Электродвижущая сила аккумулятора - ЭДС. Эдс батареи. Электродвижущая сила аккумулятора

Выражаю искреннюю благодарность Кувалде (Kuvalda.spb.ru Ушкалов Евгений Юрьевич)
за поддержку и побудительство меня: тряхнуть стариной, вспомнить,
что я все-таки физик и химик, и взяться за старое:

Прежде всего, считаю долгом отметить, что (не смотря на мои старания) нижеприведенные соображения основаны на фундаментальных науках, а потому требуют все же некоторых усилий для осмысления. Не желающим прилагать эти усилия, а также тем, кто путает напряжение и емкость, читать не рекомендуется - берегите себя!

Для ясности изложения, и не желая перегружать текст слишком сложными понятиями термодинамики и химической кинетики, далеко выходящими за рамки общих курсов физики и химии технических вузов, я позволю себе некоторые упрощения (во всех случаях корректные), которые (ни в коем случае) не будут противоречить истине - заранее приношу свои извинения перфекционистам. Точные выкладки все желающие могут исполнить самостоятельно - вся необходимая литература имеется в любой научно-технической библиотеке

Путаница

Мои дискуссии на страницах уазовской конфы, ясно продемонстрировали, что не все участники автомобилизации страны ясно представляют себе что же такое аккумуляторная батарея. Чтобы быть понятым верно, постараюсь определить понятия с которыми буду иметь дело.

Батарея (АКБ)

Набор ячеек (банок), соединеных последовательно в количестве шести. В тексте на правах синонимов используются слова "аккумулятор" и АКБ.
Ячейка, она же "банка" -- элементарный элемент аккумулятора, состоящий как минимум (реально более 10) из одной пары активных пластин Pb - PbO2, залитых электролитом.

Напряжение

То, что измеряется на клеммах АКБ путем подключения тестера или напряжеметром, который находится на приборной панели. Исключительно внешняя характеристика. Зависит от множества факторов, как внешних по отношению к АКБ, так и внутренних.

В общем то, напряжение это единственная нормально измеряемая величина, ассоциированная с АКБ. Ничего другого нормально померить не удается. Ни емкость. Ни реальный ток. Ни внутреннее сопротивление, ни ЭДС

ЭДС

Сугубо внутренняя характеристика ячейки АКБ, к сожалению самым драматическим образом влияющая на внешние проявления АКБ.

Величина ЭДС определяется равновесным состоянием реакции основных реагентов. В нашем случае это Pb+PbO2+2H2SO4(-)+2H(+) = 2PbSO4+2H2O.

Определить ее формально достаточно сложно - для этого требуется применение сложных термодинамических расчетов термодинамического состояния системы, но в инженерной практике применяется инженерная формула, обеспечивающая инженерную точность для свинцовых аккумуляторов в диапазоне плотностей электолита 1.1-1.3 кг/л E=0.85+P где Р - плотность электолита.

Применяя ее для определения ЭДС при стандартном значении плотности электролита автомобильного аккумулятора 1.27 получаем значение 2.12В на банку или 12.7В на АКБ.
Для перфекционистов. Искать здесь размерность бессмысленно - как в большинстве формул для упрощенных инженерных рассчетов.

В практическом смысле эта формула нам еще пригодится.
С точностью, нас тут интересующей, никакие другие факторы на величину ЭДС не влияют. Зависимость ЭДС от температуры оценивается тысячными вольта на градус, чем очевидно можно пренебречь.
Все легирующие добавки и прочее серебро действительно улучшают эксплуатационные характеристики (повышают стабильность, увеличивают срок службы, снижают внутреннее сопротивление) но не влияют на ЭДС.

К сожалению, в современном аккумуляторе померить ее можно только косвенно и с известными допущениями. Например, допуская, что токи утечки равны нулю (то есть АКБ чистый и сухой снаружи, не имеет трещин и протечек внутри между банками, что в электролите нет солей металлов, а сопротивление измерительного прибора бесконечно).

Для измерений с интересующей нас точностью, достаточно просто отсоединить АКБ от всех потребителей (снять клемму) и воспользоваться цифровым мультиметром (тут надо иметь в виду, что класс точности большинства этих приборов не позволяет определить истинное значение, делая их пригодными лишь для относительных измерений).

Внутреннее сопротивление

Величина играющая ключевую роль в нашем восприятии действительности АКБ.
Именно благодаря ему, точнее его увеличению, происходят все неприятности, связанные с АКБ.

Упрощенно это можно представить как подключенный последовательно с аккумулятором резистор, некоторого сопротивления:

Величина, которую невозможно не пощупать, ни померить. Зависит она от конструктивных особенностей АКБ, емкости, степени его разряженности, наличию сульфатации пластин, внутренних обрывов, концентрации электролита и его количества и, конечно же, температуры. К сожалению, внутреннее сопротивление зависит не только от "механических" параметров, но и от тока, при котором работает АКБ.

Чем АКБ больше, тем внутреннее сопротивление меньше. У новой АКБ 70-100 Ач величина внутреннего сопротивления около 3-7 мОм (при нормальных условиях).

При понижении температуры скорость обмена химических реакций падает, а внутреннее сопротивление, соответственно, возрастает.

У нового аккумулятора внутреннее сопротивление самое маленькое. В основном оно определяется конструкцией токонесущих элементов и их сопротивлением. Но в процессе эксплуатации начинают накапливаться необратимые изменения - уменьшается активная поверхность пластин, появляется сульфатация, изменяются свойства электролита. И сопротивление начинает возрастать.

Ток утечки

Присутствует в аккумуляторе любого типа. Бывает внутренним и внешним .

Внутренний ток утечки невелик и для современной батареи 100Ач составляет около 1 мА (примерно эквивалентно потери 1% емкости в месяц) Его величина определяется чистотой электролита, особенно степенью загрязненности его солями металлов.

Надо заметить, что внешние токи утечки через бортовую сеть автомобиля, существенно выше внутренних исправного АКБ.

Процессы

Нежелающие "вдаваться" могут пропустить этот раздел и перебраться прямо к разделу

Разряд аккумулятора

При разряде аккумулятора генерируется ток за счет осаждения SO4 на пластинах, в связи с чем снижается концентрация электролита и постепенно повышается внутреннее сопротивление.

Характеристики разряда АКБ.
Верхняя кривая соответствует току десятичасового разряда
Нижняя - трехчасового

При полном разряде практически вся активная масса превращается в сернокислый свинец. Именно поэтому долгое пребывание в состоянии разрядки губительно для аккумулятора. Чтобы избежать сульфатации необходимо как можно быстрее провести зарядку батареи.

При этом, чем больше в АКБ электролита (относительно массы свинца) тем меньше снижается ЭДС ячейки. Для разряженного на 50% аккумулятора падение ЭДС составляет около 1%. Кроме того, "запас" электролита у разных производителей разный, поэтому и снижение ЭДС, равно как и плотности электролита будет отличаться.

Из-за незначительного снижения ЭДС практически невозможно определить степень разряженности батареи, просто измеряя напряжение на ней (для этого существуют нагрузочные вилки, задающие значительный ток). Особенно применяя штатный напряжеметр (прибор это не является вольтметром в точном понимании этого слова - скорее индикатором напряжения) автомобиля.

Максимальный ток, который способна обеспечить батарея в основном зависит от активной поверхности пластин, а ее емкость от активной массы свинца. При этом более толстые пластины могут быть даже менее эффективны, поскольку "внутренние слои свинца при этом трудно сделать "активными". Кроме того, требуется дополнительный электролит.
Чем более пористой ухитрился сделать производитель пластину, тем больший ток она способна обеспечить.

Поэтому все батареи, построенные по сходной технологии обеспечивают примерно одинаковые стартовые токи, но более тяжелые могут обеспечить большую емкость при сопоставимых размерах.

