7.4 Акумуляторні батареї та способи їх зарядки.
Застосовувані в даний час акумулятори можуть бути розділені по складу електроліту на кислотні і лужні. Вони широко використовуються на рухливому складі рейкового і безрейкового транспорту (електровози, автомобілі, трактори, електронавантажувачі) у якості тягових, стартерних і допоміжних джерел струму.
Єдиним представником кислотної групи, що одержали поширення, є свинцевий акумулятор , різні типи якого застосовують в основному в якості стартерних на автомобілях і тракторах.
Лужна група акумуляторів нараховує кілька електрохімічних систем, з числа яких найбільше поширення одержали нікель-залізні і нікель-кадмієві; у деяких областях техніки знайшли застосування срібно-цинкові і нікель-цинкові акумулятори.
Нікель-залізні акумулятори одержали найбільше поширення в якості тягових унаслідок доступності вихідних активних матеріалів, простоти конструкції, відносно низкою вартості, великого терміну служби і високої надійності. Нікель-залізні акумулятори краще свинцевих забезпечені розвіданими світовими запасами нікелю.
Основними недоліками нікель-залізних акумуляторів є значний саморозряд, погана робота при низьких температурах електроліту і повна втрата працездатності при температурі електроліту від—5 до—30 °С в залежності від величини струму розряду.
Нікель-кадмієвий акумулятор зберігає працездатність при більш низькій у порівнянні з нікель-залізними акумуляторами температурі електроліту (межею якої є —40 °С), має менший саморозряд і, крім того, припиняє усяке виділення газів негайно слідом за закінченням заряду. Остання обставина має істотне значення при експлуатації у вибухонебезпечному середовищі; у зв'язку з цим їх застосовують для вибухобезпечних переносних світильників у вугільних шахтах. Варто також відмітити, що нікель-кадмієві акумулятори можна виготовляти цілком герметизованним. Широкому поширенню тягових нікель-кадмієвих акумуляторів перешкоджають дефіцитність і висока вартість кадмію.
Срібно-цинкові акумулятори, що володіють найбільш високими питомими енергетичними показниками, не знайшли широкого застосування через дорожнечу і дефіцитність срібла і малого терміну служби. Нікель-цинкові акумулятори, хоча і не містять дефіцитних матеріалів, також мають малий термін служби.
Акумулятори, що служать для живлення тягових електродвигунів рудничних електровозів, називають тяговими. В умовній позначці типу тягових акумуляторів за ДСТ букви і цифри позначають: Т — область переважного застосування (тяговий); НЖ — електрохімічна система акумулятора (нікель-залізний); Ш — призначення (шахтний). Цифри після букв — номінальна ємність в ампер-годинах.
Наприклад, акумулятор ТНЖШ-500 має номінальну ємність 500 А-г.
Тягові акумулятори і комплектуючі з них батареї повинні задовольняти наступним загальним вимогам:
висока надійність;
великий термін служби;
мала вартість;
відсутність шкідливого впливу на розташовану поруч апаратуру;
безпека обслуговування.
Вони повинні працювати при рідких доливаннях води, мати клапани заливальних отворів, що відкриваються легко перешкоджають вихлюпуванню електроліту і забезпечують вихід газів, що виділяються. Тягові акумулятори повинні володіти достатньою механічною міцністю, зберігати працездатність у широкому діапазоні температур, при трясці й ударах, мати досить високу віддачу енергії і потужності на одиницю власної маси й об’єму, малою швидкістю саморозряду при розімкнутому зовнішньому ланцюзі, мати малий внутрішній опір, положисту розрядну характеристику, надійну зовнішню ізоляцію, високу тепловіддачу, надійне кріплення до вивідних затискачів монтажних проводів і міжакумуляторних з'єднань.
Тягова акумуляторна батарея є одним з основних вузлів, що визначають тягово-енергетичні й експлуатаційні характеристики рудникового акумуляторного електровоза. Тому правильний вибір типу акумуляторів і технічних параметрів усієї батареї здобуває для рудникової електровозної тяги особливо важливе значення.
На вітчизняних рудникових електровозах, як правило, застосовуються нікель-залізні акумулятори типу ТНЖШ і лише на рудникових електровозах великої потужності застосовуються нікель-кадмієві акумулятори типу ТНКШ.
