Эдс батареи. Напряжение при заряде и разряде. Нормальное напряжение аккумулятора автомобиля

Электродвижущая сила.

ЭДС аккумулятора представляет собой разность электродных потенциалов, измеренную при разомкнутой внешней цепи. Электродный потенциал при ра­зомкнутой внешней цепи состоит из равновесного электродного потенциала и потенциала поляризации. Равновесный электродный потенциал характеризует состояние электрода при отсутствии переходных процессов в электрохимиче­ской системе. Потенциал поляризации определяется как разность между потен­циалом электрода при заряде и разряде и его потенциалом при разомкнутой внешней цепи. Электродная поляризация сохраняется в аккумуляторе и при отсутствии тока после отключения на­грузки от зарядного устройства. Это связано с диффузионным процессом выравнивания концентрации электро­лита в порах электродов и пространст­ве аккумуляторных ячеек. Скорость диффузии невелика, поэтому затуха­ние переходных процессов происходит в течение нескольких часов и даже су­ток в зависимости от температуры электролита. Учитывая наличие двух составляющих электродного потенци­ала при переходных режимах, разли­чают равновесную и неравновесную ЭДС аккумулятора.

Равновесная ЭДС свинцового акку­мулятора зависит от химических и фи­зических свойств активных веществ и концентрации их ионов в электролите.

На величину ЭДС влияет плотность электролита и очень незначительно темпе­ратура. Изменение ЭДС в зависимости от;тампературы составляет менее

3·10 -4 В/град. Зависимость ЭДС от плотности электролита в диапазоне 1,05-1,30 г/см 3 выглядит в виде формулы:

где Е - ЭДС аккумулятора, В;

р - приведенная к температуре 5°С плотность электролита, г/см".

С повышением плотности электролита ЭДС возрастает (рис 3.1). При рабочих плотностях электролита 1,07-1,30 г/см 3 ЭДС не дает точного представления о степени разряженности аккумулятора, так как ЭДС разряжен­ного аккумулятора с электролитом большей плотности будет выше.

ЭДС не зависит от количества заложенных в аккумулятор активных матери­алов и от геометрических размеров электродов. ЭДС аккумуляторной батареи увеличивается пропорционально числу последовательно включенных аккуму­ляторов m: Е АКБ = m Е А.

Плотность электролита в порах электродов и в моноблоке одинакова у акку­муляторов, находящихся в состоянии покоя. Этой плотности соответствует ЭДС покоя. Вследствии поляризации пластин и изменения концентрации электроли­га в порах электродов относительно концентрации электролита в моноблоке, ЭДС при разряде меньше, а при заряде больше ЭДС покоя. Основной причиной изменения ЭДС в процессе разряда или заряда является изменение плотности электролита, участвующего в электрохимических процессах.

Рис. 3.1. Изменение равновесной ЭДС и элек­тродных потенциалов свинцового аккумулято­ра в зависимости от плотности электролита:

1- ЭДС; 2 - потенциал положительного электро­да; 3 - потенциал отрицательного электрода.

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 · r o ,

где En - ЭДС поляризации, В;

I р - сила разрядного тока, А;

r- полное внутреннее сопротивление, Ом;

r o - омическое сопротивление аккумулятора, Ом. Зарядное напряжение

U з = E + I з · r = Е + Е n + I з · r o ,

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.

При постоянной силе разрядного то­ка в единицу времени расходуется оп­ределенное количество активных ма­териалов. Плотность электролита уменьшается по линейному закону (рис. 3.2, 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.

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

Рис. 3.2 . Характеристики свинцового аккумулятора:

а - разрядная, б - зарядная.

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. 3.2, б) напряжение Uз 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 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 понижении температуры увели­чивается вязкость, удельное электросопротивление электролита и умень­шается скорость диффузии электро­лита из аккумуляторного сосуда в по­ры активных веществ электродов

Внутреннее сопротивление.

