Электрические характеристики кислотных аккумуляторов

§44. Электрические характеристики аккумуляторов

За номинальную емкость для большинства кислотных аккумуляторов принимают емкость при десятичасовом режиме, а для большинства щелочных аккумуляторов — емкость при пятичасовом режиме, т. е. при разряде аккумулятора таким током, при котором он разряжается до номинального допустимого конечного напряжения (1,7—1,8 В для кислотных аккумуляторов и 1,0 В для щелочных) в течение соответственно 10 и 5 ч.

При увеличении разрядного тока емкость аккумулятора понижается. Например, аккумуляторы ТН-450 при номинальном разрядном токе 45 А разряжаются до напряжения 1,8 В за 10 ч, т. е. емкость их составляет 45 А*10 ч = 450 А*ч. Если разряжать такой аккумулятор током 68 А, то он разрядится до напряжения 1,8 В за 5ч и емкость его составит 68А * 5 ч = 340 А*ч.

При понижении температуры емкость аккумулятора уменьшается, так как понижается способность электролита проникать в поры пластин. С приближением температуры электролита к температуре замерзания минус 40—45 °С напряжение и емкость аккумулятора падают почти до нуля. При повышении температуры емкость аккумулятора увеличивается, однако при достижении 40— 50 °С усиливается саморазряд в аккумуляторах и сокращается срок их службы. В процессе эксплуатации аккумулятора при многократных зарядах и разрядах поры пластин постепенно закрываются, активная масса частично отпадает от пластин. Это приводит к снижению емкости аккумулятора.

Экономичность работы аккумулятора характеризуется его к. п. д. и коэффициентом отдачи по емкости. К. п. д. аккумулятора называется отношение количества энергии в киловатт-часах, полученной от него при разряде, к количеству энергии, затраченной при заряде. Для кислотных аккумуляторов к. п. д. равен 65—75%, для щелочных 47—50 %. Коэффициентом отдачи аккумулятора по емкости называется отношение количества электричества в ампер-часах, отданного при разряде аккумулятора, к количеству электричества, полученному при заряде. Значение его для кислотных аккумуляторов составляет 85—90 %, для щелочных — 65—70 %, поэтому экономичность работы щелочных аккумуляторов меньше, чем кислотных.

Источник

Электрические характеристики свинцовых аккумуляторов

К основным электрическим характеристикам свинцовых аккумуляторов относятся электродвижущая сила, напряжение, емкость, внутреннее сопротивление, отдача и саморазряд.

Э. д. с. и напряжение. Активные вещества положительных и отрицательных пластин свинцового аккумулятора обладают определенными потенциалами относительно электролита. Большим потенциалом обладает двуокись свинца РЬ0₂, меньшим — губчатый свинец РЬ. В результате возникает разность потенциалов между разноименными полюсами аккумулятора. Эта разность потенциалов при отключенной нагрузке равна э. д. с. аккумулятора. Потенциалы электродов, а значит, и э. д. с. аккумулятора не зависят от количества активных веществ на пластинах. Э. д. с. свинцового аккумулятора главным образом зависит от плотности его электролита: Е = 0,85 + й, где й — плотность электролита в порах активной массы пластин.

У разряженного стационарного аккумулятора й = 1,17 г/см 3 , Е = 0,85 + 1,17 = 2,02 В, у заряженного й = 1,21 г/см 3 , Е = = 0,85 + 1,21 = 2,06 В, т. е. при разряде и заряде э. д. с. свинцового аккумулятора изменяется относительно мало. Поэтому по значению э. д. с. нельзя определить степень разряженности свинцового аккумулятора.

Напряжение аккумулятора при заряде (У₃ = Е + 1₃ г₀, при разряде 1/_р = Е — 1_рг₀, где 1₃, 1_р — соответственно токи заряда и разряда; г₀ — внутреннее сопротивление аккумулятора.

