Substanțele active ale plăcilor pozitive și negative au potențiale definite în raport cu electrolitul. Diferența dintre aceste potențiale determină EMF-ul bateriei, care nu depinde de cantitatea de substanță activă din plăci. CEM al bateriei depinde în principal de densitatea electrolitului, această dependență este determinată de formula empirică:
unde d este densitatea electrolitului din porii masei active a plăcilor. Tensiunea bateriei în timpul încărcării este mai mare decât valoarea EMF cu valoarea căderii de tensiune internă:
U З = E + I З ∙ r 0,
unde r 0 este rezistența internă a bateriei și, respectiv, la descărcare:
U P = E - I P ∙ r 0.
Pentru o baterie descărcată plumb-acid, densitatea este d = 1,17, apoi E = 0,85 + 1,17 = 2,02 V. Pentru o baterie încărcată, d = 1,21, apoi E = 0,85 + 1,21 = 2, 06 V => EMF a bateria descărcată atunci când încărcarea este oprită nu diferă mult de EMF-ul unei baterii încărcate. La încărcarea bateriei, tensiunea de încărcare este de 2,3 - 2,8 V. Tensiunea de descărcare este de aproximativ 1,8 V.
Capacitatea bateriei plumb-acid
Capacitatea nominală este determinată cu o descărcare de zece ore până la o tensiune de 1,8 V, la o temperatură a electrolitului de 25 ° C. Capacitatea nominală a unei baterii plumb-acid este de 36 A / h. Această capacitate corespunde curentului de descărcare I P = Q / 10 = 3,6 A.
Dacă modificați curentul de descărcare I P și temperatura electrolitului, atunci se va schimba și capacitatea acestuia. O creștere a temperaturii ambiante contribuie la o creștere a capacității, dar la o temperatură de 40 ° C, plăcile pozitive se deformează și auto-descărcarea bateriei crește brusc, prin urmare, pentru funcționarea normală a bateriei, o temperatură de + 35 ° C - 15 ° C trebuie menținute.
Capacitatea nominală la o temperatură de 25 ° C și descărcarea de zece ore este determinată de formula:
unde P t este factorul de utilizare a masei active a bateriei,%;
T este temperatura reală a electrolitului în timpul descărcării.
Tipuri de baterii cu plumb acid
Bateriile staționare sunt marcate cu literele C, SK, SZ, SZE, CH și altele:
C - baterie staționară;
K - acumulator care permite descărcarea pe termen scurt;
З - baterie închisă;
E - vas de abanos;
H - acumulator cu plăci tencuite.
Numărul care este plasat după desemnarea literelor înseamnă numărul bateriei:
C-1 - 36 A / h;
C-4 - 4 x 36 A / h;
alte...
Tipuri de baterii alcaline
Marcarea Н - Ж (nichel - fier), Н - К (nichel - cadmiu), С - Ц (argint - zinc). Forța electromotivă (CEM) a bateriilor N - W este: E З = 1,5 V; E Р = 1,3 V. CEM al bateriilor N - K este: E З = 1,4 V; E P = 1,27 V. Tensiunea medie de încărcare este U Z = 1,8 V; descărcare U R = 1 V.
SISTEME DE ALIMENTARE
Dispoziții generale
Echipamentele staționare de automatizare și comunicații în transportul feroviar sunt alimentate din surse de curent continuu cu tensiuni nominale, de exemplu, 24, 60, 220 V etc. circuite etc.; surse cu o tensiune nominală de 60 V - pentru centrale telefonice automate, echipamente de comutare telegrafică; surse cu o tensiune de 220 V - pentru alimentarea cu energie a echipamentelor de comunicații, motoare de curent etc. Sursele de curent cu o anumită tensiune nominală sunt de obicei realizate sub formă de echipamente independente incluse în complexul general al instalației de alimentare cu energie a unei case de comunicații, a unui post CE sau a altui obiect în care sunt amplasate surse de alimentare centralizate.
Principalele sisteme de alimentare cu energie includ sisteme de alimentare autonome, tampon, fără baterie și combinate (Fig. 2.1). Sistemul autonom este conceput pentru a alimenta echipamente de automatizare și comunicații portabile și staționare, iar restul - pentru a alimenta echipamente staționare.
Orez. 2.1. Schema bloc a sistemelor de alimentare cu energie electrică
Sistem de alimentare autonom
Sistemul de alimentare cu energie electrică din celulele primare este utilizat în principal pentru a asigura funcționarea echipamentelor portabile (stații radio, echipamente de măsurare etc.). Pentru alimentarea echipamentelor staționare, se utilizează un sistem autonom de alimentare cu energie în locurile în care nu există rețele de curent alternativ. Sistemul de alimentare de la baterii conform metodei „încărcare-descărcare” (Fig. 2.2) este destinat cazurilor în care energia din rețelele de curent alternativ este furnizată neregulat. Esența acestei metode de alimentare este că pentru fiecare gradare de tensiune există un redresor separat și două (sau mai multe) baterii de stocare. . Echipamentul este alimentat de la o baterie, iar cealaltă este încărcată de la redresor sau este încărcată în rezervă. De îndată ce bateria este descărcată într-o anumită stare, aceasta este deconectată și conectată la un redresor pentru încărcare, iar o baterie încărcată este conectată pentru a alimenta echipamentul. Atunci când funcționează în acest fel, bateriile sunt încărcate cel mai adesea într-un mod de curent constant. Capacitatea bateriilor este determinată pe baza duratei de alimentare a echipamentului timp de 12-24 de ore, prin urmare bateriile sunt foarte voluminoase și pentru instalarea lor sunt necesare camere mari special echipate. Durata de viață a acestor baterii este de 6-7 ani, deoarece ciclurile de încărcare și descărcare adânci și frecvente duc la distrugerea rapidă a plăcilor. Necesitatea unei monitorizări constante a proceselor de încărcare și descărcare duce la costuri de operare ridicate.
Figura 2.2. Schema sistemului de alimentare cu energie din baterii conform metodei „încărcare-descărcare”:
F - alimentator; SHPT - autobuz AC; ЗШ - încărcarea anvelopelor; Anvelope cu nervuri RSh; 1, 2, 3 - grupuri de baterii
Dezavantajele enumerate, împreună cu eficiența scăzută a instalației (30-45%), limitează utilizarea acestui mod. Avantajele metodei includ absența ondulării tensiunii pe sarcină și posibilitatea utilizării diverselor surse de curent pentru încărcare.
Sistem de alimentare tampon
Cu un astfel de sistem de alimentare în paralel cu redresorul UZ iar sarcina include o baterie reîncărcabilă GB(fig. 2.3). În cazul unei defecțiuni la rețeaua de curent alternativ sau deteriorării redresorului, alimentarea suplimentară a sarcinii este asigurată de baterie fără întreruperea alimentării cu energie. Bateria reîncărcabilă asigură o rezervă sigură a surselor de energie electrică și, în plus, împreună cu filtrul de putere realizează netezirea necesară a ondulației. Cu un sistem de alimentare cu tampon, se disting trei moduri de funcționare: curent mediu, impuls și încărcare continuă.
Cu modul curent mediu(fig. 2.4) redresor UZ, conectat în paralel cu bateria GB, oferă un curent constant I în indiferent de schimbarea curentului I n în sarcina R n. Când curentul de încărcare I n este mic, redresorul alimentează sarcina și încarcă bateria de stocare cu curentul I 3, iar când curentul de încărcare este mare, redresorul împreună cu bateria, care este descărcată de curentul I p, furnizează încărcătura. În timpul încărcării, tensiunea pe fiecare baterie a bateriei crește și poate ajunge la 2,7 V, iar în timpul descărcării scade la 2 V. Pentru a implementa acest mod, pot fi utilizate cele mai simple redresoare fără dispozitive de control automat. Curentul redresorului este calculat pe baza cantității de energie electrică (amperi-ore) cheltuită la alimentarea sarcinii în timpul zilei. Această valoare ar trebui mărită cu 15-25% pentru a compensa pierderile care există întotdeauna la încărcarea și descărcarea bateriilor.
