1.3. Устройство стартерных аккумуляторных батарей
Как у большинства аккумуляторных батарей других типов, устройство стартерных свинцово-кислотных батарей основано на последовательном соединении отдельных аккумуляторов. Используемые конструкционные материалы должны быть стойки к длительному воздействию серной кислоты. Одним из немногих стойких к такому воздействию металлов является свинец, поэтому все токоведущие детали изготавливаются из свинца или свинцовых сплавов.
В стартерных батареях электроды с активными веществами конструктивно выполняются в виде электродов, состоящих из профилированных решеток, в которые вмазана паста, образующая при формировании пластины активную массу. Решетки отливают из свинцовых сплавов. Паста для электродов состоит из свинцового порошка, замешанного в водном растворе H2S04. Для упрочнения активного вещества в пасту для положительных электродов добавляется полипропиленовое волокно. Для предотвращения уплотнения активного вещества отрицательных электродов в пасту добавляют расширители (сажу, дубитель БНФ, гумматы, вырабатываемые из торфа) в смеси с сернокислым барием.
Масса решетки составляет до 50 % массы электрода. Решетки положительных электродов, более подверженные коррозии, имеют более толстое сечение. Общая толщина пастированных электродов зависит от режимов работы и установленного срока службы аккумуляторной батареи и составляет 1,5...2 мм для аккумуляторных батарей, устанавливаемых на легковых автомобилях, и 2,4...2,6 мм для батарей, устанавливаемых на тракторах. Одинаковое количество активных материалов может быть заложено в малом числе электродов большей толщины или в большем числе электродов малой толщины. Во втором случае увеличиваются суммарная площадь поверхности активной массы и максимально допустимая сила тока разряда, но снижается механическая прочность электродов. Стартерные характеристики батарей лучше при малой толщине электродов.
Решетка должна обеспечивать равномерное распределение тока по всей массе активных материалов, поэтому электрод имеет форму, близкую к квадратной. В стартерных аккумуляторах применяют электроды шириной 143 мм и высотой 119 и 133,5 мм.
С помощью бареток 5 (рис. 1.1) собираются полублоки положительных 4 и отрицательных электродов. Баретка имеет борн и мостик 8. К мостику припаиваются ушки электродов, и он определяет расстояние между ними. Борн является токоотводом полублока электродов.
Электроды в полублоке соединены параллельно. Число электродов зависит от требуемой емкости аккумуляторной батареи. Полублоки объединяются в блок электродов 9. Число отрицательных электродов в блоках обычно на один больше, чем положительных, и они являются в блоках крайними.
Это связано с тем, что активное вещество положительных электродов относительно в большей степени участвует в химических превращениях. Поэтому при симметричном двустороннем изменении активной массы в процессе заряда и разряда они меньше деформируются.
Между электродами в блоках устанавливаются сепараторы 2 - разделители из кислотостойкого пористого материала. Они предназначены для предотвращения соприкосновения разноименных электродов и короткого замыкания между ними. Благодаря высокой пористости и хорошей смачиваемости сепараторы не препятствуют свободному доступу электролита к активной поверхности электродов.
Рис. 1.1. Стартерная аккумуляторная батарея с открытыми межэлементными соединениями:
1 и 3 - соответственно отрицательный и положительный электроды;
2 - сепаратор; 4 и 7- соответственно полублоки положительных и отрицательных электродов; 5- баретка; 6- предохранительный щиток;
8- мостик; 9- блок электродов; 10- крышка; 11 - заливное отверстие;
12- межэлементное соединение; 13- пробка; 14 - полюсный вывод;
15- моноблок; 16-опорная призма
От качества сепараторов в значительной степени зависят эксплуатационные характеристики батареи. Сепараторы должны обладать механической прочностью, эластичностью, сохранять свои свойства в широком диапазоне температур в течение всего срока службы батареи.