Кривая изменения напряжения свинцового аккумулятора при его заряде током постоянного значения представлена на рис. 213, а. На первом этапе заряда, когда восстанавливаются поверхностные слои активных масс, напряжение аккумулятора увеличивается быстро (до 2,12 В), а затем медленнее (до 2,3 В).

На втором этапе заряда, когда восстанавливаются внутренние слои активных масс, напряжение аккумулятора быстро увеличивается с 2,3 до 2,7 В, после чего заряд прекращают.

Внутренние слои активных масс не соприкасаются с внешним электролитом, что затрудняет их восстановление. Поэтому при напряжении 2,3 В целесообразно уменьшить зарядный ток. Если этого не сделать, то ток, поступающий в аккумулятор, будет использоваться не полностью. Значительная часть этого тока будет разлагать воду электролита на кислород и водород, начнется газовыделение и пластины начнут портиться.

Рис. 213. Кривые изменения напряжения свинцового аккумулятора

При разряде активные массы аккумулятора поглощают из электролита серную кислоту и превращаются в сернокислый свинец РЬ30₄. По мере разряда поверхность пластин покрывается сернокислым свинцом, затрудняющим проникание серной кислоты к внутренним слоям активных масс. В результате этого снижаются плотность электролита в порах пластин, э. д. с, и напряжение свинцового аккумулятора (рис. 213, б). Разряд аккумулятора обычно заканчивается при напряжении 1,8 В.

При дальнейшем разряде серная кислота почти не проникает к внутренним слоям активных масс, и напряжение аккумулятора быстро падает Кроме этого, глубокие разряды приводят к чрезмерной сульфатации пластин, к повреждению аккумуляторов.

Аккумуляторы можно разряжать токами разного значения. Увеличение разрядного тока приводит к более резкому снижению э. д. с. и напряжения свинцового аккумулятора, и наоборот, снижение разрядного тока позволяет получить от аккумулятора более стабильное напряжение почти на всем интервале времени разряда.

Номинальное напряжение свинцового аккумулятора принимают равным 2 В На напряжения свинцового аккумулятора влияет температура электролита При снижении температуры электролит в аккумуляторе становится более вязким, а его частицы — менее подвижными, Это ухудшает диффузию электролита и вызывает более крутой подъем и спад кривой напряжения.

Емкость. Различают разрядную и зарядную емкости аккумулятора. Разрядной емкостью называют количество электричества, отдаваемое им при разряде до установленного конечного напряжения, которое у стационарных свинцовых аккумуляторов равно 1,8 В при нормальном режиме разряда и 1,75 В — при ускоренном режиме разряда (0,25- 2 ч)

Разрядная емкость — 1_р?_р, где — время разряда.

Зарядную емкость аккумуляторы получают в процессе заряда от других источников электрической энергии.

Разрядная емкость свинцового аккумулятора зависит от числа и формы его активных пластин, режима заряда и разряда, температуры электролита С увеличением количества активных веществ РЬ0₂ и РЬ емкость аккумулятора увеличивается. Активные вещества долж ны быть равномерно распределены по всей поверхности пластин достаточно тонким слоем. При этом условии обеспечивается хороший доступ электролита ко всей массе активных веществ, достигается максимальная разрядная емкость.

При ускоренном заряде активные вещества восстанавливаются не полностью, в результате чего уменьшаются зарядная, а следовательно, и разрядная емкости, В условном обозначении аккумуляторных батарей и в приведенных электрических характеристиках для различных типов аккумуляторов указывают номинальную емкость. Она соответствует определенному разрядному режиму. Номинальную емкость стационарных свинцовых аккумуляторов определяют при 10-часовом разряде до напряжения 1,8 В при температуре электролита +25 °С.