Полным внутренним сопротивлением АКБ называют сопротивление, оказываемое прохождению через АКБ постоянного разрядного или зарядного тока:

r = r 0 + E П / I Р = r 0 + r П,

где r 0 – омическое сопротивление электродов, электролита, сепараторов и вспомогательных токоведущих деталей (мосты, борны, перемычки); r П – сопротивление поляризации, которое появляется вследствие изменений электродных потенциалов при прохождении электрического тока.

Рис. 3.3. Зависимость удельной электропро­водности электролита от плотности при тем­пературе 20°С.

Электропро­водность электролита (при постоянной температуре) в значительной степени зависит от его плотности (рис. 3.3). Поэтому при прочих равных условиях лучшими пусковыми свойствами обладают аккумуляторы с плотностью электролита 1.2 – 1.3 г/см 3 .

Если замкнуть внешнюю цепь заря­женного аккумулятора, появится элек­трический ток. При этом происходят сле­дующие реакции:

у отрицательной пластины

у положительной пластины

где е - заряд электрона, равный

На каждые две молекулы расходуе­мой кислоты образуются четыре моле­кулы воды, но в то же время расходуют­ся две молекулы воды. Поэтому в итоге имеет место образование только двух молекул воды. Складывая уравнения (27.1) и (27.2), получаем реакцию разряда в окончательном виде:

Уравнения (27.1) - (27.3) следует чи­тать слева направо.

При разряде аккумулятора на пласти­нах обеих полярностей образуется сульфат свинца. Серная кислота расхо­дуется как у положительных, так и у отри­цательных пластин, при этом у поло­жительных пластин расход кислоты больше, чем у отрицательных. У поло­жительных пластин образуются две мо­лекулы воды. Концентрация электро­лита при разряде аккумулятора сни­жается, при этом в большей мере она снижается у положительных пластин.

Если изменить направление тока че­рез аккумулятор, то направление хими­ческой реакции изменится на обратное. Начнется процесс заряда аккумулятора. Реакции заряда у отрицательной и поло­жительной пластин могут быть пред­ставлены уравнениями (27.1) и (27.2), а суммарная реакция - уравнением (27.3). Эти уравнения следует теперь читать справа налево. При заряде сульфат свинца у положительной пластины вос­станавливается в перекись свинца, у от­рицательной пластины - в металличе­ский свинец. При этом образуется серная кислота и концентрация электролита повышается.

Электродвижущая сила и напря­жение аккумулятора зависят от мно­жества факторов, из которых важней­шими являются содержание кислоты в электролите, температура, ток и ею направление, степень заряженности. Связь между электродвижущей силой, напряжением и током может быть запи-

сана следующим образом:

при разряде

где Е 0 - обратимая ЭДС; E п - ЭДС по­ляризации; R - внутреннее сопротивле­ние аккумулятора.

Обратимая ЭДС - это ЭДС идеаль­ного аккумулятора, в котором устра­нены все виды потерь. В таком аккумуля­торе энергия, полученная при заряде, полностью возвращается при разряде. Обратимая ЭДС зависит только от со­держания кислоты в электролите и темпе­ратуры. Она может быть определена аналитически, исходя из теплоты образо­вания реагирующих веществ.

Реальный аккумулятор находится в условиях, близких к идеальным, если ток ничтожно мал и продолжитель­ность его прохождения также мала. Такие условия можно создать, если уравновесить напряжение аккумулятора некоторым внешним напряжением (эта­лоном напряжения) с помощью чувстви­тельного потенциометра. Напряжение, измеренное таким образом, называется напряжением при разомкнутой цепи. Оно близко к обратимой ЭДС. В табл. 27.1 приведены значения этого напряжения, соответствующие плотности электро­лита от 1,100 до 1,300 (отнесены к тем­пературе 15°С) и температуре от 5 до 30 °С.

Как видно из -таблицы, при плотности электролита 1,200, обычной для стацио­нарных аккумуляторов, и температуре 25 °С напряжение аккумулятора при разомкнутой цепи равно 2,046 В. В про­цессе разряда плотность электролита несколько снижается. Соответствующее снижение напряжения при разомкнутой цепи составляет всего несколько сотых долей вольта. Изменение напряжения при разомкнутой цепи, вызванное измене­нием температуры, ничтожно мало и представляет скорее теоретический ин­терес.

