Назначение и условия эксплуатации

Автомобильная аккумуляторная батарея предназначена для электроснабжения стартера при пуске двигателя внутреннего сгорания и других потребителей электроэнергии при неработающем генераторе или недостатке развиваемой им мощности. Работая параллельно с генераторной установкой, батарея устраняет перегрузки генератора и возможные перенапряжения в системе электрооборудования в случае нарушения регулировки или при выходе из строя регулятора напряжения, сглаживает пульсации напряжения генератора, а также обеспечивает питание всех потребителей в случае отказа генератора и возможность дальнейшего движения автомобиля за счет резервной емкости.

 Наиболее мощным потребителем энергии аккумуляторной батареи является электростартер. В зависимости от мощности стартера и условий пуска двигателя сила тока стартерного режима разряда может достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер. Сила тока стартерного режима разряда резко возрастает при эксплуатации автомобилей в зимний период (пуск холодного двигателя).

Батарея на автомобиле входит в состав не только системы электростартерного пуска, но и других систем электрического и электронного оборудования.

После разряда на пуск двигателя и питание других потребителей батарея подзаряжается от генераторной установки. Частое чередование режимов разряда и заряда (циклирование) - одна из характерных особенностей работы батарей на автомобилях.

При большом разнообразии выпускаемых моделей автомобилей и климатических условий их эксплуатации, в массовом производстве батарей наряду с определением оптимальных экономических параметров должное внимание уделяется их унификации, повышению надежности и сроков службы. Надежность и срок службы аккумуляторных батарей находятся в прямой зависимости от технического уровня их конструкций и условий работы на автомобиле.

Обычно аккумуляторные батареи на автомобилях после пуска двигателя работают в режиме подзаряда и сконструированы таким образом, чтобы развивать достаточную мощность в кратковременном стартерном режиме разряда при низких температурах. Однако на некоторых видах автомобилей, где установлено электро- и радиооборудование повышенного энергопотребления, аккумуляторные батареи могут подвергаться длительным разрядам токами большой силы. Батареи на таких автомобилях должны быть устойчивы к глубоким разрядам.

Условия, в которых работает аккумуляторная батарея, зависят от типа, назначения, климатической зоны эксплуатации автомобиля, а также от места установки ее на автомобиле. Режимы работы аккумуляторной батареи на автомобиле определяются температурой электролита, уровнем вибрации и тряски, периодичностью, объемом и качеством технического обслуживания, параметрами стартерного разряда, силой токов и продолжительностью разряда и заряда при циклировании, уровнем надежности и исправности электрооборудования, продолжительностью работы и перерывов  в эксплуатации.

Наибольшее влияние на работу аккумуляторных батарей оказывают место размещения и способ крепления батарей на автомобиле, интенсивность и регулярность эксплуатации автомобиля (среднесуточный пробег), температурные условия эксплуатации (климатический район, время года и суток), назначение автомобиля, соответствие характеристик генераторной установки, аккумуляторной батареи и потребителей электроэнергии.

Требования к стартерным аккумуляторным батареям

Особенности режима работы "на электростартер" выделяют автомобильные аккумуляторные батареи в особый класс стартерных батарей. Высокая электродвижущая сила и малое внутреннее сопротивление обусловили широкое применение на автомобилях стартерных свинцовых аккумуляторных батарей.

Учитывая сложные условия работы, к автомобильным аккумуляторным батареям предъявляется ряд требований, выполнение которых обеспечивает их высокую эксплуатационную надежность. В перечне этих требований высокая механическая прочность, работоспособность в широком диапазоне температур и разрядных токов, малое внутреннее сопротивление, небольшие потери энергии при длительном бездействии (малый саморазряд), необходимая емкость при небольших габаритных размерах и массе, достаточный срок службы, малые затраты труда и средств на техническое обслуживание.

Батареи должны иметь достаточный запас энергии для осуществления надежного пуска двигателя при низких температурах, для питания потребителей электроэнергии на автомобиле в случае выхода из строя генераторной установки, а также для других нужд, возникающих в аварийных ситуациях.

Батареи обычной конструкции и с общей крышкой должны быть механически прочными при испытании в следующем режиме:

    ускорение, м/с2 - 147 (15g)

    длительность импульсов, мс (только в вертикальном направлении) 2-15

    общее число ударов, тыс. - 10

    ориентировочное число ударов в минуту - 40÷80.

После испытаний батареи должны иметь нормированную продолжительность стартерного разряда, не должны иметь поврежденных деталей и следов электролита на своей поверхности.

Необслуживаемые батареи и батареи с общей крышкой должны быть вибропрочными при кратковременном испытании при ускорении 5g с частотой до ЗО Гц. Вибрационная нагрузка в местах установки аккумуляторных батарей не должна превышать 1,5g (ускорение 14,7 м/с²) в диапазоне частот до 60 Гц. Допускается кратковременная вибрационная нагрузка 5g (ускорение 49 м/с²) с ориентировочной частотой до З0 Гц.