Зарядка Батареи

Процесс зарядки батареи состоит в электрохимическом разложении PbSO4 на электродах под воздействием постоянного тока внешнего источника.
Процесс заряда полностью разряженной батареи похож на процесс разряда как бы "перевернутый" вверх ногами.

Первоначально ток заряда ограничен лишь способностью источника генерировать необходимый ток и сопротивлением токонесущих элементов. Теоретически он ограничен только кинематикой процесса растворения (скоростью с которой продукты реакции выводятся из активной зоны). Затем, по мере "растворения" молекул серной кислоты, ток снижается.

Если бы можно было пренебречь побочными процессами, при полной зарядке батареи ток стал бы равен нулю. Аккумулятор перестает "принимать" заряд. К сожалению в реальной батарее всегда есть ток утечки и вода. Для компенсации тока утечки применяется постоянный подзаряд батареи.

Стандартно свинцовую АКБ рекомендуют заряжать используя источник напряжения.
Рекомендуемое напряжении заряда на одну ячейку (по данным VARTA) составляет приблизительно 2.23В или 13.4В на всю батарею. Более высокое напряжение заряда приводит к более быстрому накоплению заряда, но одновременно увеличивает количество разлагаемой воды.

Легенда:
"Перезаряженный" аккумулятор портится и теряет емкость.
Действительно Ni-Cd аккумуляторы портятся (теряют емкость) при длительном перезаряде, чего не происходит со свинцовыми. Свинцовые при заряде большими напряжениями только теряют воду (выкипает именно вода) - в широких пределах процесс полностью обратим простым добавлением воды. При длительным подзаряде "правильным" напряжением (2.23В) потерь воды не происходит.

К счастью для нас, свинцовый аккумулятор не портится в режиме непрерывного подзаряда. Напротив, этот режим всячески поощряется и рекомендуется. Поэтому на автомобиле (и во всех прочих случаях промышленного использования) свинцовые АКБ находятся в режиме постоянной подзарядки при напряжениях в пределе 2.23 - 2.4В на ячейку.

Из рисунка видно, что при увеличении избыточного напряжения на аккумуляторе в два раза, ток подзаряда возрастает в десять раз, что приводит к неоправданному расходу воды и преждевременному выходу АКБ из строя.

Для современного аккумулятора ток оптимальный ток подзаряда около 15 мА (что как раз и соответствует напряжению подзаряда в 2.23В на ячейку). При таком токе вода, разлагающаяся при электролизе, "успевает" рекомбинировать в растворе и не теряется - то есть процесс может продолжаться бесконечно долго (в инженерном смысле).

Практика

Напряжение на АКБ

Многие путают напряжение на батарее с ЭДС аккумулятора. Как уже отмечалось, эти величины взаимосвязаны, но не тождественны. Тут колоссальную роль играет внутреннее сопротивление.

Например при разряде стартерными токами, обозначенными порядка 400 А, внутреннее сопротивление в 4 мОм в соответствии с законом Ома превращается в падение напряжения в 1.6 В, сопротивление поляризации добавляет еще около 0.5В - и это в самом начале разряда. Приведенные данные соответствуют новым АКБ емкостью порядка 100 Ач. Для старых, устаревших батарей или батарей меньшей емкости потери будут больше. Для батареи в 50 Ач того же типа потер приблизительно вдвое больше.

При заряде от генератора (который прикидывается источником напряжения, на самом деле являясь источником тока, придушенным регулятором), напряжение должно соответствовать условиям быстрого подзаряда и определяется реле регулятором.

Поскольку средний пробег автомобиля недостаточен для полной зарядки аккумулятора, применяется компромиссное значение напряжения, несколько превышающее оптимальное значение подзаряда в 2.23В на банку или 13.38 на батарею, но несколько меньшее, чем напряжение быстрой подзарядки в 2.4В (14.4В на батарею). Оптимальным считается значение 13.8-14.2В. При этом потери воды остаются приемлемыми, а аккумулятор получает достаточно полный заряд при среднестатистическом пробеге.

Старение (разряд) АКБ приводит к тому, что напряжение, которое он способен обеспечить под нагрузкой падает за счет больших потерь на внутреннем сопротивлении, при том, что без нагрузки его значение остается практически тождественным новому (полностью заряженному). Поэтому определить состояние АКБ просто вольтметром практически не представляется возможным.

Разные типы батарей могут иметь разные плотности электролита. При этом ЭДС (и соответственно напряжение разомкнутого аккумулятора) может несколько отличаться для разных батарей. При этом разряженная батарея с большей плотностью электролита может выдавать большее значение напряжения, чем полностью заряженная батарея с меньшей плотностью электролита.

Легенда:
Напряжение на АКБ зависит от температуры.
Напряжение отсоединенного аккумулятора практически не зависит от температуры. Зависит внутреннее сопротивление и количество запасенной энергии. Стартер плохо крутит по причине большого падения напряжения на внутреннем сопротивлении, а ограничение времени работы стартера связано с пониженной емкостью аккумулятора из за сниженной активности химических реакций.

Соединение АКБ

Именно эта тема и вынудила меня взяться за этот масштабный труд. Выводы, представленные тут, основаны на аргументации, приведенной выше. Практические выводы аргументации не требуют.

Легенда 1
Автомобильные аккумуляторы соединять параллельно нельзя, поскольку при этом аккумулятор, обладающий большим напряжением будет постоянно дозаряжать аккумулятор с меньшим напряжением. Соответственно один будет постоянно перезаряжен, а другой разряжен.

В этой легенде присутствует несколько фактических и понятийных ошибок.

Ячейка АКБ образуется несколькими парами (или несколькими десятками пар) пластин, срединными параллельно для повышения эффективной поверхности элемента. Так что параллелизм заложен в основе технологии аккумулятора.

Напряжение на аккумуляторе при отсутствии нагрузке условно равно его ЭДС.
Как известно, величина ЭДС практически не зависит ни от каких внешних и внутренних параметров, кроме плотности электролита. Эта величина не зависит ни от емкости АКБ, ни от пористости электрода, ни от легирующих добавок, ни от материала токоведущих частей. Также слабо она зависит от степени разряженности батареи. Поэтому напряжение двух свинцовых автомобильных аккумуляторов, соответствующих нормам будет всегда близким . Технологическая разница, возникающая за счет неточности плотности электролита (1.27-1.29 по ГОСТ, допуски VARTA на порядок меньше) может быть легко определена (см. выше) и составляет 0.02В, то есть 20 мВ.

Если считать, что в момент прекращения заряда (выключения двигателя) оба аккумулятора полностью заряжены, максимально возможная разность потенциалов на их клеммах составит 20 мВ, независимо от их состояния, производителя и проч.

Даже если предположить, что используются АКБ разных классов (например автомобильная и промышленна с плотностью электролита 1.25), то и в этом случае разность потенциалов составить лишь около 40 мВ. Для полностью заряженной батареи это приведет к возникновению тока электролиза порядка 3-5 мА, что примерно соответствует току утечки не очень хорошего аккумулятора.

Разряд такими токами для батареи несущественен, а перезаряд не наступает.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда параллельно объединены два аккумулятора существенно разной емкости.

В начале зарядки, когда ток ограничен возможностями генератора, естественно предположить, что он поделится между батареями пропорционально активной площади пластин. То есть степень заряженности аккумуляторов при неполном заряде будет примерно одинаковой (коротком пробеге).. Система будет себя вести как большой аккумулятор, который не успел дозарядиться.

