Напряжение

Напряжение аккумулятора отличается от его ЭДС на величину падения на­пряжения во внутренней цепи при прохождении разрядного или зарядного то­ка. При разряде напряжение на выводах аккумулятора меньше ЭДС, а при за­ряде больше.

Разрядное напряжение

 

U_P=E – i_P · r = E – E_n – i_P · r₀,

 

где E_n - ЭДС поляризации, В;

i_P - сила разрядного тока, А;

r - полное внутреннее сопротивление, Ом;

r₀ - омическое сопротивление аккумулятора, Ом.

Зарядное напряжение

U_З = E – i_З · r = E + E_n + i_З · r₀,

 

где i_З - сила зарядного тока, А.

 

ЭДС поляризации связана с изменением электродных потенциалов при про­хождении тока и зависит от разности концентраций электролита между элект­родами и в порах активной массы электродов. При разряде потенциалы элект­родов сближаются, а при заряде раздвигаются. Изменением разности концент­раций электролита обусловлено нелинейное снижение напряжения на началь­ном участке b - с (рис. 2.20) разрядной характеристики Up = f(t). При включении аккумулятора с начальной ЭДС Е₀ на разряд происходит резкий спад напряже­ния на величину AU₀ (участок а - b разрядной характеристики), равную паде­нию напряжения на омическом сопротивлении г₀. Линейному участку с - d раз­рядной характеристики соответствует постоянная разность концентраций элек­тролита между электродами и в порах активной массы электродов. Уменьшение напряжения связано со снижением плотности электролита в моноблоке. На линейном участке ЭДС поляризации име­ет максимальное значение E_nm.

 

AUo

Рис. 2.20. Расчетная разрядная характеристи­ка свинцового аккумулятора

 

При постоянной силе разрядного то­ка в единицу времени расходуется оп­ределенное количество активных ма­териалов. Плотность электролита уменьшается по линейному закону (рис, 2.21, а). В соответствии с изменением плотности электролита уменьшается ЭДС и напряжение аккумулятора. К концу разряда сернокислый свинец за­крывает поры активного вещества электродов, препятствуя притоку электролита из сосуда и увеличивая электросопротивление электродов.

 

0 5 10 15 20 τ_Ч, 0 5 10 τ_Ч,

 

 

Рис. 2.21. Характеристики свинцового аккумулятора:

а - разрядная; б - зарядная

 

Равновесие нарушается и напряжение начинает резко падать. Аккумуляторные батареи разряжаются только до конечного напряжения U_K.Р., соответствующего перегибу разрядной характеристики U_Р.=f(τ). Разряд прекращается, хотя актив­ные материалы израсходованы не полностью. Дальнейший разряд вреден для аккумулятора и не имеет смысла, так как напряжение становится неустойчивым.

После отключения нагрузки напряжение аккумулятора повышается до значе­ния ЭДС, соответствующего плотности электролита в порах электродов. Затем в течение некоторого времени ЭДС возрастает по мере выравнивания концентра­ции электролита в порах электродов и в объеме аккумуляторной ячейки за счет диффузии. Возможность повышения плотности электролита в порах электродов во время непродолжительного бездействия после разряда используется при пу­ске двигателя. Пуск рекомендуется осуществлять отдельными кратковременны­ми попытками с перерывами в 1-1,5 мин. Прерывистый разряд способствует так­же лучшему использованию глубинных слоев активных веществ электродов.

В режиме заряда (рис. 2.21, б) напряжение U₃ на выводах аккумулятора воз­растает вследствие внутреннего падения напряжения и повышения ЭДС при увеличении плотности электролита в порах электродов. При возрастании на­пряжения до 2,3 В активные вещества восстанавливаются. Энергия заряда идет на разложение воды на водород и кислород, которые выделяются в виде пу­зырьков газа. Газовыделение при этом напоминает кипение. Его можно умень­шить за счет снижения к концу разряда величины зарядного тока.

Часть положительных ионов водорода, выделяющихся на отрицательном электроде, нейтрализуются электронами. Избыток ионов накапливается на по­верхности электрода и создает перенапряжение до 0,33 В. Напряжение в конце заряда повышается до 2,6-2,7 В и при дальнейшем заряде остается неизменным. Постоянство напряжения в течение 1-2 ч заряда и обильное газовыделение яв­ляются признаками конца заряда.

После отключения аккумулятора от зарядного устройства напряжение падает до значения ЭДС, соответствующе­го плотности электролита в порах, а затем снижается, пока выравниваются плотности электролита в порах пла­стин и в аккумуляторном сосуде.

Напряжение на выводах аккумуля­торной батареи при разряде зависит от силы разрядного тока и температуры электролита.

При увеличении силы разрядного тока iр напряжение снижается быст­рее (рис. 2.22, а) вследствие большей разности концентраций электролита в аккумуляторном сосуде и в порах электродов, а также большего внут­реннего падения напряжения в бата­рее. Все это приводит к необходимости более раннего прекращения разряда батареи. Во избежание образования на электродах крупных нерастворимых кристаллов сульфата свинца разряд батарей прекращают при конечном на­пряжении 1,75 В на одном аккумулято­ре при 20-часовом номинальном ре­жиме. В стартерном режиме разряда током силой ЗС₂₀ при температуре 25°С U_K.Р. = 1,5 В, а при температуре -18°С U_К.Р. = 1 В.

Рис. 2.22. Разрядные характеристики аккуму­ляторных батарей:

а - 607-55 при температуре t=-20°C; б - 6СТ-90 при 1р=ЗС₂₀ (270 А); в - 6СТ-190ТР при 1р=500А

При понижении температуры увели­чивается вязкость, удельное электро­сопротивление электролита и умень­шается скорость диффузии электро­лита из аккумуляторного сосуда в по­ры активных веществ электродов. По­этому разрядные характеристики Up = f(t) проходят ниже (рис. 2.22, б, в). При температурах от -40 до -10°С сопро­тивление электролита в 2-3 раза больше, чем при температуре 25°С.

На рис. 2.23 показано изменение напряжения U₃₀ на 30-й секунде разряда батареи емкостью 55 А-ч с изменением силы разрядного тока. Среднее значение раз­рядного напряжения за время τ_P.

 

 

Рис. 2.23. Зависимость напряжения Uзо батареи 6СТ-55АЗ от силы разрядного тока при различных температурах