Аккумуляторные батареи должны выдерживать испытание на герметичность на выводах и в стыках между моноблоком и крышками при давлении, повышенном или пониженном на (20±1,З3) кПа по сравнению с нормальным атмосферным. Герметизирующие материалы должны быть стойкими к воздействию температур в пределах от -40 до 160°С, а сварные швы - в пределах от -50 до 60°С.

Полная герметичность аккумуляторных батарей с решетками электродов из свинцово-сурьмянистых сплавов невозможна вследствие выделения газов как во время работы, так и при хранении.

Стартерные свинцовые аккумуляторные батареи должны быть работоспособными при температуре окружающего воздуха от - 40 до 60°С (батареи обычной конструкции) и от -50 до 60°С (батареи с общей крышкой и необслуживаемые). Рабочая температура электролита не должна превышать 50°С.

Следует обеспечить свободный доступ к аккумуляторной батарее для осмотра и технического обслуживания. Техническое обслуживание батареи должно быть минимальным по объему, не требовать от водителей и обслуживающего персонала высокой квалификации (специальной подготовки), использования сложного и дорогостоящего оборудования.

Важное требование к стартерным аккумуляторным батареям - минимальное внутреннее сопротивление и внутреннее падение напряжения при больших токах разряда в стартерном режиме. Батареи должны выдерживать кратковременные разряды стартерными токами большой силы без разрушения пластин и ухудшения характеристик при дальнейшей эксплуатации.

Срок службы стартерных аккумуляторных батарей должен быть близким или кратным срокам межремонтного пробега автомобиля.

Принцип работы свинцового аккумулятора

Свинцовые аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока, которые могут использоваться многократно. Активные материалы, израсходованные в процессе разряда, восстанавливаются при последующем заряде.

Химический источник тока представляет собой совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы в процессе токообразующей реакции отдает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восстанавливается.

Электролитом, как правило, является жидкое химическое соединение, обладающее хорошей ионной и малой электронной проводимостью. В свинцовом аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют двуокись свинца (диоксид свинца) РЬО₂ (окислитель) положительного электрода, губчатый свинец РЬ (восстановитель) отрицательного электрода и электролит (водный раствор серной кислоты H₂S0₄).

Активные вещества электродов представляют собой относительно жесткую пористую электронопроводящую массу с диаметром пор 1,5 мкм у РЬО₂ и 5-10 мкм у губчатого свинца. Объемная пористость активных веществ в заряженном состоянии - около 50%.

Часть серной кислоты в электролите диссоциирована на положительные ионы водорода Н⁺ и отрицательные ионы кислотного остатка SO₄^2-. Губчатый свинец при разряде аккумулятора выделяет в электролит положительные ионы двухвалентного свинца РЬ²⁺.  Избыточные электроны отрицательного электрода по внешнему участку замкнутой электрической цепи перемещаются к положительному электроду, где восстанавливают четырехвалентные ионы свинца РЬ⁴⁺ до двухвалентного свинца РЬ²⁺.

Положительные ионы свинца РЬ²⁺ соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка SO₄^2-, образуя на обоих электродах сернокислый свинец РЬSО₄ (сульфат свинца).

При подключении аккумулятора к зарядному устройству электроны движутся к отрицательному электроду, нейтрализуя двухвалентные ионы свинца РЬ²⁺. На электроде выделяется губчатый свинец РЬ. Отдавая под влиянием напряжения внешнего источника тока по два электрона, двухвалентные ионы свинца РЬ²⁺ у положительного электрода окисляются в четырехвалентные ионы РЬ⁴⁺. Через промежуточные реакции ионы РЬ⁴⁺ соединяются с двумя ионами кислорода и образуют двуокись свинца РЬO₂.

Химические реакции в свинцовом аккумуляторе описываются уравнением:

Содержание в электролите серной кислоты и плотность электролита уменьшаются при разряде и увеличиваются при заряде. По плотности электролита судят о степени разряженности свинцового аккумулятора:

где ΔC_p - степень разряженности аккумулятора, %;

      Р_З и Р_р - плотность электролита соответственно полностью заряженного и полностью разряженного аккумулятора при температуре 25°С, г/см²;

      Р₂₅ - измеренная плотность электролита, приведенная к температуре 25°С, г/см³.

Расход кислоты у положительных электродов больше, чем у отрицательных. Если учитывать количество воды, образующейся у положительных электродов, то количество кислоты, необходимое для них в течение разряда, в 1,6 раза больше, чем для отрицательных.

При разряде происходит незначительное увеличение объема электролита, а при заряде - уменьшение (около 1 см³ на 1 А·ч). На 1 А·ч электрической емкости расходуется: при разряде - свинца 3,86 г, диоксида свинца 4,44 г, серной кислоты 3,67 г, а при заряде - воды 0,672 г, сульфата свинца 11,6 г.

Устройство и конструктивные схемы батарей

Различные типы стартерных аккумуляторных батарей имеют свои конструктивные особенности, однако в их устройстве много общего. По конструктивно-функциональному признаку выделяют батареи:

a)    обычной конструкции - в моноблоке с ячеечными крышками и межэлементными перемычками над крышками;

b)    батареи в моноблоке с общей крышкой и межэлементными перемычками под крышкой;

c)    батареи необслуживаемые - с общей крышкой, не требующие ухода в эксплуатации.

