Электрические характеристики

Э.д.с.

Э.д.с. свинцового аккумулятора зависит от плотности и в очень малой степени - от температуры электролита.

Значение э.д.с. при плотности электролита =1,285 г/см³ и температуре 15°С равно 2,125 В.

С повышением плотности электролита э.д.с. возрастает. Зависимость э.д.с. от плотности серной кислоты (γ=1.06-1.3 г/см³) может быть с достаточным приближением выражена уравнением Е=0.84+γ. Температурный коэффициент кислотного аккумулятора весьма мал, его максимальное значение не превышает 0,4 мВ/° С.

При разряде аккумулятора плотность электролита и э.д.с. уменьшаются. Когда э.д.с. достигает 1.82-1,85 В, аккумулятор считается разряженным.

Однако по э.д.с. нельзя точно судить о степени разреженности аккумулятора, так как э.д.с. разряженного аккумулятора с большей плотностью электролита может быть выше, чем э.д.с. заряженного аккумулятора с меньшей плотностью электролита.

Полное внутренне сопротивление.

Большую часть этого сопротивления составляет сопротивление раствора электролита как в самом аккумуляторе, так и внутри пор активной массы.

Сопротивление электролита зависит от его плотности и температуры (риc.1. 3.). Удельное сопротивление веществ, из которых выполнены другие части аккумулятора, по сравнению с удельным сопротивлением электролита невелико: для губчатого свинца оно равно 0.00018 Ом-см, а для перекиси свинца равна 0,25 Ом*см.

Рис. 1.3 Зависимость удельного сопротивления р и температурного коэффициента сопротивления α электролита от плотности γ.

В процессе разряда и заряда удельное сопротивление электролита и активной массы изменяется, вследствие чего изменяется и полное внутреннее сопротивление аккумулятора Сопротивление аккумулятора уменьшается во время заряда и увеличивается при разряде.

Это происходит потому, что во время разряда аккумулятора сопротивление пластин из-за образования на них сульфата свинца, плохо проводящего ток, и сопротивление электролита при понижении плотности возрастают.

При разряде большими токами, когда плотность электролита в порах и вблизи пластин вследствие малой скорости диффузии уменьшается сильнее, внутреннее сопротивление аккумулятора резко увеличивается.

При прекращении разряда сопротивление аккумулятора начинает постепенно уменьшаться, как концентрация электролита в порах пластин выравнивается.

При заряде аккумулятора внутреннее сопротивление уменьшается. Однако в конце заряда, когда наступает интенсивное газовыделение, сопротивление аккумулятора начинает возрастать, так как пузырьки газа заполняют часть пор сепаратора и активного вещества и уменьшают его проводимость. После выключения аккумулятора пузырьки газа поднимаются на поверхность и внутреннее сопротивление уменьшается.

Внутреннее сопротивление кислотных авиационных аккумуляторов весьма мало и составляет тысячные доли Ома. Это ценное свойство позволяет получать от аккумуляторов большие токи при сравнительно малых потерях внутри аккумулятора.

Внутреннее сопротивление аккумулятора будет тем меньше, чем больше площадь пластин и число их включенных параллельно, и чем меньше стояние между ними.

Напряжение.

При включении аккумулятора на заряд в первый момент (участок I, рис 1.4.), резко возрастает напряжение на зажимах аккумулятора, компенсирующее падение напряжения на его внутреннем сопротивлении.

Рис 1.4 Изменение напряжения свинцового аккумулятора при заряде и разряде.

Кроме того, это повышение объясняется тем, что в результате химической реакции вблизи пластин образуется серная кислота, плотность электролита повышается, увеличивается э.д.с, а следовательно, и напряжение.

Напряжение на участке I будет расти до тех пор, пока не установится равновесие между процессами образования кислоты у пластин и перемешивания ее в результате диффузии с более слабым раствором в сосуде аккумулятора.

Дальнейшее более медленное повышение кривой напряжения (участок II) при заряде связано с ростом плотности электролита, а следовательно, и э.д.с.

В конце заряда, когда почти вся активная масса пластин окажется восстановленной (напряжение на элементе 2.35—2,4 В) энергия, подводимая к аккумулятору от зарядного устройства, расходуется сначала частично, а затем и полностью на электролиз воды, который сопровождается бурным выделением пузырьков газа.

Так как внутреннее сопротивление аккумулятора при газовыделении вследствие обволакивания поверхности пластин пузырьками газа увеличится, то напряжение на участке III резко возрастет. На этом участке наблюдается также более быстрое увеличение э.д.с, так как к концу заряда процесс активных веществ проникает в глубь пластин, процесс диффузии затрудняется, и плотность электролита в порах повышается в большой степени. Далее рост напряжения прекращается, так как процесс заряда здесь заканчивается, а процесс электролиза воды стабилизируется.

Таким образом, окончание заряда аккумулятора определяется по постоянству напряжения и плотности электролита в течение определенного времени обычно 2 ч).

