektora prądu a masą czynną tej elektrody. Mikroelement galwaniczny wynikający z tej różnicy potencjałów podczas przepływu prądu przekształca ołów kolektora prądu i dwutlenek ołowiu o dodatniej masie czynnej w siarczan ołowiu.
Samorozładowanie może nastąpić również wtedy, gdy zewnętrzna powierzchnia akumulatora zostanie zabrudzona lub zalana elektrolitem, wodą lub innymi cieczami, które stwarzają możliwość rozładowania przez folię przewodzącą prąd elektryczny umieszczoną pomiędzy biegunami akumulatora lub jego zworami. Ten rodzaj samorozładowania nie różni się od zwykłego rozładowania bardzo niskimi prądami przy zamkniętym obwodzie zewnętrznym i jest łatwo eliminowany. Aby to zrobić, utrzymuj powierzchnię baterii w czystości.
Samorozładowanie akumulatorów w dużym stopniu zależy od temperatury elektrolitu. Samorozładowanie maleje wraz ze spadkiem temperatury. W temperaturach poniżej 0°C nowe akumulatory praktycznie to zatrzymują. Dlatego zaleca się przechowywanie akumulatorów w stanie naładowanym w niskich temperaturach (do -30 ° C).
Podczas pracy samorozładowanie nie pozostaje stałe i gwałtownie wzrasta pod koniec okresu użytkowania.
Zmniejszenie samorozładowania jest możliwe dzięki wzrostowi przepięcia wydzielania tlenu i wodoru na elektrodach akumulatora.
W tym celu konieczne jest, po pierwsze, stosowanie możliwie najczystszych materiałów do produkcji akumulatorów, zmniejszenie ilościowej zawartości pierwiastków stopowych w stopach akumulatorowych, stosowanie wyłącznie
czysty kwas siarkowy i woda destylowana (lub zbliżona do niej w czystości innymi metodami oczyszczania) do przygotowania wszystkich elektrolitów, zarówno podczas produkcji, jak i podczas pracy. Na przykład, ze względu na zmniejszenie zawartości antymonu w stopie kranów prądowych z 5% do 2% i zastosowanie wody destylowanej do wszystkich elektrolitów technologicznych, średnie dzienne samorozładowanie zmniejsza się 4-krotnie. Zastąpienie antymonu wapniem może dodatkowo zmniejszyć szybkość samorozładowania.
Dodatek substancji organicznych – inhibitorów samorozładowania – może również przyczynić się do zmniejszenia samorozładowania.
Zastosowanie wspólnej osłony i ukrytych połączeń międzyelementowych znacznie zmniejsza szybkość samorozładowania z prądów upływowych, ponieważ prawdopodobieństwo sprzężenia galwanicznego między odległymi biegunami jest znacznie zmniejszone.
Samorozładowanie jest czasami nazywane szybką utratą pojemności z powodu zwarcia wewnątrz akumulatora. Zjawisko to tłumaczy się bezpośrednim wyładowaniem przez przewodzące mostki utworzone między przeciwległymi elektrodami.
Zastosowanie separatorów kopertowych w akumulatorach bezobsługowych
eliminuje możliwość zwarcia między przeciwległymi elektrodami podczas pracy. Jednak taka możliwość pozostaje ze względu na możliwe awarie sprzętu podczas masowej produkcji. Zazwyczaj taka usterka jest wykrywana w pierwszych miesiącach eksploatacji i bateria musi zostać wymieniona w ramach gwarancji.
Zazwyczaj tempo samorozładowania wyraża się jako procent utraty pojemności w określonym czasie.
Samorozładowanie charakteryzuje się również według aktualnych norm napięciem rozładowania rozrusznika przy -18°C po teście: brak aktywności przez 21 dni w temperaturze +40°C.