Свинцовый аккумулятор, как обратимый химический источник тока, состоит из блока разноименных электродов, помещенных в сосуд, заполненный электролитом. Стартерная батарея в зависимости от требуемого напряжения содержит несколько последовательно соединенных аккумуляторов.

В стартерных батареях собранные в полублоки 3 и 12 (рис. 1) положительные 15 и отрицательные 16 электроды (пластины) аккумуляторов размещены в отдельных ячейках моноблока (корпуса) 2. Разнополярные электроды в блоках разделены сепараторами 9. Батареи обычной конструкции выполнены в моноблоке с ячеечными крышками 7. Заливочные отверстия в крышках закрыты пробками 5. Межэлементные перемычки 6 расположены над крышками. В качестве токоотводов предусмотрены полюсные выводы 8. Кроме того, в батарее может быть размещен предохранительный щиток. В конструкции батареи предусматривают и дополнительные крепежные детали.

Электроды

Электроды в виде пластин намазного типа имеют решетки, ячейки которых заполнены активными веществами. В полностью заряженном свинцовом аккумуляторе диоксид свинца положительного электрода имеет темно-коричневый цвет, а губчатый свинец отрицательного электрода - серый цвет.

Решетки электродов выполняют функции подвода тока к активному веществу и механического удержания активного вещества. Решетки электродов имеют рамку 2 (рис. 2), вертикальные ребра и горизонтальные жилки 4, ушки 1 и по две опорные ножки 3 (кроме решеток отрицательных электродов необслуживаемых батарей).

Ребра могут быть и наклонными. Профиль ребер и жилок обеспечивает легкое извлечение решетки из литейной формы. Горизонтальные жилки по толщине обычно меньше вертикальных ребер и располагаются в шахматном порядке.

Рамка, как правило, намного массивнее жилок. Освинцованная сетка металлической решетки с увеличенной поверхностью (рис. 2, д) имеет лучшее сцепление с активным веществом электрода, уменьшая действие коррозии и увеличивая срок службы батареи.

Решетка электрода должна обеспечивать равномерное распределение тока по всей массе активных материалов, поэтому имеет форму, близкую к квадратной. Толщина решеток электродов выбирается в зависимости от режимов работы и установленного срока службы аккумуляторной батареи. Решетки отрицательных электродов имеют меньшую толщину, так как они в меньшей степени подвержены деформации и коррозии. Масса решетки составляет до 50% всей массы электрода.

Решетки электродов изготавливают методом литья из сплава свинца и сурьмы с содержанием сурьмы от 4 до 5% и добавлением мышьяка (0,1÷0,2%). Сурьма увеличивает стойкость решетки против коррозии, повышает ее твердость, улучшает текучесть сплава при отливке решеток, снижает окисление решеток при хранении. Добавка мышьяка снижает коррозию решеток.

Однако сурьма оказывает каталитическое воздействие на электролиз воды, содержащейся в электролите, снижая потенциалы разложения воды на водород и кислород до рабочих напряжений генераторной установки. Наличие сурьмы в решетках положительных пластин приводит в процессе эксплуатации батареи к переносу части сурьмы на поверхность активной массы отрицательных пластин и в электролит, что сказывается на повышении потенциала отрицательной пластины и понижении электродвижущей силы (ЭДС) в процессе эксплуатации.

При постоянном напряжении генератора понижение ЭДС батареи приводит к повышению зарядного тока, расходу воды и обильному газовыделению. Для снижения интенсивности газообразования решетки электродов для необслуживаемых аккумуляторных батарей изготавливают из свинцово-кальциевооловянистых или малосурьмянистых (до 2,5%сурьмы) сплавов. Содержание 0,05÷0,09% кальция, 0,5÷1% олова, а также добавление 1,5% кадмия обеспечивают повышение напряжения начала газовыделения до 2,45 В и в 15÷17 раз снижает потерю воды от электролиза. Это позволяет контролировать и корректировать уровень электролита в необслуживаемой батарее не чаще одного раза в год.

Отсутствие выделений взрывоопасных смесей водорода и кислорода облегчает задачу утепления и обогрева батарей.

Ячейки решеток электродов заполнены пористым активным веществом (пастой). Основой пасты электродов является свинцовый порошок, замешиваемый в водном растворе серной кислоты. С целью увеличения прочности активного вещества в пасту для положительных электродов добавляют полипропиленовое волокно.

Уплотнение активного вещества отрицательных электродов в процессе эксплуатации предотвращается благодаря добавлению в пасту расширителей (сажа, дубитель БНФ, гумматы, получаемые из торфа и т.д.) в смеси с сернокислым барием.

Тестообразную пасту вмазывают в решетки электродов. После намазки, прессования и сушки электроды подвергают электрохимической обработке (формированию).