Напряжение на элементе в конце заряда должно быть 2,55-2,65 В.

После прекращения заряда выравнивается плотность электролита в порах пластин и в сосуде, э.д.с. снижается до 2.13 - 2.18 В. на элементе или 25,5—26 В. на батарее (участок IV).

При включении аккумулятора на разряд в порах пластин и в результате химической реакции плотность электролита уменьшается, так как свежий электролит не успевает проникнуть из междуэлектродного пространства в глубь пластин. Поэтому на участке IV наблюдается резкое снижение э.д.с., а следовательно, и напряжения аккумулятора.

В дальнейшем происходит интенсивное перемешивание электролита, в результате чего понижение его плотности у поверхности пластин и в порах замедляется, стремясь к равновесному состоянию э.д.с. и напряжение на участке V понижаются более плавно, чем на участке IV.

По мере приближения разряда к концу сечения пор в активном веществе пластин уменьшаются, вследствие образования сульфата конца выравнивание плотности электролита затрудняется. В порах пластин плотность электролита будет отличаться от плотности электролита в сосуде.

Поэтому э.д.с. и напряжение будут понижаться все в большей степени (участок IV). Когда поры станут настолько малы, что проникновение электролита внутрь пластин окажется почти невозможным, дальнейший разряд аккумулятора будет вызывать порчу пластин.

Разряд аккумулятора следует вести до определенного предела, обусловленного минимальным допустимым напряжением разряда (так вызываемым конечным напряжением разряда). При разряде аккумулятора нормальным током конечное напряжение на элементе составляет 1,7 В.

Увеличение тока разряда ведет к ускорению электрохимических процессе кривые разряда располагаются ниже. Так как при кратковременных режимах разряда в реакцию вступают только верхние слои активных веществ, то разряд можно проводить до меньшего значения конечного напряжения.

Температура электролита оказывает существенное влияние на напряжение во время заряда и разряда аккумулятора.

При понижении температуры вязкость электролита возрастает и, следовательно, выравнивание плотности электролита замедляется, внутреннее сопротивление аккумулятора также возрастает, вызывая увеличение падения напряжения при прохождении тока.

В результате этого напряжение на зажимах аккумулятора для одного и того же разрядного тока при пониженной температуре несколько меньше и падает быстрее, чем при более высокой температуре (рис. 1 5).

Рис. 1.5. Зависимость напряжения свинцового аккумулятора при разрядах от температуры

Разрядная емкость

Емкость аккумулятора зависит от количества активных веществ, коэффициента их использования и температуры электролита.

На коэффициент использования активных веществ существенное влияние оказывают толщина и площадь пластин, их пористость и режим разряда аккумулятора.

При одинаковом количестве активных веществ аккумулятор с тонкими пластинами имеет большую разрядную емкость, чем с толстыми, так как при тонких пластинах кислота легче проникает в поры активных масс, а также непосредственно омывает большее количество активных веществ, что обеспечивает лучшее их использование.

По той же причине чем пористее активное вещество, тем большую емкость можно от него получить.

При разряде аккумулятора токами, значительно превышающими номинальный, вследствие отставания процесса диффузии от процесса разряда используются главным образом активные вещества поверхностного слоя пластин. Образующийся сульфат свинца на поверхности препятствует проникновению электролита в поры пластин.

Количество активного вещества, используемого в процессе разряда, уменьшается, а, следовательно, уменьшается разрядная емкость.

В авиационных аккумуляторах используют только тонкие пластины с большой общей площадью поверхности в одном элементе.

В аккумуляторах серии А. толщина пластин составляет 2—3 мм, а в аккумулятора серии САМ 1 -1,2 мм. Это позволяет увеличить коэффициент использования активных веществ.

Зависимость разрядной емкости Q_p от разрядного тока I_р (рис. 1.6), можно определить по эмпирической формуле Пейкерта:

где Q_н, I_n - номинальные значения разрядной емкости и тока разряда; n = 1,2-1,4.

Рис. 1.6 Зависимость разрядной емкости свинцового аккумулятора от разрядного тока

За номинальную емкость авиационных кислотных аккумуляторов принимают емкость при 10-часовом режиме разряда до напряжения на зажимах элемента 1Л В при начальной плотности электролита 1.285 г/см³ при температуре - 20°С.

Влияние температуры электролита на емкость аккумулятора велико: с понижением температуры вязкость электролита увеличивается, диффузия его ухудшается и коэффициент использования активного материала снижается удельное сопротивление электролита возрастает.

Это приводит к тому, что у аккумулятора, разряженного при низкой температуре, быстрее достигается минимальное допустимое напряжение и, следовательно, его емкость уменьшается.

Особенно сильно сказывается понижение температуры при разряде аккумулятора токами. Так, например, аккумуляторная батарея 12САМ-28 при температуре - 20°С обеспечивает четыре запуска авиадвигателя, при температуре -5 С – два запуска, а при температуре -15°С только один запуск.