Dezavantajele modului includ: incapacitatea de a determina și seta corect curentul redresorului necesar, deoarece natura reală a schimbării curentului de sarcină nu este niciodată cunoscută cu exactitate, ceea ce duce la supraîncărcarea sau supraîncărcarea bateriilor; durata scurtă de viață a bateriei (8-9 ani) cauzată de ciclurile de încărcare și descărcare profundă; fluctuații semnificative de tensiune pe sarcină, deoarece tensiunea de pe fiecare baterie poate varia de la 2 la 2,7 V.
În modul de încărcare a pulsului(Fig. 2.5) curentul redresorului se schimbă brusc în funcție de tensiunea bateriei GV.În acest caz, redresorul UZ furnizează energie sarcinii R n împreună cu bateria G V sau alimentează încărcătura
Figura 2.3 - Schema sistemului de alimentare cu tampon
Figura 2.4 - Mod curent mediu:
a - diagramă; b - schema curenților; в - dependențe de curenți și tensiuni în timp; I З și I Р - respectiv, curenții de încărcare și descărcare ai bateriei de stocare
Figura 2.5 - Modul de încărcare a fluxului de impulsuri:
a - diagramă; b - schema curenților și tensiunilor; c, d - dependențe de curenți și tensiuni în timp
și reîncarcă bateria. Curentul maxim al redresorului este setat puțin mai mare decât curentul care apare în ora încărcării maxime, iar curentul minim de încărcare I B max este mai mic decât curentul minim de încărcare I n.
Să presupunem că în poziția inițială, redresorul furnizează curentul minim. Bateria este descărcată și tensiunea scade la 2,1 volți pe celulă. Releu R eliberează armătura și ocolește rezistența R . Curentul de ieșire al redresorului crește brusc până la maxim. Din acest moment, redresorul alimentează sarcina și încarcă bateria. În timpul procesului de încărcare, tensiunea bateriei crește și ajunge la 2,3 V pe celulă. Releul este energizat din nou R, iar curentul redresorului scade la minimum; bateria începe să se descarce. Apoi ciclurile se repetă. Durata intervalelor de timp ale curentului redresor maxim și minim variază în funcție de schimbarea curentului în sarcină.
Avantajele modului includ: simplitatea sistemului de reglare a curentului la ieșirea redresorului; limite mici de variație a tensiunii la baterie și la sarcină (de la 2,1 la 2,3 V pe celulă); creșterea duratei de viață a bateriei până la 10-12 ani datorită ciclurilor de încărcare și descărcare mai puțin profunde. Acest mod este utilizat pentru alimentarea dispozitivelor de automatizare.
În modul de încărcare prin degajare(Fig. 2.6) sarcina R n este alimentată complet de la redresor UZ. Baterie încărcată GB primește de la redresor un mic curent plutitor continuu, care compensează auto-descărcarea. Pentru a implementa acest mod, este necesar să setați tensiunea la ieșirea redresorului la o rată de (2,2 ± 0,05) V pentru fiecare baterie și să o mențineți cu o eroare de cel mult ± 2%. În acest caz, curentul de reîncărcare pentru bateriile acide I p = (0,001-0,002) C n și pentru bateriile alcaline I p = 0,01 C N. Prin urmare, pentru
Figura 2.6 - Mod de încărcare continuă prin prelingere:
a - diagramă; b - schema curenților; в - dependențele de curenți și tensiuni în timp
Pentru a finaliza acest mod, redresoarele trebuie să aibă dispozitive de stabilizare a tensiunii precise și fiabile. Nerespectarea acestui lucru va duce la supraîncărcare sau descărcare profundă și sulfarea bateriilor.
Avantajele modului includ: o eficiență suficient de mare a instalației, determinată numai de redresor (η = 0,7 ÷ 0,8); durată lungă de viață a bateriei, ajungând la 18-20 de ani din cauza absenței ciclurilor de încărcare și descărcare; stabilitate ridicată a tensiunii la ieșirea redresorului; costuri de operare mai mici prin automatizare și întreținerea simplificată a bateriei.
Bateriile sunt încărcate în mod normal și nu necesită monitorizare continuă. Absența ciclurilor de încărcare și descărcare și curentul de plutire corect selectat reduc sulfarea și permit perioade mai lungi între supraîncărcări și descărcări de control.
Dezavantajul acestui mod este necesitatea de a complica dispozitivele de alimentare din cauza elementelor de stabilizare și automatizare. Modul este utilizat în dispozitivele pentru alimentarea echipamentelor de comunicații.
Scopul bateriilor de pornire
Bazele teoretice ale conversiei energiei chimice în energie electrică
Descărcarea bateriei
Încărcare baterie
Consumul principalilor reactivi care formează curent
Forta electromotoare
Rezistență internă
Tensiunea de încărcare și descărcare
Capacitatea bateriei
Energia și puterea bateriei
Auto-descărcare a bateriei
Scopul bateriilor de pornire
Funcția principală a bateriei este de a porni în mod fiabil motorul. O altă funcție este tamponul de energie atunci când motorul funcționează. Într-adevăr, împreună cu tipurile tradiționale de consumatori, au apărut multe dispozitive de service suplimentare care îmbunătățesc confortul șoferului și siguranța traficului. Bateria compensează deficitul de energie atunci când conduceți în ciclul orașului cu opriri frecvente și lungi, atunci când generatorul nu poate furniza întotdeauna puterea necesară pentru a alimenta complet toți consumatorii conectați. A treia funcție de lucru este alimentarea cu energie atunci când motorul este oprit. Cu toate acestea, utilizarea prelungită a aparatelor electrice în timp ce este parcat cu motorul inoperant (sau cu motorul la ralanti) duce la o descărcare profundă a bateriei și la o scădere bruscă a caracteristicilor sale de pornire.
Bateria este, de asemenea, proiectată pentru alimentare de urgență. În cazul unui generator, redresor, regulator de tensiune sau întreruperea curelei generatorului, acesta trebuie să asigure funcționarea tuturor consumatorilor necesară pentru deplasarea în siguranță la cea mai apropiată stație de service.
Deci, bateriile de pornire trebuie să îndeplinească următoarele cerințe de bază:
Furnizați curentul de descărcare necesar pentru funcționarea demarorului, adică să aveți o rezistență internă scăzută pentru pierderi minime de tensiune internă în interiorul bateriei;
Furnizați numărul necesar de încercări pentru a porni motorul cu o durată stabilită, adică să aveți rezerva necesară de energie pentru descărcarea demarorului;
Aveți o putere și o energie suficient de mari, cu cea mai mică dimensiune și greutate posibilă;
Să aibă o rezervă de energie pentru consumatorii de energie atunci când motorul nu funcționează sau în caz de urgență (capacitate de rezervă);
Mențineți tensiunea necesară pentru funcționarea demarorului atunci când temperatura scade în limitele specificate (curent de pornire la rece);
Mențineți performanța pentru o lungă perioadă de timp la temperatura ambiantă ridicată (până la 70 "C);
Acceptați o taxă pentru a restabili capacitatea consumată pentru pornirea motorului și alimentarea altor consumatori de la generator în timp ce motorul funcționează (acceptarea încărcării);
Nu necesita instruire speciala a utilizatorilor, intretinere in timpul functionarii;
Au rezistență mecanică ridicată corespunzătoare condițiilor de funcționare;
Mențineți caracteristicile de performanță specificate pentru o lungă perioadă de timp în timpul funcționării (durata de viață);
Poseda descărcare de sine nesemnificativă;
Au un cost redus.