Номинальная емкость стационарного аккумулятора типа С-1 36 А • ч. Этой емкости соответствует разрядный ток 1_р = 36/10 = = 3,6 А. Если изменить разрядный ток или температуру электролита, то изменится и емкость аккумулятора. При увеличении разрядного тока емкость аккумулятора уменьшается. Это объясняется тем, что при больших разрядных токах поверхностные слои активных масс быстро переходят в сернокислый свинец РЬ30₄, который ограничивает доступ электролита к внутренним слоям активных веществ, не позволяет отдать этим слоям накопленную энергию. В результате этого активные вещества пластин используются не полностью и аккумулятор разряжается до конечного напряжения преждевременно.

Степень использования активных масс аккумулятора характеризуется коэффициентом р₍, который показывает, какую часть номинальной емкости (в процентах) можно получить от аккумулятора при данном режиме разряда. Например, прк разряде током 9 А аккумулятор типа С-1 имеет емкость 27 А • ч, а коэффициент p_t — 27/36X = Ср/Сз — ^р/(^з ^з) •

где ф_р, 1р, 1р — соответственио емкость, ток и время разряда;

0з. 7з. *з — соответственно емкость, ток и время заряда.

Так как во время заряда некоторая часть электричества затрачивается на разложение воды и саморазряд, отдача аккумулятора по емкости меньше единицы. Для стационарных свинцовых аккумуляторов т)з = 0,84-1-0,9. Отношение электрической энергии, отданной

Разряд длительностью, ч

Тип аккумуляторов, для которого можно применять данный режим

Источник

Электрические характеристики кислотных аккумуляторов

Основными электрическими характеристиками аккумуляторов яв­ля­ются:

Электродвижущая сила (ЭДС). Величина электродви­жущей силы Е любого химического источника зависит от материала актив­ных веществ электродов и электролита, а также от плотности и темпе­ратуры электролита. Зависимость ЭДС кислотного аккумулятора от плотности электролита достаточно точно выражается эмпирической формулой:

Где d— плотность электролита при 15° С, которая в зависимости от степени раз­ряженности аккумулятора и условий его экс­плуатации может изменяться от 1,05 до 1,32 г/куб.см.

При изменении плотности электролита в этих пределах ЭДС од­ного элемента ак­кумуляторной батареи изменяется от 1,89 до 2,16 В.

Влияние температуры на ЭДС кислотного аккумулятора незначитель­но. С изме­нением температуры на 1° ЭДС изменяется на 0,4 мВ, т.е. ЭДС практически не зави­сит от темпера­туры. .

Внутреннее сопротивление. Внутреннее сопро­тивление аккумуля­тора rвн.складывается из сопротивления электродов (пластин) и сопротивления электролита. Так как сопротивление пластин очень мало, то основная доля внутрен­него сопротивления приходится на сопротивление электролита. Внутреннее сопро­тивление электролита и его плотность сильно зависят от температуры электролита. С понижением температуры вследствие увеличения вязкости элект­ролита и уменьше­ния подвижности ионов внут­реннее сопротивление увеличивается.

При разряде аккумулятора плотность электролита уменьшается, а вследствие уменьшения концентрации ионов внутреннее сопро­тивление уве­личивается. При за­ряде аккумулятора внутреннее сопро­тивление – уменьша­ется.

Внутреннее сопро­тивление резко увеличивается при разряде большими токами вследствие резкого уменьше­ния плотности электролита около элек­тродов и в по­рах активной массы.

Внутреннее сопротивление аккумуляторов зависит также от его кон­струкции. Чем больше площадь поверхности пластин, чем больше число па­раллельно включен­ных пластин в одном элементе и чем мень­ше расстояние между пластинами, тем меньше при прочих равных ус­ловиях внутреннее со­противление аккумулятора. Ма­лое внутреннее сопротивление стартёрных аккумуляторных батарей серии САМ по­рядка 0,02 Ом позволяет получить от них большие токи (порядка 750 А) при малых внутренних потерях.

Напряжение. Напряжение U на зажимах аккумулятора отли­чается от ЭДСна величину падения на­пряжения на внутреннем сопротивле­нии аккумулятора:

где U — напряжение на клеммах аккумулятора;

Е — ЭДС аккумулятора;

rвн. — внутреннее сопротивление аккумулятора.