Пористая структура активного вещества после формирования электродов обеспечивает лучшее проникновение электролита в глубинные слои и повышает коэффициент использования активных материалов. Активная поверхность пористого вещества (поверхность непосредственно контактирующая с электролитом) в сотни раз превышает геометрическую поверхность электрода.

Отрицательные и положительные электроды с помощью бареток соединяют в полублоки. Баретки имеют мостики, к которым своими ушками привариваются решетки электродов и выводные штыри (борны). Борны являются токоотводами полублоков пластин. Мостики обеспечивают необходимый зазор между электродами. Число параллельно соединенных электродов в полублоках увеличивается с возрастанием номинальной емкости аккумулятора.

Полублоки объединены в блоки электродов. В зависимости от предъявляемых к батарее требований соотношение между количеством положительных и отрицательных электродов может быть различным, однако число разнополярных электродов отличается не более чем на единицу.

Число отрицательных электродов в блоках на один больше, чем положительных. В токообразующих реакциях участвует относительно большее количество активного вещества положительных электродов. Находясь между двумя отрицательными электродами, положительный электрод при заряде и разряде меньше деформируется.

При таком счете пластин положительные электроды, как правило, на 10÷20% толще отрицательных, а крайние отрицательные электроды имеют толщину на 40% меньше положительных. В некоторых батареях количество разнополярных электродов одинаково или больше числа положительных электродов. В этих случаях электроды имеют одинаковую толщину.

Электродный блок с большим числом положительных пластин имеет меньшую материалоемкость. В некоторых конструкциях батарей блок электродов (рис. 3) дополнительно крепится к баретке 1 с помощью полиуретана 2, что значительно повышает стойкость батареи к вибрации.

Сепараторы

Электроды в блоках разделены сепараторами. Сепараторы предотвращают короткое замыкание между разнополярными электродами, обеспечивают необходимый для высокой ионной проводимости запас электролита в междуэлектродном пространстве и предотвращают возможность переноса электролита от одного электрода к другому.

Кроме того, сепараторы фиксируют зазор между электродами и исключают вероятность их сдвига при тряске и вибрации. Качество сепараторов оказывает существенное влияние на работу свинцового аккумулятора.

От омического сопротивления сепараторов зависит внутреннее падение напряжения в батарее и уровень напряжения на выводах электростартера. Сепараторы замедляют оплывание активного вещества положительных электродов и скорость сульфатации отрицательных электродов, продлевая срок службы батареи.

Сепараторы должны обладать высокой пористостью, достаточной механической прочностью, кислотостойкостью, эластичностью, минимальной гигроскопичностью при длительном хранении батареи в сухозаряженном состоянии и сохранять свои свойства в широком диапазоне температур.

Электросопротивление сепаратора, пропитанного электролитом, должно быть минимальным по отношению к сопротивлению такого же по объему и геометрическим размерам слоя электролита. Для массовых автомобильных батарей важна также дешевизна и доступность сырья, простота изготовления.

В свинцовых аккумуляторах применяют сепараторы из мипора, мипласта, поровинила,

пластипора и винипора (табл. 1). В стартерных свинцовых аккумуляторных батареях устанавливают сепараторы из мипора и мипласта.

Мипор (микропористый эбонит) получают в результате вулканизации смеси натурального каучука с силикагелем и серой. К недостаткам сепараторов из мипора относятся хрупкость, малая скорость пропитки электролитом, дефицитность сырья и большая стоимость.

Таблица 1. Показатели сепараторов свинцовых аккумуляторов из разных материалов

* - коэффициент извилистости пор показывает, во сколько раз средняя длина пор больше, чем толщина сепаратора.

Мипласт или микропористый полихлорвинил изготовляют из полихлорвиниловой смолы путем спекания. Технологический процесс изготовления сепараторов из мипласта проще, сырье менее дефицитно. Мипласт быстро пропитывается электролитом, обладает низким относительным электросопротивлением и достаточной механической прочностью. Имея меньшую пористость и больший диаметр пор по сравнению с мипором, мипласт менее стоек к образованию токопроводящих мостиков между электродами. Срок службы аккумуляторных батарей с сепараторами из мипласта меньше.

Сепараторы из мипора и мипласта не должны иметь влажность более 2%, а также сквозных микроотверстий, которые можно обнаружить при просвечивании электрической лампой мощностью 100 Вт, расположенной на расстоянии 100 мм от сепаратора.

Механическую прочность сепаратора оценивают по сопротивлению на разрыв, по способности выдерживать изгиб вокруг валика диаметром 60 мм (сепараторы из мипора) и диаметром 45-60 мм (сепараторы из мипласта).

Сепараторы из мипора и мипласта представляют собой тонкие (1-2 мм) прямоугольные пластины с трапециедальными, круглыми или овальными вертикальными выступами (рис. 4), которые обращены к положительному электроду для лучшего доступа к нему электролита. Небольшие ребра высотой 0,15-0,2 мм со стороны, обращенной к отрицательному электроду, снижают вероятность «прорастания» сепаратора, улучшают условия диффузии и конвекции электролита около отрицательного электрода.