Легенда 2
В импортных автомобилях используют специальные реле для подключения батарей дополнительного оборудования (Auxiliary), чтобы не соединять их параллельно (Легенда 1)

Полная чушь, имея ввиду вышесказанное. Это реле служит для куда более прозаичной цели. При большой нагруженности электросистемы автомобиля дополнительным оборудованием (типа телевизор, музыка большой мощности, холодильник и проч), существует большая вероятность "посадить" аккумулятор. Для того, чтобы после того, как весело провел день на природе под музыку, все таки уехать, стартерную батарею отключают, избегая тем самым ее глубокого разряда.
Есть старый анекдот про наших ментов, которые всласть "настрелявшись" радаром суетились "прикурить":

Так вот этот эффект куда значительнее, чем "перезарядки".

Практические выводы

Параллельно соединять аккумуляторы возможно, но учитывая следующие рекомендации.

• Не стоит использовать АКБ разных классов (например автомобильные и промышленные), а так же различных исполнений (например тропического и арктического) поскольку они используют электролит разной плотности.
• При длительной стоянке стоит отключать АКБ не только от потребителей, но и друг от друга.

Аккумуляторная батарея - одно из самых сложных устройств современного автомобиля. В ней непрерывно протекают многие электрохимические и физические процессы, взаимосвязанные и в значительной мере обусловленные влиянием внешних факторов. И как любое сложное устройство, требует соответствующего ухода при соответствующей квалификации.

Автолюбителя, в большинстве своем, интересуют чисто практические вопросы. Такие, как например, почему батарея уже через два сезона не обеспечивает пуск совершенно исправного двигателя? Почему батарея прослужила всего два года, а не 5 или 8 лет, хотя и прошел автомобиль по 3 тысячи км в год из-за отсутствия бензина? Что надо делать для того, чтобы аккумуляторная батарея служила долго и не подводила в самый неподходящий момент? И сколько ей уделять времени, и не следует ли с ней возиться каждый день? И многие другие подобные вопросы.

Для ответов на эти вопросы необходимо пользоваться не только готовыми рекомендациями и инструкциями, но и иметь определенный уровень знаний об аккумуляторных батареях.

Аккумуляторы, как и иные химические источники тока, интенсивно изучаются и совершенствуются, однако зачастую многие публикации недоступны для автолюбителя и понимание ряда вопросов требует специальной профессиональной подготовки. Во многих журнальных статьях, пособиях, рекомендациях, инструкциях и т.п. наряду с безусловно правильной и полезной информацией много субъективизма, а в ряде случаев, к сожалению, просматривается непонимание, незнание и корпоративные интересы авторов (особенно в журнале "За рулем").

Настоящее пособие преследует очень простую цель - дать автолюбителю начальные знания по уходу за аккумуляторной батареей. Мы старались избежать сложных теоретических выкладок м формул. Тем не менее, полностью исключить теоретические сведения нельзя.

Без понимания основных процессов, протекающих в аккумуляторе в тех или иных условиях, невозможно построить оптимальную тактику ухода за аккумуляторной батареей в реальных условиях эксплуатации

(собственно аккумулятора), избежать досадных ошибок, даже пользуясь огромным количеством правильных рекомендаций.

Мы понимаем, что данное пособие тоже не лишено недостатков, однако постарались в логической последовательности изложить известные факты, различные методики и выполняемые работы по уходу за

аккумулятором. Надеемся, что материал, изложенный в пособии, поможет автолюбителю в уходе за аккумуляторной батареей.

2.1. Понятия и определения

Аккумулятор является обратимым источником тока. Он способен отдавать в нагрузку во внешней цепи ранее запасенную энергию. На легковые автомобили устанавливаются аккумуляторные батареи, состоящие из шести последовательно включенных аккумуляторов. Они способны обеспечивать большие разрядные токи и относятся к классу стартерных аккумуляторных батарей. Это отражено в маркировке батарей. Например, батарея 6СТ-55 содержит 6 аккумуляторов, стартерная, номинальная энергоемкость составляет 55 ампер-часов.

Приведем некоторые основные понятия и определения, характеризующие аккумуляторную батарею в различных режимах работы.

Электродвижущая сила (ЭДС) - это разность электродных потенциалов при разомкнутой электрической цепи. ЭДС аккумулятора зависит от плотности температуры электролита и состава активной массы пластин. Выражается ЭДС в вольтах и обычно обозначается буквой Е . Измерить ЭДС можно вольтметром с большим внутренним сопротивлением, превышающим 20 кОм.

ЭДС покоя (Е0) - это ЭДС аккумулятора, находящегося длительное время (более 2-3 часов) без нагрузки.

ЭДС аккумулятора под нагрузкой отличается от ЭДС покоя. Это вызвано том, что при прохождении тока в цепи на электродах и в электролите происходят необратимые физические и химические процессы, связанные с потерей энергии. Один из них - это процесс поляризации.

ЭДС поляризации (Еп ) - это ЭДС аккумулятора при наличии поляризации пластин.

Еп всегда направлена навстречу току.

При заряде ЭДС аккумулятора равна сумме ЭДС покоя и ЭДС поляризации:

Е = Е0 + Еп ,

а при заряде

Е = Е0 - Еп .

Величину Е называют динамической ЭДС, или просто ЭДС аккумулятора.

В замкнутой электрической цепи постоянного тока, когда к аккумулятору подключены потребители, связи между ЭДС, проходящим по цепи током и сопротивлением цепи определяется по закону Ома:

Е = I (R + r), (1)

где Е - ЭДС, В;

I - сила тока в цепи, А;

R - активное сопротивление внешней цепи, Ом;

r - полное сопротивление участка электрической цепи внутри самого источника тока, Ом.

Выражение (1) можем переписать в виде:

Е = IR + Ir , (2)

т.е. ЭДС аккумулятора компенсирует падение напряжения на внешней цепи U=IR и падение напряжения внутри самого источника тока на его полном внутреннем сопротивлении Ur=I*r .

Величина U=I*R - это напряжение аккумулятора. Это напряжение на зажимах аккумулятора, которое используется для работы потребителей тока.

Из уравнения (2) видно, что при работе аккумулятора его напряжение U всегда меньше чем ЭДС, так как

U = E - Ur .

По мере износа аккумулятора его внутреннее сопротивление возрастает. Это одна из причин пониженного напряжения на зажимах аккумулятора под нагрузкой. поскольку увеличивается Ur. У разряженного аккумулятора ситуация подобная.

Различают зарядное напряжение, равное

Uэ = E + Iз*r ,

и разрядное напряжение:

Uр - E - Iр*r ,

где Iз - зарядный ток, А;

Iр - разрядный ток, А;

r - внутреннее сопротивление аккумулятора, Ом.

Нормальный зарядный ток - величина зарядного тока (А ).

численно равная 0.1 емкости аккумуляторной батареи, выраженная в ампер-часах.

Внутреннее сопротивление аккумулятора складывается из сопротивления электродов, электролита и сопротивления, обусловленного сепараторами (прокладками между пластинами). Внутреннее сопротивление - величина непостоянная. Оно зависит от конструкции электродов, состояния активной массы, плотности электролита, температуры. В полностью заряженном аккумуляторе внутреннее сопротивление значительно меньше, чем у разряженного. Объясняется это тем, что электропроводность активной массы заряженного аккумулятора выше, чем у разряженного.

Емкость аккумулятора - это количество электричества, которое может запасти или отдать аккумулятор.

Емкость зависит от величины тока разряда. Емкость аккумулятора определяется как величина, равная произведению постоянного тока на время при 20-часовом режиме разряда до напряжения 1.7 В:

Q20 = Ip*tp = Ip*20 (А*ч),

где Iр - величина разрядного тока,

tр - время разряда.

Емкость по току разрядная Qр - номинальная емкость аккумулятора при разряде:

Qp = Ip*tp ,

где Ip - величина разрядного тока, А;

tp - время разряда.

Зарядная емкость аккумулятора - характеризует количество электричества, полученное аккумулятором в процессе заряда:

Qз = Iз * tз ,

где Qз - зарядная емкость, А*ч;

Iз - зарядный ток, А;

tз - время заряда, ч.