Изменение емкости аккумулятора в зависимости от температуры электролита учитывается так называемым температурным коэффициентом емкости, характеризующим изменение емкости аккумулятора, при изменении температуры на 1°С.

Температурный коэффициент емкости увеличивается с ростом разрядного тока и с понижением температуры электролита.

Емкость аккумулятора при различных температурах υ определяется по формуле:

Q_υ= Q₂₅[1+α_υ(υ-25)]

Где Q₂₅ –емкость при температуре 25°С;

α_υ- температурный коэффициент емкости.

Учитывая столь большое влияние температуры на емкость, аккумуляторные батареи на ЛА устанавливаю в утепленных контейнерах. Бортовые аккумуляторные батареи целесообразно эксплуатировать, при температуре не ниже 5°С, так как при более низких температурах их емкость значительно уменьшается.

При продолжительных полета на большой высоте контейнеры не дают желаемого эффекта, поэтому аккумуляторы приходится обогревать. Следует отметить, что на разрядную емкость некоторое влияние оказывает также плотность электролита, с повышением ее емкость аккумулятора увеличивается.

Однако выбор плотности электролита 1,285 г/см³ обусловлен главным образом требованиями, связанными работой аккумулятора при низких температурах, сроком службы и саморазрядом, а не получением максимальной емкости. Отдача аккумуляторов зависит от полноты заряда, температуры электролита, при которой производится заряд и разряд, и от режима разряда.

Для свинцовых аккумуляторов коэффициенты отдачи по емкости и энергии равны υ=85-0,9; η_w=0,65-0,75.

Саморазряд аккумулятора

Определяется природными свойствами активных веществ. Причины его следующие:

1. неодинаковая плотность электролита по высоте пластин (внизу электролит более плотный, чем вверху), в результате чего нижние части пластин имеют больший потенциал, чем верхние, и между ними протекают уравнительные токи;

2. электрохимические процессы, происходящие между электролитом активной массой положительных и особенно отрицательных пластин;

3. самопроизвольное восстановление двуокиси свинца в сульфат свинца (для положительных пластин) и реакция саморастворения свинца (для отрицательных).

Органические примеси и примеси других кислот в электролите вызывают увеличение саморазряда, поэтому для. заливки аккумулятора используется только серная кислота (ГОСТ 667-53). а для приготовления электролита - только дистиллированная вода.

Саморазряд свинцовых аккумуляторов считается нормальным, если он не превышает 1% в сутки пли 30 % в месяц- считывая это, аккумуляторы необходимо периодически подзаряжать, если они длительное, время находятся в бездействии.

В противном случае пластины аккумулятора могут засульфитироваться, т. е. произойдет практически необратимый переход мелкозернистого сульфата свинца в крупнозернистый («необратимая сульфитация») и аккумулятор выйдет из строя.

Сохранность, срок службы.

Допустимый срок хранения свинцовых аккумуляторов в сухом виде не превышает 3 лет. Это объясняется окислением оставшегося металлического свинца в активной массе отрицательного электрода и решеток обеих полярностей кислородом воздуха.

В присутствии следов кислоты, воды и углекислого газа на поверхности электродов образуется продукт взаимодействия окисла свинца с этими веществами в виде белой массы, которая может прилипать к сепараторам.

Это способствует тому, что аккумулятор после длительного хранения в сухом виде практически выходит из строя.

Поэтому свежеизготовленные свинцовые аккумуляторы следует хранить в сухом закрытом помещении при температуре воздуха 5-30°С с плотно завернутыми глухими пробками.

Свинцовые аккумуляторы, уже бывшие в эксплуатации, можно хранить как без электролита, так и с электролитом. Без электролита их хранят только в заряженном состоянии, однако по причинам, изложенным выше, срок хранения таком виде не должен превышать трех месяцев.

Аккумуляторы с электролитом можно хранить только в заряженном состоянии во избежание вредной сульфитации. Для восстановления емкости утраченной в процессе саморазряда, аккумулятор не реже 1 раза в месяц подзаряжают.

При работе аккумуляторной батареи происходит старение, а также выпадение активного вещества из пластин. При этом емкость аккумулятора с течением времени уменьшается.

Для аэродромных аккумуляторных батарей срок службы соответствует двум годам непрерывной эксплуатации, или батарей 12AO-50 — 50 циклам, 12АО-52 — 70 циклам и для 12АСА-145 — 75 циклам.

Срок службы бортовых аккумуляторных батарей составляет: для 12А-30 и 12САМ-28 — 2 года, для 12САМ-55 — 1,5 года и для 12АСАМ-23 — 1 год.

К истечению срока службы емкость аккумуляторных батарей снижается до 75%. и расчетах надежности интенсивность отказов свинцовых аккумуляторных гарей λ=(2,8 — 21,4)*10^-6 1/ч.