Bazele teoretice ale conversiei energiei chimice în energie electrică
O sursă de curent chimic este un dispozitiv în care, datorită cursului reacțiilor chimice redox separate spațial, energia lor liberă este transformată în energie electrică. Prin natura lucrării, aceste surse sunt împărțite în două grupuri:
Surse de curent chimic primar sau celule galvanice;
Surse secundare sau acumulatori electrici.
Sursele primare pot fi utilizate o singură dată, deoarece substanțele formate în timpul descărcării lor nu pot fi transformate în materiale active inițiale. O celulă galvanică complet descărcată, de regulă, nu este adecvată pentru lucrări ulterioare - este o sursă ireversibilă de energie.
Sursele de curent chimic secundar sunt surse de energie reversibile - după o descărcare de fond arbitrară, performanța lor poate fi complet restabilită prin încărcare. Pentru a face acest lucru, este suficient să treceți un curent electric prin sursa secundară în direcția opusă celei în care a curs în timpul descărcării. În procesul de încărcare, substanțele formate în timpul descărcării se vor transforma în materialele active originale. Acesta este modul în care energia liberă a unei surse de curent chimic este convertită în mod repetat în energie electrică (descărcarea bateriei) și conversia inversă a energiei electrice în energie liberă a unei surse de curent chimic (încărcarea bateriei).
Trecerea curentului prin sisteme electrochimice este asociată cu reacțiile chimice în curs (transformări). Prin urmare, există o relație între cantitatea de substanță care a intrat într-o reacție electrochimică și a suferit transformări și cantitatea de energie electrică consumată sau eliberată în timpul acestei, care a fost stabilită de Michael Faraday.
Conform primei legi a lui Faraday, masa unei substanțe care a intrat într-o reacție a electrodului sau a obținut ca rezultat al fluxului său este proporțională cu cantitatea de electricitate trecută prin sistem.
Conform celei de-a doua legi a lui Faraday, cu o cantitate egală de electricitate trecută prin sistem, masele de substanțe reacționate sunt legate între ele ca echivalenți chimici.
În practică, o cantitate mai mică de materie suferă modificări electrochimice decât în conformitate cu legile lui Faraday - când trece curentul, pe lângă principalele reacții electrochimice, apar și reacții paralele sau secundare (laterale), care schimbă masa produselor. Pentru a ține cont de influența unor astfel de reacții, a fost introdus conceptul de eficiență curentă.
Eficiența curentă este acea parte a cantității de energie electrică care trece prin sistem care cade în proporția reacției electrochimice principale luate în considerare.
Descărcarea bateriei
Substanțele active ale unei baterii plumb-acid încărcate care participă la procesul de formare a curentului sunt:
Pe electrodul pozitiv - dioxid de plumb (maro închis);
Pe electrodul negativ - plumb spongios (gri);
Electrolitul este o soluție apoasă de acid sulfuric.
Unele dintre moleculele de acid dintr-o soluție apoasă sunt întotdeauna disociate în ioni de hidrogen încărcați pozitiv și ioni de sulfat încărcați negativ.
Plumbul, care este masa activă a electrodului negativ, se dizolvă parțial în electrolit și se oxidează în soluție pentru a forma ioni pozitivi. Excesul de electroni eliberați în acest caz conferă o sarcină negativă electrodului și încep să se deplaseze de-a lungul unei secțiuni închise a circuitului extern către electrodul pozitiv.
Ionii de plumb încărcați pozitiv reacționează cu ioni de sulfat încărcați negativ pentru a forma sulfat de plumb, care are o solubilitate redusă și, prin urmare, se depune pe suprafața electrodului negativ. În procesul de descărcare a bateriei, masa activă a electrodului negativ este convertită din plumb spongios în sulfat de plumb cu o schimbare de la gri la gri deschis.
Dioxidul de plumb al electrodului pozitiv se dizolvă în electrolit într-o cantitate mult mai mică decât plumbul electrodului negativ. Atunci când interacționează cu apa, aceasta se disociază (se descompune în soluție în particule încărcate - ioni), formând ioni plumb tetravalenți și ioni hidroxil.
Ionii conferă un potențial pozitiv electrodului și, prin atașarea electronilor care vin prin circuitul extern din electrodul negativ, sunt reduși la ioni de plumb divalenți
Ionii interacționează cu ionii pentru a forma sulfat de plumb, care din motivul de mai sus este depus și pe suprafața electrodului pozitiv, așa cum a fost cazul celui negativ. Masa activă a electrodului pozitiv în timpul descărcării este convertită din dioxid de plumb în sulfat de plumb cu o schimbare a culorii sale de la maro închis la maro deschis.
Ca urmare a descărcării bateriei, materialele active ale electrozilor pozitivi și negativi sunt transformate în sulfat de plumb. În acest caz, acidul sulfuric este consumat pentru formarea sulfatului de plumb și apa se formează din ionii eliberați, ceea ce duce la o scădere a densității electrolitului în timpul descărcării.
Încărcare baterie
În electrolit, ambii electrozi conțin cantități mici de sulfat de plumb și ioni de apă. Sub influența tensiunii sursei de curent continuu, în circuitul căruia este inclusă bateria încărcată, în circuitul extern se stabilește o mișcare direcționată a electronilor către borna negativă a bateriei.
Ionii plumbi bivalenți la electrodul negativ sunt neutralizați (reduși) de către cei doi electroni care intră, transformând masa activă a electrodului negativ în plumb spongios metalic. Restul de ioni liberi formează acid sulfuric
La electrodul pozitiv, sub acțiunea unui curent de încărcare, ionii de plumb divalenți renunță la doi electroni, oxidându-se în tetravalenți. Acesta din urmă, combinându-se prin reacții intermediare cu doi ioni de oxigen, formează dioxid de plumb, care este eliberat la electrod. Ionii și, la fel ca la electrodul negativ, formează acid sulfuric, în urma căruia densitatea electrolitului crește în timpul încărcării.
Când procesele de transformare a substanțelor din masele active ale electrozilor pozitivi și negativi s-au încheiat, densitatea electrolitului încetează să se schimbe, ceea ce este un semn al sfârșitului încărcării bateriei. Odată cu continuarea în continuare a încărcării, are loc așa-numitul proces secundar - descompunerea electrolitică a apei în oxigen și hidrogen. În afară de electrolit sub formă de bule de gaz, ele creează efectul fierberii sale intense, care servește și ca semn al sfârșitului procesului de încărcare.
Consumul principalilor reactivi care formează curent
Pentru a obține o capacitate de un amper-oră la descărcarea bateriei, este necesar ca următoarele reacții să ia parte la reacție:
4,463 g dioxid de plumb
3,886 g plumb spongios
3,660 g acid sulfuric
Consumul teoretic total de materiale pentru obținerea a 1 Ah (consum specific de materiale) de electricitate va fi de 11,989 g / Ah, iar capacitatea teoretică specifică - 83,41 Ah / kg.
Cu o tensiune nominală a bateriei de 2 V, consumul teoretic specific de material pe unitate de energie este de 5,995 g / Wh, iar energia specifică a bateriei va fi de 166,82 Wh / kg.
Cu toate acestea, în practică, este imposibil să se utilizeze pe deplin materialele active care participă la procesul de formare curentă. Aproximativ jumătate din suprafața masei active este inaccesibilă electrolitului, deoarece servește ca bază pentru construirea unui cadru poros volumetric, care asigură rezistența mecanică a materialului. Prin urmare, rata reală de utilizare a maselor active ale electrodului pozitiv este de 45-55%, iar cea negativă de 50-65%. În plus, o soluție de acid sulfuric de 35-38% este utilizată ca electrolit. Prin urmare, valoarea consumului specific real de materiale este mult mai mare, iar valorile reale ale capacității specifice și ale energiei specifice sunt mult mai mici decât cele teoretice.
