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.

 

U = E₀ ±ΔU (14)

или

U = E₀ ± (I ·r₀ ± ψ) (15)

 

В формулах (14) и (15) знак «+» соответствует зарядному, а знак «–» – разрядному процессу в аккумуляторе.

 

Из приведённых формул видно, что напряжение аккумулятора U, которое преодолевает напряжение внешней цепи, отличается от его ЭДС на величину внутреннего падения напряжения ΔU, преодолевающего внутреннее сопротивление аккумулятора, которое, в свою очередь, состоит из омических потерь напряжения внутри аккумулятора I · r₀ и потенциала поляризации ψ.

 

Как видно из формулы (14) при заряде аккумулятора напряжение на его выводах U_з должно быть больше его ЭДС на сумму внутренних потерь.

 

В начале заряда происходит скачок напряжения на величину омических потерь внутри аккумулятора I · r₀, а затем резкое повышение напряжения за счёт потенциала поляризации ψ, вызванное, в основном, увеличением плотности электролита в порах активной массы (участок «а», Рис.17). Далее происходит медленный рост напряжения, обусловленный главным образом ростом ЭДС аккумулятора вследствие увеличения плотности электролита в объёме аккумулятора в результате растворения сульфата свинца PbSO₄ и превращения его на положительном электроде в двуокись свинца PbO₂ и на отрицательном электроде – в губчатый свинец Pb (участок «б»).

 

После того, как основное количество сульфата свинца преобразуется в PbO₂ и Pb, затраты энергии всё в большей мере вызывают разложение воды (электролиз). Избыточное количество ионов водорода и кислорода, появляющееся в электролите, ещё больше увеличивает разность потенциалов разноименных электродов. Это приводит к быстрому росту зарядного напряжения (участок «в»), вызывающему ускорение процесса разложения воды. Образующиеся при этом ионы водорода и кислорода не вступают во взаимодействие с активными материалами. Они превращаются в нейтральные молекулы и выделяются из электролита в виде пузырьков газа (на положительном электроде выделяется кислород, на отрицательном – водород), вызывая видимость «кипения» электролита. Если продолжить процесс заряда, то 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 (участок «в»). Этим объясняется и постоянство зарядного напряжения, которое служит одним из основных признаков окончания зарядного процесса. После прекращения заряда, то есть – отключения внешнего источника, напряжение на выводах аккумулятора резко снижается до значения его неравновесного НРЦ, или на величину омических внутренних потерь и перенапряжения газовыделения. Затем происходит постепенное снижение НРЦ вследствие уменьшения плотности электролита в порах активной массы, которое продолжается до полного выравнивания концентрации электролита в объёме аккумулятора и порах активной массы, что соответствует установлению равновесной ЭДС (участок «г»).

 

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

 

Как показано на Рис. 18, в начале разряда напряжение аккумулятора резко снижается на величину омических потерь и поляризации, обусловленной снижением концентрации электролита в порах активной массы, то есть – концентрационной поляризации (участок «а»). Далее, при установившемся (стационарном) процессе разряда, происходит снижение плотности электролита в объёме аккумулятора, обусловливающее постепенное уменьшение разрядного напряжения (участок «б»). Одновременно происходит увеличение содержания сульфата свинца в активной массе, что также вызывает повышение омических потерь. При этом частицы сульфата свинца, имеющего примерно втрое больший объём в сравнении с частицами свинца и его двуокиси, из которых они образовались, постепенно закрывают поры активной массы, чем препятствуют прохождению электролита в глубину электродов.

 

Это вызывает усиление концентрационной поляризации, приводящее к более быстрому снижению разрядного напряжения (участок «в»).

 

При прекращении разряда напряжение на выводах аккумулятора быстро повышается на величину омических потерь, достигая значения неравновесного НРЦ. Дальнейшее изменение НРЦ вследствие выравнивания концентрации электролита в порах активных масс и в объёме аккумулятора приводит к постепенному установлению значения равновесной ЭДС (участок «г»).

 

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 во много раз превышает значение номинальной ёмкости, внутреннее падение напряжения оказывает существенное влияние на разрядное напряжение. Так, например, при стартерном разряде токами I_p = 4÷7C₂₀ падение напряжение в батарее с номинальным напряжением 12 В при положительной температуре достигает 2,0-3,0 В соответственно. При температуре –18ºС оно увеличивается до 3,5-5,0 В. Увеличение омических потерь с понижением температуры, как указывалось выше, 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 счёт снижения концентрации электролита в порах его электродов.