Если через аккумулятор проходит некоторый ток в направлении заряда или разряда, напряжение аккумулятора изменяется вследствие внутреннего па­дения напряжения и изменения ЭДС, вызванного побочными химическими и физическими процессами у электродов и в электролите. Изменение ЭДС акку­мулятора, вызванное указанными необ­ратимыми процессами, называется по­ляризацией. Основными причинами поляризации в аккумуляторе являются изменение концентрации электролита в порах активной массы пластин по отно­шению к концентрации его в осталь­ном объеме и вызываемое этим изме­нение концентрации ионов свинца. При разряде кислота расходуется, при заряде образуется. Реакция происходит в порах активной массы пластин, и приток или удаление молекул и ионов кислоты происходит через диффузию. Последняя может иметь место только при наличии некоторой разности концентраций элек­тролита в области электродов и в осталь­ном объеме, которая устанавливается в соответствии с током и температурой, определяющей вязкость электролита. Изменение концентрации электролита в порах активной массы вызывает измене­ние концентрации ионов свинца и ЭДС. При разряде вследствие понижения концентрации электролита в порах ЭДС уменьшается, а при заряде вследствие повышения концентрации электролита ЭДС повышается.

Электродвижущая сила поляризации направлена всегда навстречу току. Она зависит от пористости пластин, тока и

температуры. Сумма обратимой ЭДС и ЭДС поляризации, т. е. Е 0 ± Е п , представ­ляет собой ЭДС аккумулятора под током или динамическую ЭДС. При разряде она меньше обратимой ЭДС, а при заряде - больше. Напряже­ние аккумулятора под током отличается от динамической ЭДС только на значе­ние внутреннего падения напряжения, которое относительно мало. Следова­тельно, напряжение аккумулятора под током также зависит от тока и темпе­ратуры. Влияние последней на напряже­ние аккумулятора при разряде и заряде значительно больше, чем при разомкну­той цепи.

Если разомкнуть цепь аккумулятора при разряде, напряжение его медленно увеличится до напряжения при разомкну­той цепи вследствие продолжающейся диффузии электролита. Если разомкнуть цепь аккумулятора при заряде, напряже­ние его медленно уменьшится до напря­жения при разомкнутой цепи.

Неравенство концентраций электро­лита в области электродов и в остальном объеме отличает работу реального акку­мулятора от идеального. При заряде аккумулятор работает так, как если бы он содержал очень разбавленный элек­тролит, а при заряде - очень концентри­рованный. Разбавленный электролит все время смешивается с более концентри­рованным, при этом некоторое коли­чество энергии выделяется в виде тепла, которое при условии равенства кон­центраций могло бы быть использовано. В результате энергия, отданная акку­мулятором при разряде, меньше энергии, полученной при заряде. Потеря энергии происходит вследствие несовершенства химического процесса. Этот вид потерь является основным в аккумуляторе.

Внутреннее сопротивление аккумуля­ тора. Внутреннее сопротивление сла­гается из сопротивлений каркаса пластин, активной массы, сепараторов и электро­лита. Последнее составляет большую часть внутреннего сопротивления. Со­противление аккумулятора увеличивает­ся при разряде и уменьшается при заряде, что является следствием изменения кон­центрации раствора и содержания суль-

фата в активной массе. Сопротивле­ние аккумулятора невелико и заметно лишь при большом разрядном токе, когда внутреннее падение напряжения достигает одной или двух десятых долей вольта.

Саморазряд аккумулятора. Самораз­рядом называется непрерывная потеря химической энергии, запасенной в акку­муляторе, вследствие побочных реакций на пластинах обеих полярностей, вызван­ных случайными вредными примесями в использованных материалах или при­месями, внесенными в электролит в про­цессе эксплуатации. Наибольшее практи­ческое значение имеет саморазряд, выз­ванный присутствием в электролите различных соединений металлов, более электроположительных, чем свинец, на­пример меди, сурьмы и др. Металлы вы­деляются на отрицательных пластинах и образуют со свинцом пластин мно­жество короткозамкнутых элементов. В результате реакции образуются свин­цовый сульфат и водород, который выде­ляется на металле загрязнения. Самораз­ряд может быть обнаружен по легкому выделению газа у отрицательных пластин.