У современных аккумуляторов КПД по емкости равно 0.85.

Емкость по энергии - характеризует способность аккумулятора выполнить электрическую работу за определенное время.

Измеряется в ватт-часах.

Емкость по энергии при разряде:

Ap = Up * Ip * tp ,

В разгар учебного года многим ученым деятелям требуется эдс формула для разных расчетов. Эксперименты, связанные с , так же нуждаются в информации об электродвижущей силе. Но для начинающих не так-то просто понять, что же это такое.

Формула нахождения эдс

Первым делом разберемся с определением. Что означает эта аббревиатура?

ЭДС или электродвижущая сила – это параметр характеризующий работу любых сил не электрической природы, работающих в цепях где сила тока как постоянного, так и переменного одинакова по всей длине. В сцепленном токопроводящем контуре ЭДС приравнивается работе данных сил по перемещению единого плюсового (положительного) заряда вдоль всего контура.

Ниже на рисунке представлена эдс формула.

Аст – означает работу сторонних сил в джоулях.

q – это переносимый заряд в кулонах.

Сторонние силы – это силы которые выполняют разделение зарядов в источнике и в итоге образуют на его полюсах разность потенциалов.

Для этой силы единицей измерения является вольт . Обозначается в формулах она буквой « E».

Только в момент отсутствия тока в батареи, электродвижущая си-а будет равна напряжению на полюсах.

ЭДС индукции:

ЭДС индукции в контуре, имеющем N витков:

При движении:

Электродвижущая сила индукции в контуре, крутящемся в магнитном поле со скоростью w :

Таблица значений

Простое объяснение электродвижущей силы

Предположим, что в нашей деревне имеется водонапорная башня. Она полностью наполнена водой. Будем думать, что это обычная батарейка. Башня - это батарейка!

Вся вода будет оказывать сильное давление на дно нашей башенки. Но сильным оно будет только тогда, когда это строение полностью наполнено H 2 O.

В итоге чем меньше воды, тем слабее будет давление и напор струи будет меньше. Открыв кран, заметим, что каждую минуту дальность струи будет сокращаться.

В результате этого:

1. Напряжение – это сила с которой вода давит на дно. То есть давление.
2. Нулевое напряжение - это дно башни.

С батареей все аналогично.

Первым делом подключаем источник с энергией в цепь. И соответственно замыкаем ее. Например, вставляем батарею в фонарик и включаем его. Изначально заметим, что устройство горит ярко. Через некоторое время его яркость заметно понизится. То есть электродвижущая сила уменьшилась (вытекла если сравнивать с водой в башне).

Если брать в пример водонапорную башню, то ЭДС это насос качающие воду в башню постоянно. И она там никогда не заканчивается.

Эдс гальванического элемента – формула

Электродвижущую силу батарейки можно вычислить двумя способами:

• Выполнить расчет с применением уравнения Нернста. Нужно будет рассчитать электродные потенциалы каждого электрода, входящего в ГЭ. Затем вычислить ЭДС по формуле.
• Посчитать ЭДС формуле Нернста для суммарной ток образующей реакции, протекающей при работе ГЭ.

Таким образом вооружившись данными формулами рассчитать электродвижущую силу батарейки будет проще.

Где используются разные виды ЭДС?

1. Пьезоэлектрическая применяется при растяжении или сжатии материала. С помощью нее изготавливают кварцевые генераторы энергии и разные датчики.
2. Химическая используется в и аккумуляторах.
3. Индукционная появляется в момент пересечения проводником магнитного поля. Ее свойства применяют в трансформаторах, электрических двигателях, генераторах.
4. Термоэлектрическая образуется в момент нагрева контактов разнотипных металлов. Свое применение она нашла в холодильных установках и термопарах.
5. Фото электрическая используется для продуцирования фотоэлементов.

Назначение стартерных аккумуляторных батарей
Теоретические основы преобразования химической энергии в электрическую
Разряд аккумулятора
Заряд аккумулятора
Расход основных токообразующих реагентов
Электродвижущая сила
Внутреннее сопротивление
Напряжение при заряде и разряде
Емкость аккумулятора
Энергия и мощность аккумулятора
Саморазряд аккумулятора

Назначение стартерных аккумуляторных батарей

Основная функция батареи - надежный пуск двигателя. Другая функция - энергетический буфер при работающем двигателе. Ведь наряду с традиционными видами потребителей, появилось множество дополнительных сервисных устройств, улучшающих комфорт водителя и безопасность движения. Батарея компенсирует дефицит энергии при движении по городскому циклу с частыми и длительными остановками, когда генератор не всегда может обеспечить отдачу мощности, необходимую для полного обеспечения всех включенных потребителей. Третья рабочая функция - энергоснабжение при выключенном двигателе. Однако длительное использование электроприборов во время стоянки с неработающим двигателем (или двигателем, работающем на холостом ходу), приводит к глубокому разряду батареи и резкому снижению ее стартерных характеристик.

Батарея предназначена еще и для аварийного электропитания. При отказе генератора, выпрямителя, регулятора напряжения или при обрыве ремня генератора она должна обеспечить работу всех потребителей, необходимых для безопасного движения до ближайшей СТО.

Итак, стартерные аккумуляторные батареи должны удовлетворять следующим основным требованиям:

Обеспечивать нужный для работы стартера разрядный ток, то есть обладать малым внутренним сопротивлением для минимальных внутренних потерь напряжения внутри батареи;

Обеспечивать необходимое количество попыток пуска двигателя с установленной продолжительностью, то есть иметь необходимый запас энергии стартерного разряда;

Иметь достаточно большую мощность и энергию при минимально возможных размерах и массе;

Обладать запасом энергии для питания потребителей при неработающем двигателе или в аварийной ситуации (резервная емкость);

Сохранять необходимое для работы стартера напряжение при понижении температуры в заданных пределах (ток холодной прокрутки);

Сохранять в течение длительного времени работоспособность при повышенной (до 70 "С) температуре окружающей среды;

Принимать заряд для восстановления емкости, израсходованной на пуск двигателя и питание других потребителей, от генератора при работающем двигателе (прием заряда);

Не требовать специальной подготовки пользователей, обслуживания в процессе эксплуатации;

Иметь высокую механическую прочность, соответствующую условиям эксплуатации;

Сохранять указанные рабочие характеристики продолжительное время в процессе эксплуатации (срок службы);

Обладать незначительным саморазрядом;

Иметь невысокую стоимость.

Теоретические основы преобразования химической энергии в электрическую

Химическим источником тока называется устройство, в котором за счет протекания пространственно разделенных окислительно-восстановительных химических реакций их свободная энергия преобразуется в электрическую. По характеру работы эти источники делятся на две группы:

Первичные химические источники тока или гальванические элементы;

Вторичные источники или электрические аккумуляторы.

Первичные источники допускают только однократное использование, так как вещества, образующиеся при их разряде, не могут быть превращены в исходные активные материалы. Полностью разряженный гальванический элемент, как правило, к дальнейшей работе непригоден - он является необратимым источником энергии.

Вторичные химические источники тока являются обратимыми источниками энергии - после как угодно глубокого разряда их работоспособность можно полностью восстановить путем заряда. Для этого через вторичный источник достаточно пропустить электрический ток в направлении, обратном тому, в котором он протекал при разряде. В процессе заряда образовавшиеся при разряде вещества, превратятся в первоначальные активные материалы. Так происходит многократное превращение свободной энергии химического источника тока в электрическую энергию (разряд аккумулятора) и обратное превращение электрической энергии в свободную энергию химического источника тока (заряд аккумулятора).

Прохождение тока через электрохимические системы связано с происходящими при этом химическими реакциями (превращениями). Поэтому между количеством вещества, вступившего в электрохимическую реакцию и подвергшегося превращениям, и количеством затраченного или высвободившегося при этом электричества существует зависимость, которая была установлена Майклом Фарадеем.