 

На Рис. 19 показаны изменения разрядного напряжения аккумуляторной батареи 6СТ-55А с ростом разрядного тока при различных температурах электролита. Из Рис. 19 видно, что при токе более 60 А зависимость напряжения разряда от силы тока является практически линейной при всех температурах, то есть, может быть описана уравнением

 

U_p = U₀ – k × I_p

 

Коэффициент наклона k вольтамперной характеристики батареи характеризует её внутреннее сопротивление r.

 

Из Рис. 19 также можно определить, что с понижением температуры от +25ºС до –18ºС внутреннее сопротивление r увеличивается более чем на 30%, а с понижением температуры до –30ºС почти на 70 %.

 

Характер распределения внутренних потерь напряжения двенадцативольтовой батареи показан на Рис. 20. Из приведённых данных видно, как изменяются потери в электролите, сепараторах и поляризация с понижением температуры электролита.

 

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

_{i = n}

Ū = ∑ U_i / n

^{i = 1}

 

МКОСТЬ АККУМУЛЯТОРА

Ёмкость аккумулятора – это количество электричества, полученное при его разряде до установленного конечного напряжения. В практических расчётах ёмкость аккумулятора принято выражать в ампер-часах (А·ч).

 

Таким образом, согласно определению, разрядную ёмкость С_р аккумулятора можно вычислить, умножив силу разрядного тока I_р на продолжительность разряда Тt_р (при условии, что I_р = const).

 

C_р = I_р / τ_р

 

Разрядная ёмкость, на которую рассчитан аккумулятор и которая указывается изготовителем, называется номинальной ёмкостью. Величина номинальной ёмкости стартерных батарей определяется, как правило, при двадцатичасовом режиме разряда, то есть – при непрерывном разряде током, равным по величине 0,05С₂₀ (0,05 от значения ёмкости, указанной производителем в наименовании батареи) при температуре +25°С. Например для АКБ типа 6СТ-55А ток разряда будет равен 2,75 А, а для батареи 6СТ-75А – 3,75 А. При определении номинальной ёмкости разряд прекращается в момент достижения на выводах двенадцативольтовой батареи величины напряжения, равной 10,5 В.

 

По усмотрению производителя допускается устанавливать величину номинальной ёмкости при двадцатичасовом режиме разряда в ампер-часах (А·ч) и (или) величину резервной ёмкости при разряде током 25 А – в минутах (мин).

Резервная ёмкость показывает величину времени в минутах, которое потребуется для разряда любой двенадцативольтовой батареи (независимо от величины её ёмкости) током 25 А до конечного напряжения 10,5 В при температуре 25 ± 2°С.

 

Величина разрядного тока 25 А при определении резервной ёмкости выбрана не случайно. По данным разработчиков систем электрооборудования автомобилей, именно такая минимальная величина тока будет потребляться электрооборудованием современного автомобиля для обеспечения его безопасного движения. Таким образом, получается, что величина резервной ёмкости показывает, сколько времени сможет продолжать двигаться автомобиль, используя только электрическую энергию аккумуляторной батареи в случае выхода из строя генератора автомобиля, при условии, что на момент отказа генератора батарея была полностью заряжена.

 

В настоящее время в международной и отечественной практике для оценки емкостных характеристик стартерных аккумуляторных батарей все шире применяется понятие «резервная» ёмкость.

 

Согласно документу МЭК 60095-1:2006 и ГОСТ Р 53165-2008 (приложение «А») величина номинальной резервной ёмкости С_r.n АКБ может быть получена расчётным путём из величины номинальной ёмкости двадцатичасового разряда C₂₀ по формуле:

 

С_r.n = β (C_20n)^α,

 

где С_r.n – номинальная (расчётная) резервная ёмкость; C_20n – номинальная ёмкость двадцатичасового разряда; α и β – эмпирические расчётные коэффициенты, установленные документом МЭК 60095-1:2006 и ГОСТ Р 53165-2008. Коэффициенты в формуле пересчёта резервной ёмкости в ёмкость при двадцатичасовом разряде:

 

α = 1,828 для открытых батарей с жидким электролитом;

1,201 для закрытых батарей с регулирующим клапаном (исполнение VRLA);

β = 0,7732 для открытых батарей с жидким электролитом;

1,1339 для закрытых батарей с регулирующим клапаном (исполнение VRLA).

 

Для батареи 6СТ-55А величина номинальной резервной ёмкости, рассчитанная по формуле документа МЭК, составляет не менее 88 мин., а для батареи 6СТ-75А – не менее 128 мин.