Forta electromotoare
Forța electromotivă (CEM) a bateriei E este diferența dintre potențialele electrodului său, măsurate cu un circuit extern deschis.
CEM al unei baterii formate din n baterii conectate în serie.
Este necesar să se facă distincția între CEM de echilibru al bateriei și CEM de neechilibru al bateriei în timpul de la deschiderea circuitului până la stabilirea unei stări de echilibru (perioada procesului tranzitoriu).
CEM se măsoară cu un voltmetru de înaltă rezistență (rezistență internă de cel puțin 300 Ohm / V). Pentru a face acest lucru, un voltmetru este conectat la bornele bateriei sau bateriei. În acest caz, nu trebuie să curgă curent de încărcare sau descărcare prin acumulator (baterie).
CEM de echilibru al unui acumulator de plumb, ca orice sursă de curent chimic, depinde de proprietățile chimice și fizice ale substanțelor care participă la procesul de formare a curentului și nu depinde deloc de mărimea și forma electrozilor, precum și de asupra cantității de mase active și electrolit. În același timp, într-o baterie plumb-acid, electrolitul este direct implicat în procesul de formare a curentului pe electrozii bateriei și își modifică densitatea în funcție de starea de încărcare a bateriilor. Prin urmare, CEM de echilibru, care la rândul său este o funcție a densității
Schimbarea EMF a bateriei de la temperatură este foarte mică și poate fi neglijată în timpul funcționării.
Rezistență internă
Rezistența bateriei la curentul care curge în interiorul ei (încărcare sau descărcare) se numește rezistența internă a bateriei.
Rezistența materialelor active ale electrozilor pozitivi și negativi, precum și rezistența electrolitului, se schimbă în funcție de starea de încărcare a bateriei. În plus, rezistența electrolitului este foarte dependentă de temperatură.
Prin urmare, rezistența ohmică depinde și de starea de încărcare a bateriei și de temperatura electrolitului.
Rezistența la polarizare depinde de puterea curentului de descărcare (încărcare) și temperatură și nu respectă legea lui Ohm.
Rezistența internă a unei baterii și chiar a unei baterii formate din mai multe baterii conectate în serie este neglijabilă și într-o stare încărcată este de doar câteva miimi de Ohm. Cu toate acestea, în cursul descărcării, acesta se schimbă semnificativ.
Conductivitatea electrică a maselor active scade pentru un electrod pozitiv de aproximativ 20 de ori, iar pentru unul negativ - de 10 ori. Conductivitatea electrică a electrolitului se schimbă, de asemenea, în funcție de densitatea acestuia. Cu o creștere a densității electrolitului de la 1,00 la 1,70 g / cm3, conductivitatea sa electrică crește mai întâi la valoarea maximă, apoi scade din nou.
Pe măsură ce bateria este descărcată, densitatea electrolitului scade de la 1,28 g / cm3 la 1,09 g / cm3, ceea ce duce la o scădere a conductivității sale electrice de aproape 2,5 ori. Ca urmare, rezistența ohmică a bateriei crește odată cu descărcarea. În starea descărcată, rezistența atinge o valoare de peste 2 ori mai mare decât valoarea sa în starea încărcată.
În plus față de starea de încărcare, temperatura are un efect semnificativ asupra rezistenței bateriilor. Cu o scădere a temperaturii, rezistivitatea electrolitului crește și la o temperatură de -40 ° C devine de aproximativ 8 ori mai mare decât la +30 ° C. Rezistența separatoarelor crește brusc odată cu scăderea temperaturii și în același interval de temperatură crește de aproape 4 ori. Acesta este factorul determinant în creșterea rezistenței interne a bateriilor la temperaturi scăzute.
Tensiunea de încărcare și descărcare
Diferența de potențial la bornele polului bateriei (bateriei) în procesul de încărcare sau descărcare în prezența curentului în circuitul extern se numește de obicei tensiunea bateriei (baterie). Prezența rezistenței interne a bateriei duce la faptul că tensiunea acesteia în timpul descărcării este întotdeauna mai mică decât EMF, iar în timpul încărcării este întotdeauna mai mare decât EMF.
La încărcarea bateriei, tensiunea la bornele sale trebuie să fie mai mare decât EMF, cu numărul de pierderi interne.
La începutul încărcării, un salt de tensiune are loc prin cantitatea de pierderi ohmice din interiorul bateriei și apoi o creștere bruscă a tensiunii datorită potențialului de polarizare, cauzată în principal de o creștere rapidă a densității electrolitului în porii din masa activă. Mai mult, are loc o creștere lentă a tensiunii, în principal datorită creșterii CEM a bateriei datorită creșterii densității electrolitului.
După ce cantitatea principală de sulfat de plumb este convertită în PbO2 și Pb, consumul de energie determină din ce în ce mai mult descompunerea apei (electroliză) .Excesul de ioni de hidrogen și oxigen care apar în electrolit crește și mai mult diferența de potențial între electrozii opuși. Acest lucru duce la o creștere rapidă a tensiunii de încărcare, ceea ce accelerează descompunerea apei. Ionii de hidrogen și oxigen rezultați nu interacționează cu materialele active. Se recombină în molecule neutre și sunt eliberate din electrolit sub formă de bule de gaz (oxigenul este eliberat pe electrodul pozitiv, hidrogen pe cel negativ), determinând electrolitul să „fiarbă”.
Dacă continuați procesul de încărcare, puteți vedea că creșterea densității electrolitului și a tensiunii de încărcare se oprește practic, deoarece aproape tot sulfatul de plumb a reacționat deja și toată energia furnizată bateriei este acum cheltuită doar pe proces lateral - descompunerea electrolitică a apei. Acest lucru explică și constanța tensiunii de încărcare, care servește ca unul dintre semnele sfârșitului procesului de încărcare.
După oprirea încărcării, adică deconectarea sursei externe, tensiunea la bornele bateriei scade brusc la valoarea EMF neechilibrat sau la valoarea pierderilor interne ohmice. Apoi, există o scădere treptată a EMF (datorită unei scăderi a densității electrolitului în porii masei active), care continuă până la concentrația electrolitului în volumul bateriei și în porii masei active este complet egalizat, ceea ce corespunde stabilirii unui CEM de echilibru.
Când bateria este descărcată, tensiunea la bornele sale este mai mică decât EMF cu valoarea căderii de tensiune internă.
La începutul descărcării, tensiunea bateriei scade brusc cu valoarea pierderilor ohmice și a polarizării datorită scăderii concentrației electrolitului în porii masei active, adică a polarizării concentrației. Mai mult, cu un proces de descărcare constant (staționar), densitatea electrolitului din volumul bateriei scade, provocând o scădere treptată a tensiunii de descărcare. În același timp, există o modificare a raportului conținutului de sulfat de plumb în masa activă, care determină, de asemenea, o creștere a pierderilor ohmice. În acest caz, particulele de sulfat de plumb (care are de aproximativ trei ori volumul în comparație cu particulele de plumb și dioxidul său, din care s-au format) închid porii masei active, ceea ce împiedică trecerea electrolitului în adâncimea electrozilor.
Acest lucru determină o creștere a polarizării concentrației, ducând la o scădere mai rapidă a tensiunii de descărcare.