Согласно первому закону Фарадея масса вещества, вступившего в электродную реакцию или получившегося в результате ее протекания, пропорциональна количеству электричества, прошедшего через систему.

Согласно второму закону Фарадея, при равном количестве прошедшего через систему электричества массы прореагировавших веществ относятся между собой как их химические эквиваленты.

На практике электрохимическому изменению подвергается меньшее количество вещества, чем по законам Фарадея - при прохождении тока помимо основных электрохимических реакций происходят еще и параллельные или вторичные (побочные), изменяющие массу продуктов, реакции. Для учета влияния таких реакций введено понятие выхода по току.

Выход по току это та часть количества электричества, прошедшего через систему, которая приходится на долю основной рассматриваемой электрохимической реакции

Разряд аккумулятора

Активными веществами заряженного свинцового аккумулятора, принимающими участие в токообразующем процессе, являются:

На положительном электроде - двуокись свинца (темно-коричневого цвета);

На отрицательном электроде - губчатый свинец (серого цвета);

Электролит - водный раствор серной кислоты.

Часть молекул кислоты в водном растворе всегда диссоциирована на положительно заряженные ионы водорода и отрицательно заряженные сульфат-ионы.

Свинец, который является активной массой отрицательного электрода, частично растворяется в электролите и окисляется в растворе с образованием положительных ионов. Освободившиеся при этом избыточные электроны сообщают электроду отрицательный заряд и начинают движение по замкнутому участку внешней цепи к положительному электроду.

Положительно заряженные ионы свинца вступают в реакцию с отрицательно заряженными сульфат-ионами, с образованием сульфата свинца, который имеет незначительную растворимость и поэтому осаждается на поверхности отрицательного электрода. В процессе разряда аккумулятора активная масса отрицательного электрода преобразуется из губчатого свинца в сернокислый свинец с изменением серого цвета на светло-серый.

Двуокись свинца положительного электрода растворяется в электролите в значительно меньшем количестве, чем свинец отрицательного электрода. При взаимодействии с водой диссоциирует (распадается в растворе на заряженные частицы - ионы), образуя ионы четырехвалентного свинца и ионы гидроксила.

Ионы сообщают электроду положительный потенциал и, присоединяя электроны, пришедшие по внешней цепи от отрицательного электрода, восстанавливаются до ионов двухвалентного свинца

Ионы взаимодействуют с ионами, образуя сернокислый свинец, который по указанной выше причине также осаждается на поверхности положительного электрода, как это имело место на отрицательном. Активная масса положительного электрода по мере разряда преобразуется из двуокиси свинца в сульфат свинца с изменением ее цвета из темно-коричневого в светло-коричневый.

В результате разряда аккумулятора активные материалы и положительного, и отрицательного электродов превращаются в сульфат свинца. При этом на образование сульфата свинца расходуется серная кислота и образуется вода из освободившихся ионов, что приводит к снижению плотности электролита при разряде.

Заряд аккумулятора

В электролите у обоих электродов присутствуют в небольших количествах ионы сульфата свинца и воды. Под влиянием напряжения источника постоянного тока, в цепь которого включен заряжаемый аккумулятор, во внешней цепи устанавливается направленное движение электронов к отрицательному выводу аккумулятора.

Двухвалентные ионы свинца у отрицательного электрода нейтрализуются (восстанавливаются) поступившими двумя электронами, превращая активную массу отрицательного электрода в металлический губчатый свинец. Оставшиеся свободными ионы образуют серную кислоту

У положительного электрода под действием зарядного тока двухвалентные ионы свинца отдают два электрона, окисляясь в четырехвалентные. Последние, соединяясь через промежуточные реакции с двумя ионами кислорода, образуют двуокись свинца, которая выделяется на электроде. Ионы и так же, как и у отрицательного электрода, образуют серную кислоту, в результате чего при заряде растет плотность электролита.

Когда процессы преобразования веществ в активных массах положительного и отрицательного электродов окончены, плотность электролита перестает изменяться, что служит признаком окончания заряда аккумулятора. При дальнейшем продолжении заряда происходит так называемый вторичный процесс - электролитическое разложение воды на кислород и водород. Выделяясь из электролита в виде пузырьков газа, они создают эффект его интенсивного кипения, что также служит признаком окончания процесса заряда.

Расход основных токообразующих реагентов

Для получения емкости в один ампер-час при разряде аккумулятора необходимо, чтобы в реакцииприняло участие:

4,463 г двуокиси свинца

3,886 г губчатого свинца

3,660 г серной кислоты

Суммарный теоретический расход материалов для получения 1 А-ч (удельный расход материалов) электричества составит 11,989 г/А-ч, а теоретическая удельная емкость - 83,41 А-ч/кг.

При величине номинального напряжения аккумулятора 2 В теоретический удельный расход материалов на единицу энергии равен 5,995 г/Втч, а удельная энергия аккумулятора составит 166,82 Вт-ч/кг.

Однако на практике невозможно добиться полного использования активных материалов, принимающих участие в токообразующем процессе. Примерно половина поверхности активной массы недоступна для электролита, так как служит основой для построения объемного пористого каркаса, обеспечивающего механическую прочность материала. Поэтому реальный коэффициент использования активных масс положительного электрода составляет 45-55 %, а отрицательного 50-65 %. Кроме того, в качестве электролита используется 35-38%-ный раствор серной кислоты. Поэтому величина реального удельного расхода материалов значительно выше, а реальные значения удельной емкости и удельной энергии значительно ниже, чем теоретические.

Электродвижущая сила

Электродвижущей силой (ЭДС) аккумулятора Е называют разность его электродных потенциалов, измеренную при разомкнутой внешней цепи.

ЭДС батареи, состоящей из n последовательно соединенных аккумуляторов.

Следует различать равновесную ЭДС аккумулятора и неравновесную ЭДС аккумулятора в течение времени от размыкания цепи до установления равновесного состояния (период протекания переходного процесса).

ЭДС измеряют высокоомным вольтметром (внутреннее сопротивление не менее 300 Ом/В). Для этого вольтметр присоединяют к выводам аккумулятора или батареи. При этом через аккумулятор (батарею) не должен протекать зарядный или разрядный ток.

Равновесная ЭДС свинцового аккумулятора, как и любого химического источника тока, зависит от химических и физических свойств веществ, принимающих участие в токообразующем процессе, и совершенно не зависит от размеров и формы электродов, а также от количества активных масс и электролита. Вместе с тем в свинцовом аккумуляторе электролит принимает непосредственное участие в токообразующем процессе на аккумуляторных электродах и изменяет свою плотность в зависимости от степени заряженности аккумуляторов. Поэтому равновесная ЭДС, которая в свою очередь является функцией плотности

Изменение ЭДС аккумулятора от температуры весьма мало и при эксплуатации им можно пренебречь.

Внутреннее сопротивление

Сопротивление, оказываемое аккумулятором протекающему внутри него току (зарядному или разрядному), принято называть внутренним сопротивлением аккумулятора.

Сопротивление активных материалов положительного и отрицательного электродов, а также сопротивление электролита изменяются в зависимости от степени заряженности аккумулятора. Кроме того, сопротивление электролита весьма существенно зависит от температуры.

Поэтому омическое сопротивление также зависит от степени заряженности батареи и температуры электролита.

Сопротивление поляризации зависит от силы разрядного (зарядного) тока и температуры и не подчиняется закону Ома.

Внутреннее сопротивление одного аккумулятора и даже аккумуляторной батареи, состоящей из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов, незначительно и составляет в заряженном состоянии всего несколько тысячных долей Ома. Однако в процессе разряда оно существенно изменяется.