EMF akumulatora (siła elektromotoryczna) jest to różnica potencjałów elektrod przy braku obwodu zewnętrznego. Potencjał elektrody jest sumą potencjału elektrody równowagi. Charakteryzuje stan elektrody w spoczynku, czyli brak procesów elektrochemicznych, oraz potencjał polaryzacji, który jest definiowany jako różnica potencjałów elektrody podczas ładowania (rozładowania) i braku obwodu.
Proces dyfuzji.
Dzięki procesowi dyfuzji, wyrównaniu gęstości elektrolitu we wnęce korpusu akumulatora oraz w porach masy czynnej płytek, polaryzacja elektrody może być zachowana w akumulatorze przy odłączonym obwodzie zewnętrznym.
Szybkość dyfuzji zależy bezpośrednio od temperatury elektrolitu, im wyższa temperatura, tym szybciej przebiega proces i może się znacznie różnić w czasie, od dwóch godzin do dnia. Obecność dwóch składowych potencjału elektrody podczas nieustalonych modów doprowadziła do podziału na równowagowy i nierównowagowy EMF baterii.
O równowadze EMF baterii wpływa na zawartość i stężenie jonów substancji aktywnych w elektrolicie oraz właściwości chemiczne i fizyczne substancji aktywnych. Główną rolę w wielkości pola elektromagnetycznego odgrywa gęstość elektrolitu, a temperatura praktycznie na nią nie wpływa. Zależność pola elektromagnetycznego od gęstości można wyrazić wzorem:
Gdzie E jest polem elektromagnetycznym akumulatora (V)
P to gęstość elektrolitu zredukowana do temperatury 25 gr. C (g/cm3) Ten wzór jest prawdziwy, gdy gęstość robocza elektrolitu mieści się w zakresie 1,05 – 1,30 g/cm3. EMF nie może bezpośrednio scharakteryzować stopnia rozrzedzenia baterii. Ale jeśli zmierzysz go na zaciskach i porównasz z obliczoną pod względem gęstości, możesz z pewnym prawdopodobieństwem ocenić stan płytek i pojemność.
W spoczynku gęstość elektrolitu w porach elektrod i wnęce monobloku jest taka sama i równa EMF w spoczynku. Podczas podłączania odbiorników lub źródła ładunku zmienia się polaryzacja płytek i stężenie elektrolitu w porach elektrod. Prowadzi to do zmiany pola elektromagnetycznego. Podczas ładowania wartość EMF wzrasta, a po rozładowaniu maleje. Wynika to ze zmiany gęstości elektrolitu, który bierze udział w procesach elektrochemicznych.
SIŁA ELEKTROMOTORYCZNA
Siła elektromotoryczna (EMF) akumulatora (E 0) nazywamy różnicą potencjałów jej elektrod, mierzonych otwartym obwodem zewnętrznym w stanie stacjonarnym (równowadze), czyli:
E 0 = φ 0 + + φ 0 - ,
gdzie φ 0 + oraz φ 0 - odpowiednio - potencjały równowagi elektrod dodatnich i ujemnych z otwartym obwodem zewnętrznym, V.
EMF baterii, złożony z n akumulatory połączone szeregowo:
E 0b = n × E 0.
Potencjał elektrody jest ogólnie definiowany jako różnica między potencjałem elektrody podczas rozładowania lub ładowania a jej potencjałem w stanie równowagi przy braku prądu. Należy jednak zauważyć, że stan baterii bezpośrednio po wyłączeniu prądu ładowania lub rozładowania nie jest równowagowy, ponieważ stężenie elektrolitu w porach elektrod i przestrzeni międzyelektrodowej nie jest takie samo. Dlatego polaryzacja elektrody utrzymuje się w akumulatorze dość długo nawet po wyłączeniu prądu ładowania lub rozładowania. Charakteryzuje w tym przypadku odchylenie potencjału elektrody od wartości równowagi j 0 spowodowane wyrównaniem dyfuzyjnym stężenia elektrolitu w akumulatorze od momentu otwarcia obwodu zewnętrznego do ustalenia stanu równowagi stacjonarnego.