Când descărcarea este terminată, tensiunea la bornele bateriei crește rapid cu cantitatea de pierderi ohmice, ajungând la valoarea CEM neechilibrat. O schimbare suplimentară a EMF datorită egalizării concentrației de electroliți în porii maselor active și a volumului bateriei duce la stabilirea treptată a valorii EMF de echilibru.
Tensiunea bateriei în timpul descărcării sale este determinată în principal de temperatura electrolitului și de puterea curentului de descărcare. După cum sa menționat mai sus, rezistența unei baterii cu plumb-acid (baterie) este neglijabilă și într-o stare încărcată este de doar câțiva miliohmi. Cu toate acestea, la curenții unei descărcări de pornire, a cărei rezistență este de 4-7 ori mai mare decât valoarea capacității nominale, căderea de tensiune internă are un efect semnificativ asupra tensiunii de descărcare. Creșterea pierderilor ohmice cu scăderea temperaturii este asociată cu o creștere a rezistenței electrolitului. În plus, vâscozitatea electrolitului crește brusc, ceea ce complică procesul de difuzie în porii masei active și crește polarizarea concentrației (adică crește pierderea de tensiune în interiorul bateriei datorită unei scăderi a concentrației electrolitului în porii electrozilor).
La un curent mai mare de 60 A, dependența tensiunii de descărcare de puterea curentului este practic liniară la toate temperaturile.
Valoarea medie a tensiunii bateriei în timpul încărcării și descărcării este determinată ca media aritmetică a valorilor tensiunii măsurate la intervale regulate.
Capacitatea bateriei
Capacitatea bateriei este cantitatea de energie electrică extrasă din baterie atunci când se descarcă la tensiunea sa finală setată. În calculele practice, capacitatea bateriei este de obicei exprimată în amperi-ore (Ah). Capacitatea de descărcare poate fi calculată prin înmulțirea curentului de descărcare cu durata de descărcare.
Capacitatea de descărcare pentru care este proiectată bateria și care este indicată de producător se numește capacitate nominală.
Pe lângă acesta, un indicator important este și capacitatea conferită bateriei la încărcare.
Capacitatea de descărcare depinde de o serie de parametri de proiectare și tehnologici ai bateriei, precum și de condițiile de funcționare a acesteia. Cei mai semnificativi parametri de proiectare sunt cantitatea de masă activă și electrolit, grosimea și dimensiunile geometrice ale electrozilor bateriei. Principalii parametri tehnologici care afectează capacitatea bateriei sunt formularea materialelor active și porozitatea acestora. Parametrii de funcționare - temperatura electrolitului și curentul de descărcare - au, de asemenea, un impact semnificativ asupra capacității de descărcare. Indicatorul generalizat care caracterizează eficiența bateriei este rata de utilizare a materialelor active.
Pentru a obține o capacitate de 1 Ah, așa cum s-a indicat mai sus, teoretic sunt necesare 4,463 g dioxid de plumb, 3,886 g plumb spongios și 3,66 g acid sulfuric. Consumul specific teoretic al maselor active ale electrozilor este de 8,32 g / Ah. În bateriile reale, consumul specific de materiale active la un mod de descărcare de 20 de ore și o temperatură a electrolitului de 25 ° C este de la 15,0 la 18,5 g / Ah, ceea ce corespunde unei rate de utilizare a maselor active de 45-55%. În consecință, consumul practic al masei active depășește valorile teoretice de 2 sau mai multe ori.
Următorii factori principali influențează gradul de utilizare a masei active și, în consecință, valoarea capacității de descărcare.
Porozitatea masei active. Odată cu creșterea porozității, condițiile pentru difuzia electrolitului în adâncimea masei active a electrodului se îmbunătățesc și crește suprafața reală pe care are loc reacția de formare a curentului. Cu o creștere a porozității, capacitatea de descărcare crește. Cantitatea de porozitate depinde de mărimea particulelor de pulbere de plumb și de formularea pentru prepararea maselor active, precum și de aditivii utilizați. Mai mult, o creștere a porozității duce la o scădere a durabilității datorită accelerării procesului de distrugere a maselor active extrem de poroase. Prin urmare, valoarea porozității este aleasă de producători, ținând seama nu numai de caracteristicile capacitive ridicate, ci și de asigurarea durabilității necesare a bateriei în funcțiune. În prezent, porozitatea optimă este considerată a fi în intervalul de 46-60%, în funcție de scopul bateriei.
Grosimea electrozilor. Cu o scădere a grosimii, denivelarea încărcării straturilor exterioare și interioare ale masei active a electrodului scade, ceea ce contribuie la o creștere a capacității de descărcare. Pentru electrozi mai groși, straturile interioare ale masei active sunt utilizate foarte puțin, mai ales la descărcarea cu curenți mari. Prin urmare, odată cu creșterea curentului de descărcare, diferențele de capacitate ale bateriilor cu electrozi cu grosimi diferite scad brusc.
Porozitatea și raționalitatea proiectării materialului separatorului. Odată cu creșterea porozității separatorului și a înălțimii nervurilor sale, alimentarea cu electrolit în spațiul interelectrod crește și condițiile pentru difuzarea acestuia se îmbunătățesc.
Densitatea electrolitului. Afectează capacitatea bateriei și durata de viață a acesteia. Odată cu creșterea densității electrolitului, crește capacitatea electrozilor pozitivi, iar capacitatea celor negativi, în special la temperaturi negative, scade datorită accelerației pasivării suprafeței electrodului. Creșterea densității afectează negativ durata de viață a bateriei, accelerând procesele corozive ale electrodului pozitiv. Prin urmare, densitatea optimă a electroliților este stabilită pe baza combinației de cerințe și condiții în care este acționată bateria. De exemplu, pentru bateriile de pornire care funcționează într-un climat temperat, densitatea de lucru recomandată a electrolitului este de 1,26-1,28 g / cm3, iar pentru zonele cu un climat cald (tropical), 1,22-1,24 g / cm3.
Puterea curentului de descărcare cu care bateria trebuie descărcată continuu pentru un anumit timp (caracterizează modul de descărcare). Modurile de descărcare sunt împărțite în mod convențional în cele lungi și scurte. În modurile pe termen lung, descărcarea are loc cu curenți mici timp de câteva ore. De exemplu, cifre de 5, 10 și 20 de ore. Cu descărcări scurte sau de pornire, puterea curentă este de câteva ori capacitatea nominală a bateriei, iar descărcarea durează câteva minute sau secunde. Odată cu creșterea curentului de descărcare, rata de descărcare a straturilor de suprafață ale masei active crește într-o măsură mai mare decât cele adânci. Ca urmare, creșterea sulfatului de plumb în gurile porilor are loc mai repede decât în profunzime, iar porii sunt înfundați cu sulfat înainte ca suprafața sa interioară să aibă timp să reacționeze. Datorită încetării difuziei electrolitului în por, reacția din acesta se oprește. Astfel, cu cât curentul de descărcare este mai mare, cu atât este mai mică capacitatea bateriei și, în consecință, factorul de utilizare a masei active.
Pentru a evalua calitățile de pornire ale bateriilor, capacitatea lor este, de asemenea, caracterizată de numărul de descărcări intermitente ale demarorului (de exemplu, durata de 10-15 s cu intervale de 60 s între ele). Capacitatea dată de baterie în timpul descărcărilor intermitente depășește capacitatea în timpul descărcării continue cu același curent, în special în modul de descărcare a demarorului.
În prezent, în practica internațională de evaluare a caracteristicilor capacitive ale bateriilor de pornire, se utilizează conceptul de capacitate „de rezervă”. Caracterizează timpul de descărcare a bateriei (în minute) la un curent de descărcare de 25 A, indiferent de capacitatea nominală a bateriei. La discreția producătorului, este permisă setarea valorii capacității nominale pentru un mod de descărcare de 20 de ore în amperi-ore sau în funcție de capacitatea de rezervă în minute.