Электрическая проводимость активных масс уменьшается для положительного электрода примерно в 20 раз, а для отрицательного - в 10 раз. Электропроводность электролита также изменяется в зависимости от его плотности. При увеличении плотности электролита от 1,00 до 1,70 г/см3 его электропроводность сначала растет до его максимального значения, а затем вновь уменьшается.

По мере разряда аккумулятора плотность электролита снижается от 1,28 г/см3 до 1,09 г/см3, что приводит к снижению его электропроводности почти в 2,5 раза. В результате омическое сопротивление аккумулятора по мере разряда увеличивается. В разряженном состоянии сопротивление достигает значения, более чем в 2 раза превышающего его величину в заряженном состоянии.

Кроме состояния заряженности существенное влияние на сопротивление аккумуляторов оказывает температура. С понижением температуры удельное сопротивление электролита возрастает и при температуре -40 °С становится примерно в 8 раз больше, чем при +30 °С. Сопротивление сепараторов также резко возрастает с понижением температуры и в том же интервале температуры увеличивается почти в 4 раза. Это является определяющим фактором увеличения внутреннего сопротивления аккумуляторов при низких температурах.

Напряжение при заряде и разряде

Разность потенциалов на полюсных выводах аккумулятора (батареи) в процессе заряда или разряда при наличии тока во внешней цепи принято называть напряжением аккумулятора (батареи). Наличие внутреннего сопротивления аккумулятора приводит к тому, что его напряжение при разряде всегда меньше ЭДС, а при заряде - всегда больше ЭДС.

При заряде аккумулятора напряжение на его выводах должно быть больше его ЭДС на сумму внутренних потерь.

В начале заряда происходит скачок напряжения на величину омических потерь внутри аккумулятора, а затем резкое повышение напряжения за счет потенциала поляризации, вызванное в основном быстрым увеличением плотности электролита в порах активной массы. Далее происходит медленный рост напряжения, обусловленный главным образом ростом ЭДС аккумулятора вследствие увеличения плотности электролита.

После того, как основное количество сульфата свинца преобразуется в РЬО2 и РЬ, затраты энергии все в большей мере вызывают разложение воды (электролиз) Избыточное количество ионов водорода и кислорода, появляющееся в электролите, еще больше увеличивает разность потенциалов разноименных электродов. Это приводит к быстрому росту зарядного напряжения, вызывающему ускорение процесса разложения воды. Образующиеся при этом ионы водорода и кислорода не вступают во взаимодействие с активными материалами. Они рекомбинируют в нейтральные молекулы и выделяются из электролита в виде пузырьков газа (на положительном электроде выделяется кислород, на отрицательном - водород), вызывая "кипение" электролита.

Если продолжить процесс заряда, можно увидеть, что рост плотности электролита и зарядного напряжения практически прекращается, так как уже почти весь сульфат свинца прореагировал, и вся подводимая к аккумулятору энергия теперь расходуется только на протекание побочного процесса - электролитическое разложение воды. Этим объясняется и постоянство зарядного напряжения, которое служит одним из признаков окончания зарядного процесса.

После прекращения заряда, то есть отключения внешнего источника, напряжение на выводах аккумулятора резко снижается до значения его неравновесной ЭДС, или на величину омических внутренних потерь. Затем происходит постепенное снижение ЭДС (вследствие уменьшения плотности электролита в порах активной массы), которое продолжается до полного выравнивания концентрации электролита в объеме аккумулятора и порах активной массы, что соответствует установлению равновесной ЭДС.

При разряде аккумулятора напряжение на его выводах меньше ЭДС на величину внутреннего падения напряжения.

В начале разряда напряжение аккумулятора резко падает на величину омических потерь и поляризации, обусловленной снижением концентрации электролита в порах активной массы, то есть концентрационной поляризации. Далее при установившемся (стационарном) процессе разряда происходит снижение плотности электролита в объеме аккумулятора, обусловливающее постепенное снижение разрядного напряжения. Одновременно происходит изменение соотношения содержания сульфата свинца в активной массе, что также вызывает повышение омических потерь. При этом частицы сульфата свинца (имеющего примерно втрое больший объем в сравнении с частицами свинца и его двуокиси, из которых они образовались) закрывают поры активной массы, чем препятствуют прохождению электролита в глубину электродов.

Это вызывает усиление концентрационной поляризации, приводящее к более быстрому снижению разрядного напряжения.

При прекращении разряда напряжение на выводах аккумулятора быстро повышается на величину омических потерь, достигая значения неравновесной ЭДС. Дальнейшее изменение ЭДС вследствие выравнивания концентрации электролита в порах активных масс и в объеме аккумулятора приводит к постепенному установлению значения равновесной ЭДС.

Напряжение аккумулятора при его разряде определяется в основном температурой электролита и силой разрядного тока. Как сказано выше, сопротивление свинцового аккумулятора (батареи) незначительно и в заряженном состоянии составляет всего несколько миллиОм. Однако при токах стартерного разряда, сила которых в 4-7 раз превышает значение номинальной емкости, внутреннее падение напряжения оказывает существенное влияние на разрядное напряжение. Увеличение омических потерь с понижением температуры связано с ростом сопротивления электролита. Кроме того, резко возрастает вязкость электролита, что затрудняет процесс диффузии его в поры активной массы и повышает концентрационную поляризацию (то есть увеличивает потери напряжения внутри аккумулятора за счет снижения концентрации электролита в порах электродов).

При токе более 60 А зависимость напряжения разряда от силы тока является практически линейной при всех температурах.

Среднее значение напряжения аккумулятора при заряде и разряде определяют как среднее арифметическое значений напряжения, измеренных через равные промежутки времени.

Емкость аккумулятора

Емкость аккумулятора - это количество электричества, полученное от аккумулятора при его разряде до установленного конечного напряжения. В практических расчетах емкость аккумулятора принято выражать в ампер-часах (Ач). Разрядную емкость можно вычислить, умножив силу разрядного тока на продолжительность разряда.

Разрядная емкость, на которую рассчитан аккумулятор и которая указывается изготовителем, называется номинальной емкостью.

Кроме нее, важным показателем является также емкость, сообщаемая батарее при заряде.

Разрядная емкость зависит от целого ряда конструктивных и технологических параметров аккумулятора, а также условий его эксплуатации. Наиболее существенными конструктивными параметрами являются количество активной массы и электролита, толщина и геометрические размеры аккумуляторных электродов. Основными технологическими параметрами, влияющими на емкость аккумулятора, являются рецептура активных материалов и их пористость. Эксплуатационные параметры - температура электролита и сила разрядного тока - также оказывают значительное влияние на разрядную емкость. Обобщенным показателем, характеризующим эффективность работы аккумулятора, является коэффициент использования активных материалов.

Для получения емкости в 1 А-ч, как указывалось выше, теоретически необходимо 4,463 г двуокиси свинца, 3,886 г губчатого свинца и 3,66 г серной кислоты. Теоретический удельный расход активных масс электродов составляет 8,32 г/Ач. В реальных аккумуляторах удельный расход активных материалов при 20-часовом режиме разряда и температуре электролита 25 °С составляет от 15,0 до 18,5 г/А-ч, что соответствует коэффициенту использования активных масс 45-55 %. Следовательно, практический расход активной массы превышает теоретические величины в 2 и более раза.

На степень использования активной массы, а следовательно, и на величину разрядной емкости оказывают влияние следующие основные факторы.

Пористость активной массы. С увеличением пористости улучшаются условия диффузии электролита в глубину активной массы электрода и увеличивается истинная поверхность, на которой протекает токообразующая реакция. С ростом пористости увеличивается разрядная емкость. Величина пористости зависит от размеров частиц свинцового порошка и рецептуры приготовления активных масс, а также от применяемых добавок. Причем повышение пористости приводит к уменьшению долговечности вследствие ускорения процесса деструкции высокопористых активных масс. Поэтому величина пористости выбирается производителями с учетом не только высоких емкостных характеристик, но и обеспечения необходимой долговечности батареи в эксплуатации. В настоящее время оптимальной считается пористость в пределах 46-60 %, в зависимости от назначения батареи.