Размеры сепараторов из мипора и мипласта на 3-5 мм по ширине и на 9-10 мм по высоте больше, чем у электродов. Это исключает появление токопроводящих мостиков по торцам пластин и сепараторов.

В необслуживаемых батареях применяют пленочные сепараторы и сепараторы-конверты (рис. 5), образуемые двумя сваренными с трех сторон пластиковыми сепараторами. При установке в сепаратор-конверт одного из аккумуляторных электродов, например, отрицательного, замыкание электродов разноименной полярности шламом исключается.

Это позволяет устанавливать блоки электродов непосредственно на дно моноблоков без призм и шламового пространства. При сохранении высоты батареи можно более чем в 2 раза увеличить высоту h (рис 6) слоя электролита над электродами в ячейках моноблока и, следовательно, ту часть объема электролита, которая может быть израсходована в период эксплуатации между очередными добавками дистиллированной воды. При исправном электрооборудовании и отсутствии нарушений в эксплуатации необходимость в добавлении воды в батарею может возникнуть не чаще 1 раза в 1-2 года.

Моноблоки. Крышки. Пробки

Моноблоки стартерных аккумуляторных батарей изготавливают из эбонита или другой пластмассы. Тяжелые и хрупкие моноблоки из эбонита в настоящее время заменяются моноблоками из термопласта (наполненного полиэтилена), полипропилена и полистирола.

Высокая прочность полипропилена позволила уменьшить толщину стенок до 1,5-2,5 мм и тем самым уменьшить массу моноблока и батареи. Тонкие стенки моноблока из полипропилена делают более жесткими за счет рационального выбора конструктивных форм моноблоков. Достаточная прозрачность полипропилена упрощает контроль уровня электролита в батарее.

Внутри моноблок разделен прочными непроницаемыми перегородками 2 (рис. 7) на отдельные ячейки по числу аккумуляторов в батарее. В ячейках моноблока размещают собранные в блоки электроды и сепараторы. В батареях с обычными сепараторами на дне каждой ячейки предусмотрены четыре призмы 1, образующие пространство для шлама (активных веществ электродов, осыпающихся при работе батареи на дно ячеек).

На опорные призмы своими ножками устанавливают электроды (разноименные электроды на свои две призмы), что исключает их короткое замыкание шламом. На перегородках моноблока предусмотрены вертикальные выступы (пилястры) 3 для лучшей циркуляции электролита у электродов, прилегающих к перегородкам.

При использовании эбонита для изготовления моноблока, крышки и других корпусных деталей, масса их достигает 15-18% от полной массы аккумуляторной батареи. Кроме того, эбонит отличается повышенной хрупкостью при низких (отрицательных) температурах.

Достаточная механическая прочность моноблока из эбонита достигается лишь при толщине стенок до 9-12 мм. Соответственно, при большой толщине стенок масса эбонитового моноблока доходит до 5-12 кг.

Применение морозоустойчивого полипропилена (сополимера пропилена с этиленом), дало возможность при сохранении достаточной механической прочности при отрицательных температурах существенно уменьшить массу моноблока (более чем в 5 раз). Толщина стенок моноблоков из пластмасс уменьшилась до 1,5-3,5 мм. В каждом аккумуляторе батареи, кроме необслуживаемых, устанавливают перфорированные предохранительные щитки из эбонита или пластмассы.

Они предохраняют верхние кромки пластин и сепараторов от повреждений при измерении плотности, температуры и уровня электролита.

Крышки из эбонита или пластмассы различного конструктивного исполнения могут закрывать отдельные аккумуляторные ячейки (рис. 8). Наиболее распространена конструкция крышки с двумя крайними отверстиями для вывода борнов блоков электродов и одним средним резьбовым отверстием для заливки электролита в аккумуляторные ячейки и контроля его уровня.

В крайние отверстия отдельных крышек запрессованы свинцовые втулки. В местах стыка отдельных крышек со стенками моноблока эбонитовые аккумуляторные батареи герметизируются битумной мастикой. Мастика должна быть химически стойкой и эластичной, иметь низкую температуру плавления, при температурах от -40 до 60°С не должна отставать от стенок моноблока и крышек, разрываться и трескаться.

Общие крышки из пластмассы приваривают или приклеивают к моноблокам (рис 9). Контактно-тепловая сварка: пластмассового моноблока и общей крышки обеспечивает надежную герметизацию во всем диапазоне температур окружающей среды, на который рассчитана эксплуатация аккумуляторной батареи.

Такой способ соединения общей крышки с пластмассовым моноблоком применен в батарее 6СТ-190А для тяжелых грузовиков с дизелями. Заливочные отверстия в крышках унифицированы по группам с метрической резьбой М20, М24 и М30 и закрываются пробками с вентиляционными отверстиями. Пробки изготавливают из эбонита, полиэтилена, полистирола или фенолита.

Пластмассовые пробки имеют меньшую массу и большую прочность. Чтобы предотвратить вытекание электролита, между уплотнительным бортиком корпуса пробки 1 (рис. 10) и заливной горловиной крышки устанавливают резиновую шайбу 3. Герметизация может обеспечиваться также конусным бортиком 5, плотно прилегающим к горловине отверстия в крышке.