φ = φ 0 ± ψ
Znak „+” w tym równaniu odpowiada polaryzacji szczątkowej tak po zakończeniu procesu ładowania znak „-” - po zakończeniu procesu rozładowania.
Należy zatem rozróżnić równowaga EMF (E 0) bateria i nierównowagowe pole elektromagnetyczne, a raczej NRC ( U 0) baterii w czasie od otwarcia obwodu do ustalenia stanu równowagi (okres procesu przejściowego):
E 0 = φ 0 + - φ 0 - = Δφ 0 (12)
U 0 = φ 0 + -φ 0 - ± (ψ + - ψ -) = Δφ 0 ± Δψ (13)
W tych równościach:
Δφ 0 - różnica potencjałów równowagowych elektrod, (V);
Δψ Jest różnicą potencjałów polaryzacji elektrod, (V).
Jak wskazano w rozdziale 3.1, wartość nierównowagowego pola elektromagnetycznego przy braku prądu w obwodzie zewnętrznym jest ogólnie nazywana napięciem obwodu otwartego (OPV).
EMF lub NRC są mierzone za pomocą woltomierza o wysokiej rezystancji (rezystancja wewnętrzna co najmniej 300 Ohm / V). Aby to zrobić, woltomierz jest podłączony do zacisków akumulatora lub akumulatora. W takim przypadku przez akumulator (baterię) nie powinien płynąć prąd ładowania ani rozładowania.
Jeśli porównamy równania (12 i 13), zobaczymy, że równowaga EMF różni się od NRC o różnicę potencjałów polaryzacji.
Δψ = U 0 - E 0
Parametr Δψ będzie dodatnia po wyłączeniu prądu ładowania ( U 0> E 0) i ujemny po wyłączeniu prądu rozładowania ( U 0< Е 0 ). W pierwszej chwili po wyłączeniu prądu ładowania Δψ wynosi około 0,15-0,2 V na akumulator, a po wyłączeniu prądu rozładowania 0,2-0,25 V na akumulator w zależności od trybu poprzedniego ładowania lub rozładowania. Nadgodziny Δψ w wartości bezwzględnej zmniejsza się do zera w miarę zaniku procesów przejściowych w akumulatorach, związanych głównie z dyfuzją elektrolitu w porach elektrod i przestrzeni międzyelektrodowej.
Ponieważ szybkość dyfuzji jest stosunkowo niska, czas zaniku procesów przejściowych może wynosić od kilku godzin do dwóch dni, w zależności od natężenia prądu rozładowania (ładowania) i temperatury elektrolitu. Ponadto spadek temperatury znacznie silniej wpływa na szybkość zanikania procesu przejściowego, ponieważ wraz ze spadkiem temperatury poniżej zera stopni (Celsjusza) szybkość dyfuzji spada kilkakrotnie.
EMF równowagi akumulatora ołowiowego ( E 0), jak każde chemiczne źródło prądu, zależy od właściwości chemicznych i fizycznych substancji biorących udział w procesie prądotwórczym i nie zależy w ogóle od wielkości i kształtu elektrod, a także od ilości mas aktywnych i elektrolit. Jednocześnie w akumulatorze kwasowo-ołowiowym elektrolit bierze bezpośredni udział w procesie powstawania prądu na elektrodach akumulatora i zmienia swoją gęstość w zależności od stanu naładowania akumulatorów. Dlatego równowaga EMF, która z kolei jest funkcją gęstości elektrolitu, będzie również funkcją stanu naładowania akumulatora.