У лужних акумуляторах електролітом служить розчин їдкого лугу (їдкого натру NаОН чи їдкого калі КОН), а акумуляторна посудина і рамки пластин виготовляються з нікельованої сталі. Активна маса заряджених позитивних електродів лужних акумуляторів складається з водяного окису нікелю Nі(ОН)з. Так як гідрат окису нікелю є поганим провідником струму, для збільшення провідності маси до неї додають домішки дрібного пелюсткового нікелю, графіту і т.п.
Активна маса негативних пластин нікель-залізних акумуляторів складається зі спеціально приготовленого залізного порошку ( чи магнетиту відновленого концентрату руди). Активною масою заряджених негативних пластин нікель-кадмієвих акумуляторів є губчатий металевий кадмій з додаванням деякої кількості такого ж заліза.
Приблизний хід хімічних процесів при заряді складається з перетворення окису нікелю на позитивному електроді в окисли більш високих ступенів і у відновленні окислів заліза, що утворилися, (чи кадмію) на негативному електроді в металеве залізо (чи кадмій). При розряді відбувається часткове розкислення позитивного нікелевого електрода й окислювання залізного (кадмієвого) негативного.
Загальна формула заряду для нікель-залізного акумулятора має наступний вид:
2Ni(OH)2+Fe(OH)2+KOH
2Ni(OH)3+Fe+KOH
Електроліт в акумуляторах відіграє роль провідника струму між електродами. Через те що електроліт не розкладається, кількість його в акумуляторі порівняно мала. Крім того, активна маса лужних акумуляторів не розчиняється в електроліті і не піддається значним об'ємним змінам. Ця обставина має велике значення для довговічності акумуляторів.
Основним матеріалом, використовуваним при виробництві посудин і пластин для лужних акумуляторів, є нікельована сталь, завдяки чому маємо можливість додати елементам значну міцність.
Активна маса пластин лужних акумуляторів укладена в нікельовані пакети з великою кількістю отворів невеликого діаметра. Отвори ці менше зерен активної маси, що виключає можливість випадання останньої з пакетів і утворення на дні посудини струмопровідних осадків, які служать найчастіше причиною коротких замикань. Активна маса пластин обох знаків, незважаючи на домішки, проводить струм погано. Так як пресована маса мало пориста, пластини виконуються дуже тонкими. Це викликає необхідність збільшувати кількість пластин.
Як негативні, так і позитивні пластини складаються зі сталевої нікельованої рамки чи ламелі з великими комірками, у які запресовані плоскі коробочки чи пакети з тонкої перфорованої і нікельованої сталі. У ці пакети поміщають спресовані брикетики активної маси.
У верхній частині кожної пластини мається круглий отвір, через який проходить сталевий нікельований стрижень, що скріплює пластини однакового знаку.
Корпус і кришку акумулятора виконують звареними зі сталевих нікельованих листів. На кришці акумулятора є отвір з автоматичним клапаном. Клапан служить для поповнення електроліту, охороняє його від розбризкування і пропускає гази, як тільки тиск усередині акумулятора стане вище атмосферного, і дозволяє уникнути зіткнення електроліту з повітрям, що спричинило б за собою утворення вуглекислих солей і пошкодження електроліту.
Відповідно до ДСТ для рудничних електровозів випускаються лужні ламельні акумуляторні батареї типу ТНЖШ різної ємності. Цифра, що стоїть після зазначених букв, позначає номінальну (п’ятигодинну) ємність в ампер-годинах, а цифра, що стоїть перед буквами, вказує число послідовно з'єднаних елементів у батареї.
Наприклад, батарея 112ТНЖШ-500 — тягова, нікель-залізна ємністю 500 А*год, має 112 елементів. Стандартні ємності електровозних акумуляторів: 300, 350, 500, 550 і 650 А*год. Букви, що стоять після ємності позначають: У — кліматичне виконання (у даному випадку для районів з помірним кліматом), П — пластмасовий бак.
Напруга на початку заряду у акумуляторів НК може знаходитися в межах 1,45—1,5 В, в акумуляторів НЖ у межах 1,55—1,6 В. Кінцева напруга в обох типах акумуляторів знаходиться в межах 1,75—1,85 В. Нормальна тривалість заряду дорівнює 6 год. У процесі розряду напруга монотонно спадає від 1,45 В у акумуляторів НЖ і від 1,35 В у акумуляторів НК до мінімально припустимого значення 1 В.
Без особливої шкоди лужний акумулятор можна розряджати і нижче зазначеної кінцевої напруги, але робити такі розряди не рекомендується, тому що це практично невигідно — напруга після 1В дуже швидко падає до нуля, а активна маса на електродах піддається необоротним змінам.