В новых пробках предусмотрен пластмассовый уплотнительный элемент 6, распложенный на бортике пробки. Пробки имеют встроенные отражатели 4 и 7, которые не позволяют электролиту выплескиваться через вентиляционные отверстия. В пробках новой конструкции отражатель 7 выполнен в виде лепестков.

Для хранения в герметичном состоянии в сухозаряженных батареях над вентиляционным отверстием пластмассовой пробки предусмотрен глухой прилив 2. При вводе батареи в эксплуатацию прилив пробки срезается. Электролит через вентиляционное отверстие не должен выливаться при наклоне аккумуляторной батареи от нормального рабочего положения на угол 45°.

Применение общей крышки (особенно из термопластичных материалов) предоставляет

широкие возможности для механизации и автоматизации производства аккумуляторных батарей, а также для конструктивных усовершенствований, позволяющих облегчить обслуживание батареи в эксплуатации.

Конструкция некоторых крышек из полипропилена обеспечивает централизованную заливку электролита в батарею и общий газоотвод. При наличии общей крышки можно устанавливать блок пробок на несколько заливных горловин, которые располагаются выше вентиляционных отверстий.

Вытекающий из заливных горловин электролит через вентиляционные отверстия может поступать обратно в ячейки моноблока. Блок пробок может быть выполнен в виде пластмассовой планки 8 (см. рис. 10, г), в которую вставлено необходимое число безрезьбовых пробок 9. Пробки могут иметь некоторую свободу перемещения в планке для центрирования их с заливными горловинами. В некоторых конструкциях пробки выполняются заодно с планкой.

Межэлементные перемычки. Выводы

Для последовательного соединения аккумуляторов в батарее используют межэлементные перемычки, которые припаивают к борнам бареток полублоков в таком порядке, чтобы соединить между собой полублок отрицательных пластин одного аккумулятора с полублоком положительных пластин рядом расположенного аккумулятора.

При соединении борна с межэлементной перемычкой к ним приваривается верхняя часть свинцовой втулки, запрессованной в крышке, чем обеспечивается надежное уплотнение отверстий в местах выхода борнов (рис. 11).

Межэлементные перемычки из свинцово-сурьмянистого сплава устанавливают снаружи над крышкой, через перегородки под крышкой и пропускают через отверстие в пластмассовой перегородке (рис. 12). На рис. 13 показано соединение аккумуляторов сквозь отверстие в перегородке 1 моноблока.

Аккумуляторы соединяют между собой путем вдавливания металла плоских борнов 2, имеющих трапецеидальную форму. Борны располагают около отверстия в перегородке и далее с помощью пуансонов 4 в сварочных клещах часть металла борнов вдавливается в отверстия до появления электрического контакта между борнами соседних аккумуляторов.

После появления контакта между соседними борнами в отверстии перегородки к сварочным клещам подается электрический ток для контактной сварки борнов. Описанный процесс соединения аккумуляторов через перегородки обеспечивает однородную структуру межэлементной перемычки и герметичность между аккумуляторами.

Повышенную устойчивость к механическим нагрузкам (тряска, вибрация) обеспечивает другой способ соединения аккумуляторов в батареи, применяемый при производстве батарей 6СТ-190А. Процесс осуществляется в две стадии.

Перегородки 1 (рис. 14) моноблока имеют в верхней части углубления (пазы) 2, через которые сначала с помощью специальной литейной формы 7 место сварки борнов герметизируется пластмассой, из которой изготовлен моноблок. Вокруг соединения образуется своеобразный чехол, который служит также дополнительным упором для блока электродов 6.

Укороченные межэлементные перемычки через перегородки полиэтиленовых и полипропиленовых моноблоков позволяют уменьшить внутреннее сопротивление батареи (рис. 15) и расход свинцового сплава. Снижение потерь напряжения на соединительных деталях позволяет иметь на 0,1-0,3 В большее напряжение на выводах батареи при ее работе в стартерном режиме. Расход свинцово-сурьмянистых сплавов снижается на батареях до 100 А·ч на 0,5-0,9 кг, а на батареях емкостью свыше 100 А·ч - на 1,5-3 кг.

Стартерные аккумуляторные батареи с общими крышками и скрытыми межэлементными перемычками становятся неремонтнопригодными, но это отвечает современным тенденциям, согласно которым капитальный ремонт экономически нецелесообразен.

С целью уменьшения внутреннего падения напряжения в аккумуляторных батареях большой емкости борны и межэлементные перемычки выполняются в виде освинцованных стержней из меди, имеющей в 12 раз большую электропроводность по сравнению со свинцово-сурьмянистыми сплавами (рис 16).

Поперечные сечения борнов и межэлементных перемычек автомобильных батарей выбираются из условия ограничения падения напряжения на каждом из борнов до 16 мВ и на межэлементных перемычках - до 20 мВ.