Aby obliczyć NRC na podstawie zmierzonej gęstości elektrolitu, stosuje się wzór empiryczny
U 0 = 0,84 + d e
gdzie „d e” jest gęstością elektrolitu w temperaturze 25 ° C w g / cm 3;
Gdy nie jest możliwe zmierzenie gęstości elektrolitu w akumulatorach (na przykład w otwartych akumulatorach VL bez wtyczek lub w zamkniętych akumulatorach VRLA), stan naładowania można ocenić na podstawie wartości NRC w spoczynku, czyli nie wcześniej niż po 5-6 godzinach od wyłączenia prądu ładowania (zatrzymanie silnika samochodu). Wartość LRC dla akumulatorów o poziomie elektrolitu spełniającym wymagania instrukcji obsługi, o różnym stopniu naładowania w różnych temperaturach podana jest w tabeli. 1
Tabela 1
Zmiana EMF akumulatora od temperatury jest bardzo nieznaczna (mniej niż 3 · 10 -4 V/st) i podczas pracy akumulatorów można ją pominąć.
WEWNĘTRZNY OPÓR
Opór stawiany przez akumulator prądowi w nim płynącemu (ładowaniu lub rozładowaniu) jest zwykle nazywany wewnętrzny opór bateria.
Siła elektromotoryczna
Siła elektromotoryczna (EMF) akumulatora E jest różnicą potencjałów jego elektrod, mierzoną przy otwartym obwodzie zewnętrznym.
EMF baterii składającej się z n baterii połączonych szeregowo.
W czasie od otwarcia obwodu do ustalenia stanu równowagi (okres procesu przejściowego) konieczne jest rozróżnienie między sem równowagi akumulatora a sem nierównowagi akumulatora. EMF mierzy się woltomierzem o wysokiej rezystancji (rezystancja wewnętrzna co najmniej 300 Ohm / V). Aby to zrobić, woltomierz jest podłączony do zacisków akumulatora lub akumulatora. W takim przypadku przez akumulator (baterię) nie powinien płynąć prąd ładowania ani rozładowania.
Równowagowe SEM akumulatora ołowiowego, jak każde chemiczne źródło prądu, zależy od właściwości chemicznych i fizycznych substancji biorących udział w procesie prądotwórczym i nie zależy w ogóle od wielkości i kształtu elektrod oraz od ilości mas aktywnych i elektrolitu. Jednocześnie w akumulatorze kwasowo-ołowiowym elektrolit bierze bezpośredni udział w procesie powstawania prądu na elektrodach akumulatora i zmienia swoją gęstość w zależności od stanu naładowania akumulatorów. Dlatego równowaga EMF, która z kolei jest funkcją gęstości
Zmiana EMF akumulatora od temperatury jest bardzo mała i można ją pominąć podczas pracy.
Napięcie ładowania i rozładowania
Różnica potencjałów na biegunach akumulatora (akumulatora) w procesie ładowania lub rozładowywania w obecności prądu w obwodzie zewnętrznym jest zwykle nazywana napięciem akumulatora (akumulatora). Obecność wewnętrznej rezystancji akumulatora prowadzi do tego, że jego napięcie podczas rozładowania jest zawsze mniejsze niż EMF, a podczas ładowania jest zawsze wyższe niż EMF.
Podczas ładowania akumulatora napięcie na jego zaciskach musi być większe niż jego EMF o wielkość strat wewnętrznych. Na początku ładowania następuje skok napięcia o wielkość strat omowych wewnątrz akumulatora, a następnie gwałtowny wzrost napięcia ze względu na potencjał polaryzacji, spowodowany głównie szybkim wzrostem gęstości elektrolitu w porach masa czynna. Ponadto następuje powolny wzrost napięcia, głównie ze względu na wzrost pola elektromagnetycznego akumulatora ze względu na wzrost gęstości elektrolitu.
Po przekształceniu głównej ilości siarczanu ołowiu w PbO2 i Pb zużycie energii powoduje coraz większy rozkład wody (elektrolizę). Nadmiar jonów wodoru i tlenu pojawiający się w elektrolicie dodatkowo zwiększa różnicę potencjałów pomiędzy przeciwległymi elektrodami. Prowadzi to do gwałtownego wzrostu napięcia ładowania, co przyspiesza rozkład wody. Powstałe jony wodoru i tlenu nie oddziałują z materiałami aktywnymi. Rekombinują się w cząsteczki obojętne i są uwalniane z elektrolitu w postaci pęcherzyków gazu (na elektrodzie dodatniej uwalnia się tlen, na ujemnej wodór), powodując „wrzenie” elektrolitu.