Temperatura electrolitului. Odată cu scăderea acestuia, capacitatea de descărcare a bateriilor scade. Motivul pentru aceasta este o creștere a vâscozității electrolitului și a rezistenței sale electrice, care încetinește rata de difuzie a electrolitului în porii masei active. În plus, cu o scădere a temperaturii, procesele de pasivare a electrodului negativ sunt accelerate.
Coeficientul de temperatură al capacității a arată schimbarea capacității în procente atunci când temperatura se schimbă cu 1 ° C.
În timpul testelor, capacitatea de descărcare obținută în modul de descărcare pe termen lung este comparată cu valoarea capacității nominale determinată la o temperatură a electroliților de +25 ° C.
Temperatura electrolitului la determinarea capacității într-un mod de descărcare pe termen lung în conformitate cu cerințele standardelor ar trebui să fie în intervalul de la +18 ° С la +27 ° С.
Parametrii descărcării demarorului sunt estimate de durata descărcării în minute și de tensiunea de la începutul descărcării. Acești parametri sunt determinați la primul ciclu la +25 ° C (verificați dacă există baterii încărcate uscat) și la ciclurile ulterioare la temperaturi de -18 ° C sau -30 ° C.
Gradul de încărcare. Odată cu creșterea stării de încărcare, toate celelalte lucruri fiind egale, capacitatea crește și atinge valoarea maximă atunci când bateriile sunt complet încărcate. Acest lucru se datorează faptului că, cu o încărcare incompletă, cantitatea de materiale active de pe ambii electrozi, precum și densitatea electrolitului, nu ating valorile maxime ale acestora.
Energia și puterea bateriei
Energia bateriei W este exprimată în wați-oră și este determinată de produsul capacității sale de descărcare (încărcare) de tensiunea medie de descărcare (încărcare).
Deoarece, odată cu modificarea modului de temperatură și descărcare, capacitatea bateriei și tensiunea de descărcare se schimbă, cu o scădere a temperaturii și o creștere a curentului de descărcare, energia bateriei scade chiar mai semnificativ decât capacitatea sa.
Atunci când compară sursele de curent chimic care diferă în ceea ce privește capacitatea, proiectarea și chiar în sistemul electrochimic, precum și în determinarea direcțiilor de îmbunătățire a acestora, aceștia utilizează indicatorul specific de energie - energia pe unitate de masă a bateriei sau volumul acesteia. Pentru bateriile moderne de plumb fără acid care nu necesită întreținere, energia specifică la o rată de descărcare de 20 de ore este de 40-47 Wh / kg.
Cantitatea de energie emanată de baterie pe unitate de timp se numește puterea sa. Poate fi definit ca produsul valorii curentului de descărcare și a tensiunii medii de descărcare.
Auto-descărcare a bateriei
Autodescărcarea se numește scăderea capacității bateriilor cu un circuit extern deschis, adică cu inactivitate. Acest fenomen este cauzat de procesele redox care apar spontan atât pe electrozii negativi, cât și pe cei pozitivi.
Electrodul negativ este deosebit de susceptibil la autodescărcare datorită dizolvării spontane a plumbului (masă activă negativă) într-o soluție de acid sulfuric.
Autodescărcarea electrodului negativ este însoțită de evoluția hidrogenului gazos. Rata de dizolvare spontană a plumbului crește semnificativ odată cu creșterea concentrației de electroliți. O creștere a densității electrolitului de la 1,27 la 1,32 g / cm3 duce la o creștere a ratei de autodescărcare a electrodului negativ cu 40%.
Prezența impurităților diferitelor metale pe suprafața electrodului negativ are un efect (catalitic) foarte semnificativ asupra creșterii ratei de autodizolvare a plumbului (datorită scăderii supratensiunii de evoluție a hidrogenului). Aproape toate metalele găsite sub formă de impurități în materiile prime ale bateriilor, electroliți și separatoare, sau introduse sub formă de aditivi speciali, contribuie la creșterea autodescărcării. Odată ajuns pe suprafața electrodului negativ, acestea facilitează condițiile pentru evoluția hidrogenului.
Unele dintre impurități (sărurile metalelor cu valență variabilă) acționează ca purtători de sarcini de la un electrod la altul. În acest caz, ionii metalici sunt reduși pe electrodul negativ și oxidați pe cel pozitiv (un astfel de mecanism de auto-descărcare este atribuit ionilor de fier).
Auto-descărcarea materialului activ pozitiv se datorează reacției.
2PbO2 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + О2 T.
Viteza acestei reacții crește, de asemenea, odată cu creșterea concentrației de electroliți.
Deoarece reacția continuă cu evoluția oxigenului, viteza sa este determinată în mare măsură de supratensiunea oxigenului. Prin urmare, aditivii care reduc potențialul de evoluție a oxigenului (de exemplu, antimoniu, cobalt, argint) vor crește rata reacției de auto-dizolvare a dioxidului de plumb. Rata de auto-descărcare a materialului activ pozitiv este de câteva ori mai mică decât rata de auto-descărcare a materialului activ negativ.
Un alt motiv pentru auto-descărcarea electrodului pozitiv este diferența de potențial dintre materialul colectorului de curent și masa activă a acestui electrod. Microelementul galvanic rezultat din această diferență de potențial transformă plumbul colectorului de curent și dioxidul de plumb al masei active pozitive în sulfat de plumb atunci când curge curentul.
Auto-descărcarea poate apărea și atunci când exteriorul bateriei este murdar sau inundat cu electrolit, apă sau alte lichide, care creează posibilitatea descărcării printr-o peliculă conductivă electric situată între bornele polului bateriei sau jumperii acesteia. Acest tip de auto-descărcare nu diferă de descărcarea obișnuită cu curenți foarte mici cu un circuit extern închis și este ușor eliminat. Pentru aceasta, păstrați suprafața bateriilor curată.
Auto-descărcarea bateriilor este foarte dependentă de temperatura electrolitului. Auto-descărcarea scade odată cu scăderea temperaturii. La temperaturi sub 0 ° C, se oprește practic cu baterii noi. Prin urmare, depozitarea bateriilor este recomandată în stare încărcată la temperaturi scăzute (până la -30 ° C).
În timpul funcționării, descărcarea automată nu rămâne constantă și crește brusc spre sfârșitul duratei de viață.
O scădere a autodescărcării este posibilă datorită creșterii supratensiunii oxigenului și a evoluției hidrogenului pe electrozii bateriei.
Pentru aceasta, este necesar, în primul rând, să se utilizeze cele mai pure materiale posibile pentru producerea bateriilor, să se reducă conținutul cantitativ al elementelor de aliere din aliajele bateriilor, să se utilizeze numai
acid sulfuric pur și apă distilată (sau aproape de acesta în puritate cu alte metode de purificare) apă pentru prepararea tuturor electroliților, atât în timpul producției, cât și în timpul funcționării. De exemplu, datorită scăderii conținutului de antimoniu din aliajul robinetelor curente de la 5% la 2% și a utilizării apei distilate pentru toți electroliții tehnologici, autodescărcarea zilnică medie este redusă de 4 ori. Înlocuirea antimoniului cu calciu poate reduce și mai mult rata de auto-descărcare.
Adăugarea de substanțe organice - inhibitori de auto-descărcare - poate contribui, de asemenea, la o scădere a auto-descărcării.
Utilizarea unui capac comun și a conexiunilor ascunse între elemente reduce semnificativ rata de auto-descărcare de la curenții de scurgere, deoarece probabilitatea de cuplare galvanică între bornele polului îndepărtat este redusă semnificativ.