Толщина электродов. С уменьшением толщины снижается неравномерность нагруженности наружных и внутренних слоев активной массы электрода, что способствует увеличению разрядной емкости. У более толстых электродов внутренние слои активной массы используются весьма незначительно, особенно при разряде большими токами. Поэтому с ростом разрядного тока различия в емкости аккумуляторов, имеющих электроды различной толщины, резко уменьшаются.

Пористость и рациональность конструкции материала сепаратора. С ростом пористости сепаратора и высоты его ребер увеличивается запас электролита в межэлектродном зазоре и улучшаются условия его диффузии.

Плотность электролита. Влияет на емкость аккумулятора, и срок его службы. При повышении плотности электролита емкость положительных электродов увеличивается, а емкость отрицательных, особенно при отрицательной температуре, снижается вследствие ускорения пассивации поверхности электрода. Повышенная плотность также отрицательно сказывается на сроке службы аккумулятора вследствие ускорения коррозионных процессов на положительном электроде. Поэтому оптимальная плотность электролита устанавливается исходя из совокупности требований и условий, в которых эксплуатируется батарея. Так, например, для стартерных батарей, работающих в умеренном климате, рекомендована рабочая плотность электролита 1,26-1,28 г/см3, а для районов с жарким (тропическим) климатом 1,22-1,24 г/см3.

Сила разрядного тока, которым аккумулятор должен непрерывно разряжаться в течение заданного времени (характеризует режим разряда). Режимы разряда условно разделяют на длительные и короткие. При длительных режимах разряд происходит малыми токами в течение нескольких часов. Например, 5-, 10- и 20-часовой разряды. При коротких или стартерных разрядах сила тока в несколько раз больше номинальной емкости аккумулятора, а разряд длится несколько минут или секунд. При увеличении разрядного тока скорость разряда поверхностных слоев активной массы возрастает в большей степени, чем глубинных. В результате рост сернокислого свинца в устьях пор происходит быстрее, чем в глубине, и пора закупоривается сульфатом раньше, чем успевает прореагировать ее внутренняя поверхность. Вследствие прекращения диффузии электролита внутрь поры реакция в ней прекращается. Таким образом, чем больше разрядный ток, тем меньше емкость аккумулятора, а следовательно, и коэффициент использования активной массы.

Для оценки пусковых качеств батарей их емкость характеризуется также количеством прерывистых стартерных разрядов (например, длительностью 10-15 с с перерывами между ними по 60 с). Емкость, которую отдает батарея при прерывистых разрядах, превышает емкость при непрерывном разряде тем же током, особенно при стартерном режиме разряда.

В настоящее время в международной практике оценки емкостных характеристик стартерных аккумуляторов применяется понятие "резервная" емкость. Она характеризует время разряда батареи (в минутах) при силе разрядного тока 25 А независимо от номинальной емкости батареи. По усмотрению производителя допускается устанавливать величину номинальной емкости при 20-часовом режиме разряда в ампер-часах или по резервной емкости в минутах.

Температура электролита. С ее понижением разрядная емкость аккумуляторов уменьшается. Причина этого - повышение вязкости электролита и его электрического сопротивления, что замедляет скорость диффузии электролита в поры активной массы. Кроме того, с понижением температуры ускоряются процессы пассивации отрицательного электрода.

Температурный коэффициент емкости а показывает изменение емкости в процентах при изменении температуры на 1 °С.

При испытаниях сравнивают разрядную емкость, полученную при длительном режиме разряда с величиной номинальной емкости, определяемой при температуре электролита +25 °С.

Температура электролита при определении емкости на длительном режиме разряда в соответствии с требованиями стандартов должна находиться в пределах от +18 °С до +27 °С.

Параметры стартерного разряда оценивают продолжительностью разряда в минутах и напряжением в начале разряда. Эти параметры определяются на первом цикле при +25 °С (проверка для сухозаряженных батарей) и на последующих циклах при температурах -18 °С или -30 °С.

Степень заряженности. С увеличением степени заряженности при прочих равных условиях емкость увеличивается и достигает своего максимального значения при полном заряде батарей. Это обусловлено тем, что при неполном заряде количество активных материалов на обоих электродах, а также плотность электролита не достигают своих максимальных значений.

Энергия и мощность аккумулятора

Энергия аккумулятора W выражается в Ватт-часах и определяется произведением его разрядной (зарядной) емкости на среднее разрядное (зарядное) напряжение.

Так как с изменением температуры и режима разряда меняются емкость аккумулятора и его разрядное напряжение, то при понижении температуры и увеличении разрядного тока энергия аккумулятора уменьшается еще более значительно, чем его емкость.

При сравнении между собой химических источников тока, различающихся по емкости, конструкции и даже по электрохимической системе, а также при определении направлений их усовершенствования пользуются показателем удельной энергии, - энергии, отнесенной к единице массы аккумулятора или его объема. Для современных свинцовых стартерных необслуживаемых батарей удельная энергия при 20-часовом режиме разряда составляет 40-47 Вт ч/кг.

Количество энергии, отдаваемой аккумулятором в единицу времени, называется его мощностью. Ее можно определить как произведение величины разрядного тока на среднее разрядное напряжение.

Саморазряд аккумулятора

Саморазрядом называют снижение емкости аккумуляторов при разомкнутой внешней цепи, то есть при бездействии. Это явление вызвано окислительно-восстановительными процессами, самопроизвольно протекающими как на отрицательном, так и на положительном электродах.

Саморазряду особенно подвержен отрицательный электрод вследствие самопроизвольного растворения свинца (отрицательной активной массы) в растворе серной кислоты.

Саморазряд отрицательного электрода сопровождается выделением газообразного водорода. Скорость самопроизвольного растворения свинца существенно возрастает с повышением концентрации электролита. Повышение плотности электролита с 1,27 до 1,32 г/см3 приводит к росту скорости саморазряда отрицательного электрода на 40 %.

Наличие примесей различных металлов на поверхности отрицательного электрода оказывает весьма значительное влияние (каталитическое) на увеличение скорости саморастворения свинца (вследствие снижения перенапряжения выделения водорода). Практически все металлы, встречающиеся в виде примесей в аккумуляторном сырье, электролите и сепараторах, или вводимые в виде специальных добавок, способствуют повышению саморазряда. Попадая на поверхность отрицательного электрода, они облегчают условия выделения водорода.

Часть примесей (соли металлов с переменной валентностью) действуют как переносчики зарядов с одного электрода на другой. В этом случае ионы металлов восстанавливаются на отрицательном электроде и окисляются на положительном (такой механизм саморазряда приписывают ионам железа).

Саморазряд положительного активного материала обусловлен протеканием реакции.

2РЬО2 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + О2 Т.

Скорость данной реакции также возрастает с ростом концентрации электролита.

Так как реакция протекает с выделением кислорода, то скорость ее в значительной степени определяется кислородным перенапряжением. Поэтому добавки, снижающие потенциал выделения кислорода (например, сурьма, кобальт, серебро), будут способствовать росту скорости реакции саморастворения двуокиси свинца. Скорость саморазряда положительного активного материала в несколько раз ниже скорости саморазряда отрицательного активного материала.

Другой причиной саморазряда положительного электрода является разность потенциалов материала токоотвода и активной массы этого электрода. Возникающий вследствие этой разности потенциалов гальванический микроэлемент превращает при протекании тока свинец токоотвода и двуокись свинца положительной активной массы в сульфат свинца.