К выводным борнам крайних аккумуляторов приваривают конусные полюсные выводы. Размеры выводов стандартизованы (рис. 17). Диаметр конуса у основания положительного вывода на 2 мм больше, чем у отрицательного. Этим исключается вероятность неправильного включения батареи в систему электрооборудования.

Некоторые аккумуляторные батареи имеют полюсные выводы с отверстиями под болты или оба типа выводов. Узлы пайки и токоведущие детали батарей должны выдерживать прерывистый разряд током силой 9С₂₀ (С₂₀ - номинальная емкость батареи при двадцатичасовом разряде), но не выше силы разрядного тока 1700 А в течение четырех

циклов.

Детали крепления и переносные устройства

Для удобства размещения аккумуляторных батарей на автомобилях необходима унификация их размеров по ширине и высоте, что связано с унификацией размеров электродов. В некоторых случаях необходима унификация и по длине батареи. Это позволяет без переделки посадочных мест устанавливать на автомобилях одной модели батареи разной емкости в зависимости от назначения машины и условий ее эксплуатации.

В этих же целях желательно применять крепление батарей за выступы в нижней части моноблока вдоль длинной стороны для батарей емкостью до 100 А·ч и по ширине - при большей емкости. Выступы отливаются как одно целое с моноблоком или изготавливаются отдельно и соединяются с моноблоком методом контактно-тепловой сварки.

Аккумуляторные батареи большой емкости снабжают ручками для переноски, прикрепленными к моноблоку с помощью специальных металлических скоб, накладок и винтов. Такая конструкция требует дополнительной оснастки для изготовления крепежных деталей переносных устройств и увеличивает трудоемкость изготовления батарей. Проще выполнить переносные устройства только с ручками, расположенными в отверстиях бортика моноблока.

Ручки могут быть жесткими или гибкими, перемещаться в вертикальном направлении и поворачиваться на некоторый угол по горизонтали. Переносные устройства и места их крепления должны выдерживать нагрузку, равную двукратной массе батареи с электролитом.

Конструкция стартерной свинцовой аккумуляторной батареи 6СТ-190А для грузовых автомобилей с моноблоком 7, единой крышкой 1 и пробками 5 из пластических материалов, с межэлементными перемычками 3 через перегородки 4, крепежными выступами 9 в нижней части моноблока и переносным устройством с ручкой 6 приведена на рис. 18.

Необслуживаемые батареи

Термином «необспуживаемые» характеризуют стартерные аккумуляторные батареи, не требующие добавления электролита в процессе эксплуатации, обладающие высокими электрическими характеристиками и большим сроком службы по сравнению с обычными батареями.

Обычные стартерные свинцовые батареи имеют достаточно высокие удельные электрические характеристики, однако обладают рядом существенных недостатков.

В результате электролиза воды во время эксплуатации свинцовой батареи снижается уровень электролита, что требует периодического (1-2 раза в месяц) добавления дистиллированной воды. Электролитическое разложение воды происходит при заряде, особенно интенсивно при перезарядах. Кроме того, вода из электролита испаряется при повышенных температурах окружающей среды.

Во время перерывов в эксплуатации автомобилей происходит саморазряд (постепенная потеря емкости при длительном бездействии) батареи. В сутки саморазряд может составить 0,5-0,8%. В конце срока службы суточный саморазряд батареи может возрасти до 4%. Это приводит к необходимости ежемесячного подзаряда батареи во время хранения батарей, залитых электролитом.

Потребность в периодическом добавлении дистиллированной воды и подзаряде батарей при длительном хранении увеличивает объемы обслуживания их в эксплуатации, требует дополнительных затрат на оборудование, инструмент, материалы, соответствующих производственных площадей и квалифицированного персонала.

Все эти трудности с обслуживанием батарей усугубляются при длительной эксплуатации автомобилей вне парков. Срок службы свинцовых аккумуляторных батарей ограничивается в основном коррозией решеток электродов. Кроме того, электролиз воды с выделением активного кислорода способствует ускоренной коррозии решеток положительных электродов.

Интенсивность электролиза электролита и сопутствующей ему коррозии решеток возрастает при перезаряде, повышении температуры и старении батареи. Следовательно, в эксплуатации необходимо принимать специальные меры для ограничения верхнего предела регулируемого напряжения генераторной установки.

Следует также иметь ввиду, что выделяемая при работе свинцовой аккумуляторной

батареи кислородно-водородная смесь взрывоопасна, газы и пары электролита могут вызвать коррозию металлических деталей автомобиля, расположенных рядом с батареей, а вещества, образующиеся при работе батареи, например, стибин (сурьмянистый водород) - токсичны.

Отмеченные недостатки, характерные для обычных (традиционных) аккумуляторных батарей, связаны с наличием 5-7% сурьмы в сплаве свинца, из которого отливаются решетки электродов. Легирование свинца сурьмой обеспечивает необходимую механическую прочность решеток, что очень важно для автомобильных батарей, работающих в условиях вибрации и тряски. Добавление 5% сурьмы более чем в 2 раза увеличивает твердость решеток и в 3-4 раза - сопротивление разрыву.