В качестве материалов сепараторов в современных конструкциях стартерных батарей используются мипор, мипласт, пластипор, винипор и поровинил. Мипор, или микропористый эбонит, получают в результате сложного технологического процесса вулканизации смеси натурального каучука с различными добавками. Промышленность выпускает сепараторы из мипора толщиной 1,1; 1,5 и 1,9 мм. Мипласт, или микропористый полихлорвинил, получают из поли- хлорвиниловой смолы методом спекания. Выпускаемые промышленностью сепараторы из мипласта имеют толщину 1,1; 1,3; 1,5; 1,7 и 1,9 мм. Высокими эксплуатационными свойствами обладают сепараторы из поровинила, которые изготавливают из полихлорвиниловой смолы с использованием циклогексана и крахмала. Применение поровинила позволяет на 10...15 % повысить мощность батарей при низких температурах.
Блоки электродов в сборе с сепараторами устанавливаются в ячейках моноблока 15 (см. рис. 1.1). Моноблок - это единый корпус батареи, разделенный герметичными изоляционными перегородками на 3 или 6 ячеек (по числу аккумуляторов, соответственно для батарей на 6 и 12 В). Моноблоки стартерных батарей изготавливаются из эбонита, термопласта (наполненного полиэтилена), полипропилена и полистирола. Эти материалы обеспечивают тепло- и морозоустойчивость, кислотостойкость и механическую прочность, особенно в условиях вибрации.
Электроды блока имеют в нижней части «ножки», которые после сборки опираются на специальные выступы на дне моноблока - донные призмы 16. В результате в нижней части батареи образуется так называемое шламовое пространство, в котором накапливается постепенно осыпающаяся с электродов активная масса. Это предотвращает преждевременный выход из строя аккумулятора из-за короткого замыкания этими частицами разноименных электродов.
Крышки 10 из эбонита или пластмассы могут закрывать отдельные аккумуляторные отсеки. На современных батареях применяют единые крышки, привариваемые или приклеиваемые к моноблоку. Крышки имеют отверстия 11 для вывода борнов и заливки электролита. Заливные горловины закрываются пробками с вентиляционными отверстиями.
Специальные отражатели в пробках препятствуют выплескиванию электролита через вентиляционные отверстия. Электролит не должен выплескиваться при наклоне батарей от нормального рабочего положения на угол 45°.
Герметизация индивидуальных крышек производится заливкой специальной битумной мастикой. При применении пластмассовых моноблоков на 20...25 % повышается удельная энергия аккумуляторной батареи. Моноблоки из полипропилена и полиэтилена в несколько раз прочнее эбонитовых моноблоков. Аккумуляторная батарея 6СТ-55П с прозрачным корпусом, из полипропилена устанавливается на автомобилях ВАЗ (рис. 1.1).
Отдельные аккумуляторы соединяются в батарею с помощью перемычек 1 (рис. 1.2), которые могут иметь различную конструкцию. В батареях с индивидуальными крышками перемычки проходят сверху (рис. 1.3,а). В случае применения общей крышки (монокрышки) перемычки располагаются над перегородками моноблока (рис. 1.3.б). При изготовлении новых конструкций моноблоков из пластмасс (полиэтилен, полипропилен) межэлементные соединения пропускаются сквозь отверстия в перегородках (рис. 1.3,в).
Рис. 1.2. Стартерная аккумуляторная батарея с закрытыми межэлементными соединениями:
1 - моноблок; 2 - крышка; 3 и 5 - соответственно положительный и отрицательный полюсные выводы, 4 - межэлементное соединение; в - пробка; 7-индикатор уровня жидкости; 8- сепаратор; 9 и 10- соответственно положительный и отрицательный электроды
Укороченные межэлементные соединения, кроме уменьшения омического сопротивления, позволяют сократить расход свинца при изготовлении батареи, а следовательно, ее массу.