Саморазряд может возникать также, когда аккумулятор снаружи загрязнен или залит электролитом, водой или другими жидкостями, которые создают возможность разряда через электропроводную пленку, находящуюся между полюсными выводами аккумулятора или его перемычками. Этот вид саморазряда не отличается от обычного разряда очень малыми токами при замкнутой внешней цепи и легко устраним. Для этого необходимо содержать поверхность батарей в чистоте.

Саморазряд батарей в значительной мере зависит от температуры электролита. С понижением температуры саморазряд уменьшается. При температуре ниже 0 °С у новых батарей он практически прекращается. Поэтому хранение батарей рекомендуется в заряженном состоянии при низких температурах (до -30 °С).

В процессе эксплуатации саморазряд не остается постоянным и резко усиливается к концу срока службы.

Снижение саморазряда возможно за счет повышения перенапряжения выделений кислорода и водорода на аккумуляторных электродах.

Для этого необходимо, во-первых, использовать возможно более чистые материалы для производства аккумуляторов, уменьшать количественное содержание легирующих элементов в аккумуляторных сплавах, использовать только

чистую серную кислоту и дистиллированную (или близкую к ней по чистоте при других методах очистки) воду для приготовления всех электролитов, как при производстве, так и при эксплуатации. Например, благодаря снижению содержания сурьмы в сплаве токо-отводов с 5 % до 2 % и использованию дистиллированной воды для всех технологических электролитов, среднесуточный саморазряд снижается в 4 раза. Замена сурьмы на кальций позволяет еще больше снизить скорость саморазряда.

Снижению саморазряда могут также способствовать добавки органических веществ - ингибиторов саморазряда.

Применение общей крышки и скрытых межэлементных соединений в значительной степени снижает скорость саморазряда от токов утечки, так как значительно снижается вероятность гальванической связи между далеко отстоящими полюсными выводами.

Иногда саморазрядом называют быструю потерю емкости вследствие короткого замыкания внутри аккумулятора. Такое явление объясняется прямым разрядом через токопроводящие мостики, образовавшиеся между разноименными электродами.

Применение сепараторов-конвертов в необслуживаемых аккумуляторах

исключает возможность образования коротких замыканий между разноименными электродами в процессе эксплуатации. Однако такая вероятность остается вследствие возможных сбоев в работе оборудования при массовом производстве. Обычно такой дефект выявляется в первые месяцы эксплуатации и батарея подлежит замене по гарантии.

Обычно степень саморазряда выражают в процентах потери емкости за установленный период времени.

Действующими в настоящее время стандартами саморазряд характеризуется также напряжением стартерного разряда при -18 °С после испытания: бездействия в течение 21 суток при температуре +40 °С.

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА

Электродвижущей силой (ЭДС) аккумулятора (Е 0) называют разность его электродных потенциалов, измеренную при разомкнутой внешней цепи в стационарном (равновесном) состоянии, то есть:

Е 0 = φ 0 + + φ 0 - ,

где φ 0 + и φ 0 - соответственно – равновесные потенциалы положительного и отрицательного электродов при разомкнутой внешней цепи, В.

ЭДС батареи, состоящей из n последовательно соединенных аккумуляторов:

Е 0б = n×E 0 .

Электродный потенциал в общем случае определяется, как разность между потенциалом электрода при разряде или заряде и его потенциалом в равновесном состоянии в отсутствие тока. Однако, следует отметить, что состояние аккумулятора сразу после выключения зарядного или разрядного тока не является равновесным, так как концентрация электролита в порах электродов и межэлектродном пространстве неодинакова. Поэтому электродная поляризация сохраняется в аккумуляторе довольно длительное время и после отключения зарядного или разрядного тока. В этом случае она характеризует отклонение электродного потенциала от равновесного значения j 0 за счёт диффузионного выравнивания концентрации электролита в аккумуляторе, от момента размыкания внешней цепи до установления равновесного стационарного состояния.

φ = φ 0 ± ψ

Знак «+» в этом уравнении соответствует остаточной поляризации y после окончания зарядного процесса, знак «–» – после окончания разрядного процесса.

Таким образом, следует различать равновесную ЭДС (E 0 )аккумулятора и неравновесную ЭДС , а точнее НРЦ (U 0 ) аккумулятора в течение времени от размыкания цепи до установления равновесного состояния (период протекания переходного процесса):

E 0 = φ 0 + - φ 0 - = Δφ 0 (12)

U 0 = φ 0 + -φ 0 - ± (ψ + - ψ -) = Δφ 0 ± Δψ (13)

В этих равенствах:

Δφ 0 – разность равновесных потенциалов электродов, (V);

Δψ – разность потенциалов поляризации электродов, (V).

Как указано в разделе 3.1, величину неравновесной ЭДС при отсутствии тока во внешней цепи называют, в общем случае, напряжением разомкнутой цепи (НРЦ).

ЭДС или НРЦ измеряют высокоомным вольтметром (внутреннее сопротивление не менее 300 Ом/В). Для этого вольтметр присоединяют к выводам аккумулятора или батареи. При этом через аккумулятор (батарею) не должен протекать зарядный или разрядный ток.

Если сравнить уравнения (12 и 13), то увидим, что равновесная ЭДС отличается от НРЦ на разность потенциалов поляризации.

Δψ = U 0 - E 0

Параметр Δψ будет положительным после выключения зарядного тока (U 0 > Е 0 ) и отрицательным после выключения разрядного тока (U 0 < Е 0 ). В первый момент после выключения зарядного тока Δψ составляет примерно 0,15-0,2 В на аккумулятор, а после выключения разрядного тока 0,2-0,25 В на аккумулятор в зависимости от режима предшествовавшего заряда или разряда. С течением времени Δψ по абсолютной величине уменьшается до нуля по мере затухания переходных процессов в аккумуляторах, связанных в основном с диффузией электролита в порах электродов и межэлектродном пространстве.

Так как скорость диффузии сравнительно невелика, время затухания переходных процессов может составлять от нескольких часов до двух суток, в зависимости от силы разрядного (зарядного) тока и температуры электролита. Причём снижение температуры влияет на скорость затухания переходного процесса значительно сильнее, так как с понижением температуры ниже нуля градусов (по Цельсию) скорость диффузии снижается в несколько раз.

Равновесная ЭДС свинцового аккумулятора (Е 0 ), как и любого химического источника тока, зависит от химических и физических свойств веществ, принимающих участие в токообразующем процессе, и совершенно не зависит от размеров и формы электродов, а также от количества активных масс и электролита. Вместе с тем, в свинцовом аккумуляторе электролит принимает непосредственное участие в токообразующем процессе на аккумуляторных электродах и изменяет свою плотность в зависимости от степени заряженности аккумуляторов. Поэтому равновесная ЭДС, которая, в свою очередь, является функцией плотности электролита , будет также функцией степени заряженности аккумулятора.

Для вычисления НРЦ по измеренной плотности электролита используют эмпирическую формулу

U 0 = 0,84 + d э

где «d э » – плотность электролита при температуре 25ºС в г/см 3 ;

Когда измерить плотность электролита в аккумуляторах не представляется возможным (например – у открытых батарей исполнения VL без пробок или у закрытых батарей исполнения VRLA), о состоянии заряженности можно судить по величине НРЦ в состоянии покоя, то есть не ранее, чем через 5-6 часов после выключения зарядного тока (остановки двигателя автомобиля). Значение НРЦ для батарей, имеющих уровень электролита, соответствующий требованиям руководства по эксплуатации, с различной степенью заряженности при разных температурах приведено в Табл. 1

Таблица 1

Изменение ЭДС аккумулятора от температуры весьма малозначительно (менее 3·10 -4 В/град) и при эксплуатации аккумуляторных батарей им можно пренебречь.

ВНУТРЕННЕЕ ОПРОТИВЛЕНИЕ

Сопротивление, оказываемое аккумулятором протекающему внутри него току (зарядному или разрядному), принято называтьвнутренним сопротивлением аккумулятора.