Электрические характеристики аккумуляторных батарей

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА

Электродвижущей силой (ЭДС) аккумулятора (Е₀) называют разность его электродных потенциалов, измеренную при разомкнутой внешней цепи в стационарном (равновесном) состоянии, то есть:

 

Е₀ = φ₀⁺ + φ₀^- ,

 

где φ₀⁺ и φ₀^- соответственно – равновесные потенциалы положительного и отрицательного электродов при разомкнутой внешней цепи, В.

ЭДС батареи, состоящей из n последовательно соединенных аккумуляторов:

 

Е_0б = n×E₀.

 

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 j₀ за счёт диффузионного выравнивания концентрации электролита в аккумуляторе, от момента размыкания внешней цепи до установления равновесного стационарного состояния.

 

φ = φ₀ ± ψ

 

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

 

Таким образом, следует различать равновесную ЭДС (E₀)аккумулятора и неравновесную ЭДС, а точнее НРЦ (U₀) аккумулятора в течение времени от размыкания цепи до установления равновесного состояния (период протекания переходного процесса):

 

E₀ = φ₀⁺ - φ₀^- = Δφ₀ (12)

 

U₀ = φ₀⁺ -φ₀^- ± (ψ⁺ - ψ ^-) = Δφ₀ ± Δψ (13)

 

В этих равенствах:

Δφ₀ – 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 = U₀ - E₀

 

Параметр Δψ будет положительным после выключения зарядного тока (U₀ > Е₀) и отрицательным после выключения разрядного тока (U₀ < Е₀). 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 (Е₀), 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 [5], будет также функцией степени заряженности аккумулятора.

 

Для вычисления НРЦ по измеренной плотности электролита используют эмпирическую формулу

U₀ = 0,84 + d_э

где «d_э» – плотность электролита при температуре 25ºС в г/см³;

 

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

Степень заряженности	Равновесное напряжение разомкнутой цепи, В, при температурах
%	от +20 до +25°С	от +5 до – 5°С	от –10 до –15°С
95-100	12,70 – 12,90	12,80 – 13,00	12,90 – 13,10
75-80	12,55 – 12,65	12,55 – 12,75	12,65 – 12,85
ОПАСНАЯ ЗОНА
	12,20 – 12,30	12,30 – 12,40	12,40 – 12,50
	11,95 – 12,10	12,10 – 12,20	12,20 – 12,30
	11,60 – 11,80	11,70 – 11,90	11,80 – 12,00

 

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 называть внутренним сопротивлением аккумулятора.