Расстояние между верхними кромками электродов и крышкой составляет не менее 20 мм. Это расстояние необходимо для компенсации колебания уровня электролита и для отделения капель элекфолита при сильном газовыделении («кипении») в конце заряда.
Большая часть недостатков, присущих обычным аккумуляторным батареям (снижение уровня электролита, ускоренная коррозия обусловлена наличием 4,5...6 % сурьмы в сплаве свинца, используемого для изготовления решеток электродов. Согласно требованиям по уходу за стартерными аккумуляторными батареями через каждые 2500 км пробега необходимо проверять уровень электролита и при его уменьшении доливать дистиллированную воду.
Рис. 1.3. Способы соединения аккумуляторов:
1 с наружным расположением перемычек; б - через перегородку подщей крышкой; в - сквозь отверстие в перегородке под общей крышкой
Указанные недостатки привели к появлению так называемых необслуживаемых батарей. Основной задачей при разработке необслуживаемых батарей является ограничение электролиза воды в аккумуляторе и, как следствие, газовыделения. Наличие сурьмы в сплавах решеток приводит к значительному снижению перенапряжения, иначе говоря, к интенсивному газовыделению задолго до полного заряда батареи.
Таким образом, для создания необслуживаемых батарей необходимо заменить материал, применяемый при изготовлении решеток. В настоящее время для изготовления решеток применяются следующие материалы: свинцово-кальциево-оловянистый сплав; модифицированный свинцово-сурьмянистый сплав с уменьшенным содержанием сурьмы; сплав с малым содержанием сурьмы и кадмия для положительных электродов и свинцово-кальциево- оловянистый сплав для отрицательных.
Исследования батарей с решетками из свинцово-кальциево- оловянистых сплавов показали их высокую чувствительность к глубоким разрядам. По этой причине были разработаны батареи, в которых решетки положительных электродов изготавливаются из свинца, легированного сурьмой (1,25 %) и кадмием (1,5 %), а решетки отрицательных - из свинцово-кальциево- оловянистого сплава. При этом также повышается напряжение начала газовыделения до 2,45 В и в 15...17 раз снижается потеря воды от электролиза.
Применение свинцово-кальциевых сплавов приводит к необходимости изменения технологии производства, поэтому некоторые зарубежные фирмы разработали технологию изготовления решеток с уменьшенным содержанием сурьмы и легирующими добавками. Батареи, собранные на этих решетках, получили название малообслуживаемых - их срок службы соответствует сроку службы обычных, но они не чувствительны к глубоким разрядам, а газовыделение в несколько раз меньше.
Контрольные вопросы:
1. Какие конструкции генераторов переменного тока применяются на современных автомобилях?
2. Из каких основных элементов состоит генератор переменного тока с клювообразным ротором?
3. За счет чего в современных автомобильных генераторах происходит ограничение максимального тока?
4. Каким образом происходит процесс регулирования напряжения генератора?
5. Какие бывают типы регуляторов напряжения, в чем их преимущества и недостатки?
6. Какие физико-химические процессы происходят в свинцово-кислотной аккумуляторной батарее при заряде и разряде?
7. Как осуществляется маркировка аккумуляторных батарей?
8. Что такое емкость аккумуляторной батареи в 20-часовом режиме разряда?
9. Какие существуют способы заряда аккумуляторных батарей?
10. Чем отличаются «необслуживаемые» аккумуляторные батареи?
11. Методы диагностирования аккумуляторных батарей.
Литература
1. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. -М.: Транспорт, 2000.
2. Чижков Ю.П., Акимов А.В. Электрооборудование автомобилей. Учебник для вузов. - М.: Изд-во За рулем, 2000.
3. Пятков К.Б. Электрооборудование ВАЗ 2103, 2106: устройство и ремонт. - М.: Третий Рим, 1998.
4. Боровских Ю.И., Старостин А.К., Чиксков Ю.П. Стартерные аккумуляторные батареи. – М.: Фонд: За экономическую грамотность, 1997.