Кроме сурьмы, в сплав вводится также 0,1-0,2% мышьяка. Это способствует образованию благоприятной кристаллической структуры сплава и повышает коррозионную стойкость положительных решеток электродов.

Выделение водорода при газообразовании происходит на отрицательных электродах, а кислорода - на положительных. активное газовыделение происходит в основном при заряде, а также при разряде или длительном бездействии аккумуляторной батареи. Газовыделение в процессе разряда и при длительном бездействии связано с реакциями, вызывающими саморазряд батареи.

Интенсивность газовыделения зависит от соотношения между величиной фактического напряжения на электроде и напряжением (перенапряжением), при котором начинается газовыделение. Чем больше напряжение на электроде превышает величину напряжения, при котором начинается газовыделение, тем больше выделяется водорода и кислорода.

С другой стороны, на напряжение начала газовыделения оказывают влияние различные примеси, содержащиеся в решетках и активной массе пластин. Сурьма в сплаве положительных пластин способствует более интенсивному выделению кислорода, и, одновременно, электрохимическому переносу и отложению сурьмы на поверхности отрицательного электрода. Присутствие даже небольшого количества сурьмы на поверхности отрицательного электрода приводит к заметному росту выделения водорода.

Снижение напряжения начала газовыделения до 14,4 В при наличии сурьмы в решетках пластин является основной причиной того, что на автомобилях при рекомендуемых уровнях регулируемого напряжения генераторных установок газовыделение начинается до того, как батарея обычной конструкции будет полностью заряжена.

Появление необслуживаемых батарей стало возможным благодаря применению решеток из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов и свинцово-сурьмянистых сплавов с уменьшенным содержанием сурьмы.

Необслуживаемые батареи со свинцово-кальциево-оловянистыми и малосурьмянистыми

сплавами отличаются не только малыми газовыделением и саморазрядом, но и рядом других преимуществ. Эти батареи можно устанавливать в местах, не требующих удобного доступа для обслуживания. Меньше вероятность выхода их из строя вследствие коррозии решеток электродов.

Батареи имеют лучшие зарядные характеристики и характеристики стартерного режима

разряда. Срок эксплуатации необслуживаемых батарей без добавления электролита может достигать 400-500 тыс. км пробега автомобиля.

Есть определенные трудности изготовления решеток пластин из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов. Кальций в процессе литья выгорает. Поэтому технологически трудно обеспечить очень малое оптимальное содержание кальция (0,06-0,09%) в сплаве. Содержание олова составляет 0,5-1%. От содержания кальция и олова в сплаве решетки зависят ее прочностные и антикоррозионные свойства.

Снижение газовыделения и улучшение механических свойств решеток из свинцово-кальциевых сплавов достигается также добавлением 1,5% кадмия. Добавлением 1,25% сурьмы в решетки пластин ограничивается образование нежелательных кристаллов древовидной формы.

Из-за технологических трудностей изготовления решеток электродов из сплава свинца кальция и олова применение нашли батареи с ограниченным объемом обслуживания на основе электродов с пониженным содержанием сурьмы в решетках. Интенсивность газовыделения существенно снижается только при уменьшении содержания сурьмы в сплаве решетки до 2,5-3%. Но уже при содержании сурьмы ниже 40% резко ухудшаются литейные свойства свинцово-сурьмянистого сплава, снижается механическая прочность решетки, возрастает скорость коррозии электродов.

Для сохранения необходимых технологических и эксплуатационных свойств малосурьмянистых сплавов в них добавляют медь (0,02-0,05%), серу и селен (до 0,01%). На литейных свойствах сплава благоприятно сказывается присадка олова (до 0,01%).

Лучшие батареи с решетками электродов с малосурьмянистыми сплавами, содержащими другие легирующие добавки, практически являются необслуживаемыми, хотя имеют несколько худшие показатели саморазряда по сравнению с батареями, в которых решетки выполнены из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов. Такие батареи также имеют достаточно высокий срок службы и малочувствительны к глубоким разрядам.

В отечественных необслуживаемых батареях по сравнению с обычными батареями содержание сурьмы в сплаве решеток электродов уменьшено в 2-3 раза. Это повысило напряжение начала выделения водорода и кислорода и обеспечило подзаряд батарей без газовыделения практически во всем диапазоне регулируемого напряжения генераторных установок автомобилей. Примерно в 5-6 раз снизилась интенсивность саморазряда батареи (до 0,08-0,1% в сутки).

Необслуживаемые батареи могут выпускаться в герметичном исполнении и не иметь пробок заливных горловин. В этом случае степень разряженности батареи нельзя определить по плотности электролита. В зимнее время возникает опасность замерзания электролита разряженной батареи. Поэтому на герметичные необслуживаемые аккумуляторные батареи устанавливают индикаторы заряженности. При уменьшении степени заряженности ниже определенного уровня меняется цвет видимого пятна индикатора.

• Одежда-подзарядка
• Электромобили вытеснят ДВС уже скоро
• Закон Кулона
• Электрический ток