Номінальна ємність акумулятора Qн є його найважливішим технічним параметром. По номінальній ємності нормуються величини струмів при заряді і розряді акумуляторів.
У відповідності з ДСТ для акумуляторів НЖ величина нормального зарядного струму (А) при шестигодинному режимі заряду визначається за формулою:
Iз=0,25Qн,
де Qн – номінальна ємність акумулятора, А*год.
Кожен лужний акумулятор дає середню напругу 1,2 В, тому для одержання необхідної напруги акумулятори звичайно з'єднуються послідовно.
Кожна схема з'єднання і розташування акумуляторів в електровозній батареї повинна задовольняти наступним вимогам:
Розташування елементів у ящику повинне забезпечувати їхню стійкість при русі електровоза та мінімальні пошкодження посудин при поштовхах і ударах; найбільш стійким буде таке розташування елемента, при якому його пластини виявляться перпендикулярними до напрямку руху, тобто до осі електровоза;
Число міжелементних з'єднань і витрата на них металу повинні бути мінімальними;
Схема з'єднань повинна бути простою щоб уникнути помилок при її складанні;
Різниця потенціалів між двома будь-якими сусідніми елементами повинна бути мінімальною щоб уникнути саморозряду і коротких замикань (перекриттів) елементів.
Для тягових лужних акумуляторів при шестигодинному режимі заряду приймається постійний зарядний струм, рівний 0,25 їхньої номінальної ємності, тобто при заряді акумулятору надається кількість електрики Qз=1,5Qн. При п’ятигодинному режимі розряду коефіцієнт віддачі акумулятора складає за ємністю 0,66, за енергією 0,47. Однак заводи-виготовлювачі рекомендують приймати величину зарядного струму 0,28Qн, тобто Qз>1,5Qн, тоді коефіцієнт віддачі за ємністю складе 0,60, а за енергією 0,43. Практично ж коефіцієнт віддачі за енергією в шахтних умовах не перевищує 0,4.
Нині для заряду акумуляторних батарей рудникових електровозів застосовують напівпровідникові зарядні пристрої з автоматичною стабілізацією зарядного струму за допомогою дроселів насичення чи спеціальних тиристорних схем.
Іншим, більш простим способом заряду акумуляторної батареї є заряд шляхом безпосереднього підключення її до джерела зі сталою напругою, наприклад до виходу некерованого випрямляча. Для обмеження струму в зарядному колі часто використовують нерегульований резистор R. У цьому випадку по мірі росту ЭРС батареї Еб відбувається зменшення зарядного струму Iз:
,
де U – напруга джерела; Rб – внутрішній опір батареї акумуляторів.
При постійній напрузі джерела U напруга на батареї по мірі заряду поступово підвищується, тому що зменшується спадання напруги на резисторі:
Uб =U-IзRб .
Треба відмітити, що по мірі заряду батареї ії внутрішній опір падає, але не в тій мірі що росте ЕРС батареї тому струм заряду при підтримці сталої напруги джерела падає.
Спосіб заряду при падаючому значенні струму одержав назву заряду по автоматичній кривій. Ніяких спеціальних пристроїв чи схем для його здійснення не потрібно. Очевидно, що при цьому способі час заряду подовжується в порівнянні з попереднім. Якщо при заряді за першим способом час заряду складав 6 год, то при заряді за останнім способом він збільшується до 10 год. Цей час може бути зменшеним до 7 – 7,5 год, якщо допустити підвищену величину струму на початку заряду.
Проміжне положення між режимами заряду падаючим і сталим струмом займає режим заряду ступінчастою зміною зарядного струму зі стабілізацією його на кожному ступені. Такий спосіб заряду (звичайно з двома ступінями) знайшов застосування для свинцевих акумуляторних батарей.
Дослідженнями встановлено, що режим заряду сталим струмом не є найбільш раціональним через збільшення витрат енергії на газовиділення в кінцевій стадії заряду батареї, однак він дозволяє здійснити заряд у мінімальний час, що важливо для вугільних шахт, де на протязі зміни необхідно цілком зарядити і підготувати батарею до роботи.
Ведуться також дослідження з винайдення прискорених режимів заряду тягових батарей з використанням охолодження акумуляторів, що забезпечує високу продуктивність операції по заряду.
Автоматизація процесу заряду як при способі сталого струму, так і при способі падаючого струму за теперішнього часу практично може бути здійснена лише в тому випадку, якщо кожна батарея заряджається від окремого випрямляча. Така зарядка одержала назву індивідуальної.