Из формулы видно, что напряжение при разряде в сильной степени за­висит от величины разрядного тока и от внутреннего сопротивления аккуму­лятора, которое, в свою очередь, зависит от плотности и температуры элек­тролита.

Отсюда следует, что снижение температуры электролита не только увеличивает внут­реннее сопротивление аккумулятора, но и уменьшает его напряжение. Вследст­вие увеличения вязкости электролита уменьшается ско­рость диффу­зии активных веществ и образующаяся, в результате реакции, возле пластин вода не успевает за­меняться свежим электролитом. Это приво­дит к дополнительному уменьшению ЭДС и увеличению внутреннего со­про­тивления, особенно при разряде большими токами.

Во избежание преждевре­менного выхода аккумулято­ра из строя раз­ряд можно производить только до минимально допустимого напря­жения, за­висящего от величи­ны разрядного тока. Если раз­ряд ведется номинальным то­ком, то ко­нечное допусти­мое напряже­ние разряда равно 1,7 В на эле­мент или 20,4 Вна батарею из 12 эле­ментов. Если разрядный ток больше но­миналь­ного, то допускается меньшее конеч­ное напряжение, так как в этом случае низкое напряжение обусловлено не израсхо­дованием активных ве­ществ, а большим падением напряжения на внутреннем сопро­тив­лении ак­кумулятора.

Ёмкость аккумулятора. Ёмкостью аккумулятора Q на­зывается ко­личество электричества, которое может отдать исправный полно­стью заряженный аккумулятор при разряде паспортным значением тока до минимально допустимого напряжения. Емкость выражается в амперчасах и может быть определена из выраже­ния

Q = Iпасп. tразр.

где Iпасп. — паспортный ток разряда, определённый изготовителем, при кото­ром допускается разряд аккумуляторной батареи до 20,4 В;

tразр.— время разряда.

Величина разрядного тока оказывают особенно сильное влияние на емкость ак­кумулятора. С увеличением разрядного тока электрохимические реакции в аккумуля­торе протекают более интенсивно и выделяющаяся в по­рах активной массы вода не успевает замещаться свежим электролитом. В ре­зультате разряд идет в основном по поверх­ности пластин и образующийся сульфат свинца закрывает поры, вы­ключая из работы внутренние слои актив­ной массы.

К снижению ёмкости приводит и понижение температуры электро­лита: вследст­вие увеличения вязко­сти диффузия электро­лита в поры активной массы замедляется и внутренние слои оказываются выключенными из реак­ции разряда.

Так как в зависимости от условий и режима разряда ёмкость мо­жет меняться в широких пределах, то для сравнения величины ёмкости различ­ных аккумуляторов введено понятие номинальной ёмкости — емкости, га­рантируемой заводом изго­товителем при определенном ре­жиме разряда За номинальную принимают ёмкость, которую отдает полностью заряженный аккумулятор при разряде номинальным то­ком до напряжения 1,7 Вна эле­мент (20,4 Вна батарею) при тем­пературе элек­тролита 25°С и давлении 760 мм рт.ст.

Отдача аккумулятора. Различают отдачу аккуму­лятора по емкости и по энергии.

Отдачей аккумулятора по ёмкости называется отношение раз­рядной ем­кости к зарядной:

ήQ =

то есть отношение количества электричества, снятого с аккумулятора при раз­ряде к количеству электричества, подведённому к аккумулятору при его заряде.

Отдачей по энергии называется отношение энергии, полученной от аккумуля­тора при его разряде, к количеству энергии, затраченной при его заряде:

ήА = = . = ήQ

Ввиду того, что при заряде и разряде всегда присутствуют потери на нагрев, разложение воды и др., величины отдачи по ёмкости и энергии все­гда меньше еди­ницы. Таким образом отдача аккумулятора является анало­гом КПД для других уст­ройств.

Основные данные аккумуляторных батарей 12САМ-28:

Источник