Uneori, auto-descărcarea se referă la pierderea rapidă a capacității din cauza unui scurtcircuit în interiorul bateriei. Acest fenomen se explică printr-o descărcare directă prin punți conductoare formate între electrozi opuși.
Aplicarea separatoarelor de plicuri în baterii care nu necesită întreținere
elimină posibilitatea scurtcircuitelor între electrozi opuși în timpul funcționării. Cu toate acestea, această posibilitate rămâne din cauza posibilelor defecțiuni ale echipamentelor în timpul producției în serie. De obicei, un astfel de defect este detectat în primele luni de funcționare și bateria trebuie înlocuită în garanție.
De obicei, rata de auto-descărcare este exprimată ca procent din pierderea de capacitate pe o perioadă de timp specificată.
Auto-descărcarea se caracterizează și prin standardele actuale prin tensiunea descărcării starterului la -18 ° C după test: inactivitate timp de 21 de zile la o temperatură de +40 ° C.
Baterie EMF (forță electromotivă) aceasta este diferența de potențial a electrodului în absența unui circuit extern. Potențialul electrodului este suma potențialului electrodului de echilibru. Caracterizează starea electrodului în repaus, adică absența proceselor electrochimice și potențialul de polarizare, care este definit ca diferența de potențial a electrodului în timpul încărcării (descărcării) și în absența unui circuit.
Procesul de difuzie.
Datorită procesului de difuzie, egalizarea densității electrolitului în cavitatea corpului bateriei și în porii masei active a plăcilor, polarizarea electrodului poate fi menținută în baterie atunci când circuitul extern este deconectat.
Viteza de difuzie depinde în mod direct de temperatura electrolitului; cu cât temperatura este mai mare, cu atât procesul are loc mai rapid și poate varia foarte mult în timp, de la două ore la zi. Prezența a două componente ale potențialului electrodului în timpul modurilor tranzitorii a condus la divizarea în echilibru și neechilibru Baterie EMF.
Pe echilibru Baterie EMF influențează conținutul și concentrația ionilor de substanțe active din electrolit, precum și proprietățile chimice și fizice ale substanțelor active. Rolul principal în amploarea CEM este jucat de densitatea electrolitului, iar temperatura practic nu îl afectează. Dependența CEM de densitate poate fi exprimată prin formula:
Unde E este CEM al bateriei (V)
P este densitatea electrolitului redusă la o temperatură de 25 gr. C (g / cm3) Această formulă este adevărată atunci când densitatea de lucru a electrolitului este în intervalul 1,05 - 1,30 g / cm3. CEM nu poate caracteriza în mod direct gradul de rarefare a bateriei. Dar dacă îl măsurați la terminale și îl comparați cu cel calculat din punct de vedere al densității, atunci puteți, cu un grad de probabilitate, să judecați starea plăcilor și capacitatea.
În repaus, densitatea electrolitului în porii electrozilor și cavitatea monoblocului sunt aceleași și egale cu CEM în repaus. La conectarea consumatorilor sau a unei surse de încărcare, polarizarea plăcilor și concentrația electrolitului în porii electrozilor se schimbă. Acest lucru duce la o schimbare a CEM. La încărcare, valoarea EMF crește și, atunci când este descărcată, scade. Acest lucru se datorează unei modificări a densității electrolitului, care este implicată în procesele electrochimice.
FORTA ELECTROMOTOARE
Forța electromotivă (CEM) a bateriei (E 0) numită diferența potențialului său de electrod, măsurată cu un circuit extern deschis într-o stare staționară (echilibru), adică:
E 0 = φ 0 + + φ 0 - ,
Unde φ 0 + și φ 0 - respectiv - potențialele de echilibru ale electrozilor pozitivi și negativi cu un circuit extern deschis, V.
Baterie EMF, compus din n baterii conectate în serie:
E 0b = n × E 0.
Potențialul electrodului este în general definit ca diferența dintre potențialul unui electrod în timpul descărcării sau încărcării și potențialul său într-o stare de echilibru în absența curentului. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că starea bateriei imediat după oprirea curentului de încărcare sau descărcare nu este echilibrată, deoarece concentrația de electroliți din porii electrozilor și spațiul interelectrod nu este aceeași. Prin urmare, polarizarea electrodului rămâne în baterie o perioadă destul de lungă chiar și după oprirea curentului de încărcare sau descărcare. În acest caz, caracterizează deviația potențialului electrodului de la valoarea de echilibru j 0 datorită egalizării prin difuzie a concentrației de electroliți din baterie, din momentul deschiderii circuitului extern până la stabilirea unei stări staționare de echilibru.
φ = φ 0 ± ψ
Semnul „+” din această ecuație corespunde polarizării reziduale y după încheierea procesului de încărcare, semnul „-” - după încheierea procesului de descărcare.
Astfel, ar trebui să distingem CEM de echilibru (E 0) baterie și CEM fără echilibru, sau mai bine zis NRC ( U 0) a bateriei în timpul de la deschiderea circuitului până la stabilirea unei stări de echilibru (perioada procesului tranzitoriu):
E 0 = φ 0 + - φ 0 - = Δφ 0 (12)
U 0 = φ 0 + -φ 0 - ± (ψ + - ψ -) = Δφ 0 ± Δψ (13)
În aceste egalități:
Δφ 0 - diferența dintre potențialele de echilibru ale electrozilor, (V);
Δψ Este diferența de potențial a polarizării electrozilor, (V).
După cum se indică în secțiunea 3.1, valoarea CEM neechilibrat în absența curentului în circuitul extern se numește, în general, tensiunea circuitului deschis (OPV).
CEM sau NRC se măsoară cu un voltmetru de înaltă rezistență (rezistență internă de cel puțin 300 Ohm / V). Pentru a face acest lucru, un voltmetru este conectat la bornele bateriei sau bateriei. În acest caz, nu trebuie să curgă curent de încărcare sau descărcare prin acumulator (baterie).
Dacă comparăm ecuațiile (12 și 13), vom vedea că EMF de echilibru diferă de NRC prin diferența de potențial de polarizare.
Δψ = U 0 - E 0
Parametru Δψ va fi pozitiv după oprirea curentului de încărcare ( U 0> E 0) și negativ după oprirea curentului de descărcare ( U 0< Е 0 ). În primul moment după oprirea curentului de încărcare Δψ este de aproximativ 0,15-0,2 V pe baterie și după oprirea curentului de descărcare 0,2-0,25 V pe baterie, în funcție de modul de încărcare sau descărcare anterioară. Peste orar Δψ în valoare absolută, scade la zero pe măsură ce procesele tranzitorii din baterii se descompun, asociate în principal cu difuzia electrolitului în porii electrozilor și spațiul interelectrod.
Deoarece rata de difuzie este relativ scăzută, timpul de descompunere al proceselor tranzitorii poate fi de la câteva ore la două zile, în funcție de puterea curentului de descărcare (încărcare) și de temperatura electrolitului. Mai mult, o scădere a temperaturii afectează rata de descompunere a procesului tranzitoriu mult mai puternic, deoarece cu o scădere a temperaturii sub zero grade (Celsius), rata de difuzie scade de mai multe ori.
CEM de echilibru al unui acumulator de plumb ( E 0), ca orice sursă de curent chimic, depinde de proprietățile chimice și fizice ale substanțelor care participă la procesul de formare a curentului și nu depinde deloc de mărimea și forma electrozilor, precum și de cantitatea de mase active și electrolit. În același timp, într-o baterie plumb-acid, electrolitul este direct implicat în procesul de formare a curentului pe electrozii bateriei și își modifică densitatea în funcție de starea de încărcare a bateriilor. Prin urmare, EMF de echilibru, care, la rândul său, este o funcție a densității electrolitului, va fi, de asemenea, o funcție a stării de încărcare a bateriei.