Kontynuując proces ładowania, widać, że wzrost gęstości elektrolitu i napięcia ładowania praktycznie ustają, ponieważ prawie cały siarczan ołowiu już zareagował, a cała energia dostarczana do akumulatora jest teraz zużywana tylko na proces uboczny - elektrolityczny rozkład wody. Wyjaśnia to również stałość napięcia ładowania, które służy jako jeden ze znaków zakończenia procesu ładowania.
Po zatrzymaniu ładowania, czyli odłączeniu zewnętrznego źródła, napięcie na zaciskach akumulatora gwałtownie spada do wartości jego nierównowagowego pola elektromagnetycznego lub do wartości wewnętrznych strat omowych. Następnie następuje stopniowy spadek pola elektromagnetycznego (ze względu na zmniejszenie gęstości elektrolitu w porach masy czynnej), który trwa aż do stężenia elektrolitu w objętości akumulatora i porach masy czynnej jest całkowicie wyrównany, co odpowiada ustaleniu równowagi pola elektromagnetycznego.
Gdy akumulator jest rozładowany, napięcie na jego zaciskach jest mniejsze niż EMF o wartość wewnętrznego spadku napięcia.
Na początku rozładowania napięcie akumulatora gwałtownie spada o wartość strat omowych i polaryzacji z powodu spadku stężenia elektrolitu w porach masy czynnej, czyli polaryzacji stężenia. Ponadto, przy stałym (stacjonarnym) procesie rozładowywania, gęstość elektrolitu w objętości akumulatora maleje, powodując stopniowy spadek napięcia rozładowania. Jednocześnie następuje zmiana stosunku zawartości siarczanu ołowiu w masie czynnej, co również powoduje wzrost strat omowych. W tym przypadku cząsteczki siarczanu ołowiu (który ma około trzykrotną objętość w porównaniu z cząsteczkami ołowiu i jego dwutlenku, z którego powstały) zamykają pory masy czynnej, co zapobiega przechodzeniu elektrolitu do wnętrza głębokość elektrod. Powoduje to wzrost polaryzacji stężeń, co prowadzi do szybszego spadku napięcia rozładowania.
Po zakończeniu rozładowania napięcie na zaciskach akumulatora gwałtownie wzrasta o wielkość strat omowych, osiągając wartość nierównowagowego pola elektromagnetycznego. Dalsza zmiana pola elektromagnetycznego spowodowana wyrównaniem się stężenia elektrolitu w porach mas aktywnych i objętości akumulatora prowadzi do stopniowego ustalania wartości pola równowagi.
Napięcie akumulatora podczas jego rozładowywania zależy głównie od temperatury elektrolitu i natężenia prądu rozładowania. Jak wspomniano powyżej, rezystancja akumulatora kwasowo-ołowiowego (akumulatora) jest znikoma i w stanie naładowanym wynosi tylko kilka miliomów. Jednak przy prądach wyładowania rozrusznika, którego siła jest 4-7 razy większa od wartości pojemności nominalnej, wewnętrzny spadek napięcia ma istotny wpływ na napięcie rozładowania. Wzrost strat omowych wraz ze spadkiem temperatury wiąże się ze wzrostem rezystancji elektrolitu. Ponadto gwałtownie wzrasta lepkość elektrolitu, co komplikuje proces dyfuzji w pory masy aktywnej i zwiększa polaryzację stężenia (to znaczy zwiększa utratę napięcia wewnątrz akumulatora z powodu spadku stężenia elektrolitu w porach elektrod). Przy prądzie powyżej 60 A zależność napięcia rozładowania od natężenia prądu jest praktycznie liniowa we wszystkich temperaturach.
Średnia wartość napięcia akumulatora podczas ładowania i rozładowywania jest określana jako średnia arytmetyczna z wartości napięcia mierzonych w regularnych odstępach czasu.