 

В том же стандарте приведено уравнение для обратного пересчёта, то есть – перехода от резервной ёмкости к ёмкости при двадцатичасовом разряде:

 

C_20n С_r.n = δ (С_r.n)^γ

Здесь γ = 0,8455 для открытых батарей с жидким электролитом;

0,8929 для закрытых батарей с регулирующим клапаном;

δ = 1,2429 для открытых батарей с жидким электролитом;

0,8983 для закрытых батарей с регулирующим клапаном.

 

Величина номинальной ёмкости батареи, применяемой на каждом автомобиле, рассчитана из условия обеспечения положительного энергобаланса при работе в заданном цикле работы электрооборудования. При сравнительно большой доле времени работы двигателя в режиме холостого хода (в сочетании с малыми величинами суточного пробега, которые являются характерными для городского режима эксплуатации автомобилей), аккумуляторная батарея в тёмное время суток помогает генератору обеспечивать питание потребителей, необходимых для безопасного функционирования всех систем автомобиля. Если ёмкость батареи будет недостаточной, глубина её разряда может составить более 40–60 %, что приведёт к снижению работоспособности батареи в режиме стартерного пуска двигателя. А повторяющиеся систематически глубокие разряды аккумуляторной батареи неизбежно приводят к сокращению её ресурса.

 

Кроме разрядной ёмкости, важным показателем является также ёмкость, сообщаемая батарее при заряде, которая вычисляется по формуле (при l_з = const):

 

C_з = I_з × t_з

Отношение величины разрядной ёмкости к зарядной ёмкости, необходимой для полного заряда аккумуляторной батареи, выраженное в процентах, называется КПД (коэффициент полезного действия) зарядного процесса.

 

η_з = С_р/С_з×100%.

 

Для свинцовых стартерных батарей открытого исполнения (со свободным жидким электролитом) КПД заряда η_з составляет от 80 до 85 % при температуре +25ºС. Значение КПД изменяется от температуры электролита и величины зарядного тока.

 

Разрядная ёмкость аккумулятора 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 ёмкость аккумулятора, являются рецептура активных материалов и их пористость. Эксплуатационные показатели – температура электролита и сила разрядного тока – также оказывают значительное влияние на разрядную емкость.

 

Обобщенным показателем, характеризующим эффективность работы аккумулятора, является коэффициент использования активных материалов Θ (в %.), который определяется так:

 

Θ = (C_р C₀) × 100, [%];

 

где С_р – ёмкость аккумулятора, полученная при его разряде, А·ч; С₀ – теоретическая ёмкость того же аккумулятора, рассчитанная по электрохимическим эквивалентам.

Для получения емкости в 1 А·ч (ампер-час), как указывалось выше, теоретически необходимо 4,46 г. двуокиси свинца PbO₂, 3,87 г. губчатого свинца Pb и 3,66 г. серной кислоты H₂SO₄. Теоретический удельный расход активных масс электродов составляет 8,32 г/А·ч. В реальных аккумуляторах удельный расход активных материалов при двадцатичасовом 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 %. Таким образом, практический расход активной массы превышает теоретические величины в два и более раза.

 

На степень использования активной массы, а, следовательно, и на величину разрядной ёмкости 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.

 

Следовательно, с ростом пористости увеличивается разрядная ёмкость и максимальная мощность аккумулятора.

 

Величина пористости зависит от размеров частиц свинцового порошка, рецептуры пасты, режимов созревания активных масс и формирования электродов, а также от применяемых добавок. Причём повышение пористости активной массы выше оптимального значения приводит, как правило, к снижению долговечности батареи вследствие ускорения процесса деструкции высокопористых активных масс. Поэтому величина пористости выбирается разработчиками и производителями батарей с учётом не только высоких емкостных характеристик, но и обеспечения необходимой долговечности батареи с учетом условий эксплуатации. В настоящее время оптимальной считается пористость в пределах 47-60 %, в зависимости от назначения батареи.

 

Толщина электродов

С уменьшением толщины снижается неравномерность токообразующей нагрузки на наружных и внутренних слоях активной массы электрода, что способствует увеличению удельной разрядной ёмкости. У более толстых электродов внутренние слои активной массы используются весьма незначительно, особенно при разряде большими токами. Поэтому с ростом разрядного тока различия в ёмкости аккумуляторов, имеющих электроды различной толщины, резко уменьшаются. По этой причине для современных свинцовых аккумуляторов и батарей на их основе применение электродов толщиной более 2,0 мм будет целесообразно только в тех случаях, когда необходимо обеспечить срок службы в условиях эксплуатации более пяти-шести лет.