Pentru a calcula NRC după densitatea măsurată a electrolitului, se folosește formula empirică
U 0 = 0,84 + d e
unde "d e" este densitatea electrolitului la o temperatură de 25 ° C în g / cm 3;
Atunci când nu este posibilă măsurarea densității electrolitului în baterii (de exemplu, în baterii deschise VL fără prize sau în baterii VRLA închise), starea de încărcare poate fi judecată după valoarea NRC în repaus, adică nu mai devreme decât după 5-6 ore după oprirea curentului de încărcare (oprirea motorului mașinii). Valoarea LRC pentru bateriile care au un nivel de electroliți care îndeplinește cerințele din manualul de utilizare, cu diferite grade de încărcare la temperaturi diferite, este dată în tabel. 1
tabelul 1
Schimbarea EMF a bateriei de la temperatură este foarte nesemnificativă (mai mică de 3 · 10 -4 V / deg) și în timpul funcționării bateriilor de stocare poate fi neglijată.
REZISTENȚĂ INTERNĂ
Rezistența oferită de baterie la curentul care curge în interiorul acesteia (încărcare sau descărcare) este de obicei numită rezistență internă baterie.
Forta electromotoare
Forța electromotivă (CEM) a bateriei E este diferența dintre potențialele electrodului său, măsurate cu un circuit extern deschis.
CEM al unei baterii formate din n baterii conectate în serie.
Este necesar să se facă distincția între CEM de echilibru al bateriei și CEM de neechilibru al bateriei în timpul de la deschiderea circuitului până la stabilirea unei stări de echilibru (perioada procesului tranzitoriu). CEM se măsoară cu un voltmetru de înaltă rezistență (rezistență internă de cel puțin 300 Ohm / V). Pentru a face acest lucru, un voltmetru este conectat la bornele bateriei sau bateriei. În acest caz, nu trebuie să curgă curent de încărcare sau descărcare prin acumulator (baterie).
CEM de echilibru al unui acumulator de plumb, ca orice sursă de curent chimic, depinde de proprietățile chimice și fizice ale substanțelor care participă la procesul de formare a curentului și nu depinde deloc de mărimea și forma electrozilor, precum și de asupra cantității de mase active și electrolit. În același timp, într-o baterie plumb-acid, electrolitul este direct implicat în procesul de formare a curentului pe electrozii bateriei și își modifică densitatea în funcție de starea de încărcare a bateriilor. Prin urmare, CEM de echilibru, care la rândul său este o funcție a densității
Schimbarea EMF a bateriei de la temperatură este foarte mică și poate fi neglijată în timpul funcționării.
Tensiunea de încărcare și descărcare
Diferența de potențial la bornele polului bateriei (bateriei) în procesul de încărcare sau descărcare în prezența curentului în circuitul extern se numește de obicei tensiunea bateriei (baterie). Prezența rezistenței interne a bateriei duce la faptul că tensiunea acesteia în timpul descărcării este întotdeauna mai mică decât EMF, iar în timpul încărcării este întotdeauna mai mare decât EMF.
La încărcarea bateriei, tensiunea la bornele sale trebuie să fie mai mare decât EMF, cu numărul de pierderi interne. La începutul încărcării, un salt de tensiune are loc prin cantitatea de pierderi ohmice din interiorul bateriei și apoi o creștere bruscă a tensiunii datorită potențialului de polarizare, cauzată în principal de o creștere rapidă a densității electrolitului în porii din masa activă. Mai mult, are loc o creștere lentă a tensiunii, în principal datorită creșterii CEM a bateriei datorită creșterii densității electrolitului.
După ce cantitatea principală de sulfat de plumb este convertită în PbO2 și Pb, consumul de energie determină din ce în ce mai mult descompunerea apei (electroliză) .Excesul de ioni de hidrogen și oxigen care apar în electrolit crește și mai mult diferența de potențial între electrozii opuși. Acest lucru duce la o creștere rapidă a tensiunii de încărcare, ceea ce accelerează descompunerea apei. Ionii de hidrogen și oxigen rezultați nu interacționează cu materialele active. Se recombină în molecule neutre și sunt eliberate din electrolit sub formă de bule de gaz (oxigenul este eliberat pe electrodul pozitiv, hidrogen pe cel negativ), determinând electrolitul să „fiarbă”.
Dacă continuați procesul de încărcare, puteți vedea că creșterea densității electrolitului și a tensiunii de încărcare se oprește practic, deoarece aproape tot sulfatul de plumb a reacționat deja și toată energia furnizată bateriei este acum cheltuită doar pe proces lateral - descompunerea electrolitică a apei. Acest lucru explică și constanța tensiunii de încărcare, care servește ca unul dintre semnele sfârșitului procesului de încărcare.
După oprirea încărcării, adică deconectarea sursei externe, tensiunea la bornele bateriei scade brusc la valoarea EMF neechilibrat sau la valoarea pierderilor interne ohmice. Apoi, există o scădere treptată a EMF (datorită unei scăderi a densității electrolitului în porii masei active), care continuă până la concentrația electrolitului în volumul bateriei și în porii masei active este complet egalizat, ceea ce corespunde stabilirii unui CEM de echilibru.
Când bateria este descărcată, tensiunea la bornele sale este mai mică decât EMF cu valoarea căderii de tensiune internă.
La începutul descărcării, tensiunea bateriei scade brusc cu valoarea pierderilor ohmice și a polarizării datorită scăderii concentrației electrolitului în porii masei active, adică a polarizării concentrației. Mai mult, cu un proces de descărcare constant (staționar), densitatea electrolitului din volumul bateriei scade, provocând o scădere treptată a tensiunii de descărcare. În același timp, există o modificare a raportului conținutului de sulfat de plumb în masa activă, care determină, de asemenea, o creștere a pierderilor ohmice. În acest caz, particulele de sulfat de plumb (care are de aproximativ trei ori volumul în comparație cu particulele de plumb și dioxidul său, din care s-au format) închid porii masei active, ceea ce împiedică trecerea electrolitului în adâncimea electrozilor. Acest lucru determină o creștere a polarizării concentrației, ducând la o scădere mai rapidă a tensiunii de descărcare.
Când descărcarea este terminată, tensiunea la bornele bateriei crește rapid cu cantitatea de pierderi ohmice, ajungând la valoarea CEM neechilibrat. O schimbare suplimentară a EMF datorită egalizării concentrației de electroliți în porii maselor active și a volumului bateriei duce la stabilirea treptată a valorii EMF de echilibru.
Tensiunea bateriei în timpul descărcării sale este determinată în principal de temperatura electrolitului și de puterea curentului de descărcare. După cum sa menționat mai sus, rezistența unei baterii cu plumb-acid (baterie) este neglijabilă și într-o stare încărcată este de doar câțiva miliohmi. Cu toate acestea, la curenții unei descărcări de pornire, a cărei rezistență este de 4-7 ori mai mare decât valoarea capacității nominale, căderea de tensiune internă are un efect semnificativ asupra tensiunii de descărcare. Creșterea pierderilor ohmice cu scăderea temperaturii este asociată cu o creștere a rezistenței electrolitului. În plus, vâscozitatea electrolitului crește brusc, ceea ce complică procesul de difuzie în porii masei active și crește polarizarea concentrației (adică crește pierderea de tensiune în interiorul bateriei datorită unei scăderi a concentrației electrolitului în porii electrozilor). La un curent mai mare de 60 A, dependența tensiunii de descărcare de puterea curentului este practic liniară la toate temperaturile.
Valoarea medie a tensiunii bateriei în timpul încărcării și descărcării este determinată ca medie aritmetică a valorilor tensiunii măsurate la intervale regulate.