На положительных пластинах само­разряд происходит также вследствие обычной реакции между свинцом осно­вы, перекисью свинца и электролитом, в результате которой образуется суль­фат свинца.

Саморазряд аккумулятора проис­ходит всегда: как при разомкнутой цепи, так и при разряде и заряде. Он зависит от температуры и плотности электролита (рис. 27.2), причем с повыше­нием температуры и плотности электро­лита саморазряд увеличивается (потеря заряда при температуре 25 °С и плотности электролита 1,28 принята за 100%). По­теря емкости новой батареи вследствие саморазряда составляет около 0,3% в сутки. С возрастом батареи саморазряд увеличивается.

Ненормальная сульфатация пластин. Свинцовый сульфат образуется на пластинах обеих полярностей при каж­дом разряде, что видно из уравнения реакции разряда. Этот сульфат имеет

тонкое кристаллическое строение и за­рядным током легко восстанавливается в металлический свинец и перекись свин­ца на пластинах соответствующей по­лярности. Поэтому сульфатация в этом смысле - нормальное явление, состав­ляющее неотъемлемую часть работы аккумулятора. Ненормальная сульфата­ция возникает, если аккумуляторы под­вергаются чрезмерному разряду, систе­матически недозаряжаются или остают­ся в разряженном состоянии и бездейст­вии в течение длительного времени, а также если они работают с чрезмерно высокой плотностью электролита и при высокой температуре. В этих условиях тонкий кристаллический сульфат стано­вится более плотным, кристаллы растут, сильно расширяя активную массу, и трудно восстанавливаются при заряде вследствие большого сопротивления. Если батарея находится в бездействии, образованию сульфата способствуют колебания температуры. При повышении температура мелкие кристаллы суль­фата растворяются, а при последующем ее понижении сульфат медленно вы­кристаллизовывается и кристаллы рас­тут. В результате колебаний температу­ры крупные кристаллы образуются за счет мелких.

У сульфатированных пластин поры закупорены сульфатом, активный мате­риал выдавливается из решеток и пласти­ны часто коробятся. Поверхность суль­фатированных пластин становится жест­кой, шероховатой, и при растирании

материала пластин между пальцами ощущается как бы песок. Темно-корич-невые положительные пластины стано-вятся светлее, и на поверхности высту-пают белые пятна сульфата. Отрицательные пластины становятся твердыми, желовато-серыми. Емкость сульфатиро-шнного аккумулятора понижается.

Начинающаяся сульфатация может быть устранена длительным зарядом лалым током. При сильной сульфатации необходимы особые меры для приведе-гая пластин в нормальное состояние.

Напряжение АКБ, наряду с ёмкостью и плотностью электролита, позволяет сделать вывод о состоянии аккумулятора. По напряжению автомобильного аккумулятора можно судить о степени его заряженности. Если вы хотите быть в курсе состояния вашего аккумулятора и осуществлять грамотный уход за ним, то обязательно нужно научиться контролировать напряжение. Тем более что это совсем несложно. А мы постараемся доступно объяснить как это делается и какие нужны инструменты.

Сначала следует определиться с понятиями напряжения и электродвижущей силы (ЭДС) автомобильного аккумулятора. ЭДС обеспечивает протекание тока по цепи и обеспечивает разность потенциалов на выводах источника питания. В нашем случае это автомобильная аккумуляторная батарея. Напряжение аккумулятора определяется разностью потенциалов.

ЭДС представляет собой величину, которая равна работе, затрачиваемой на перемещение положительного заряда между выводами источника питания. Значения напряжение и электродвижущей сил между собой неразрывно связаны. Если в аккумуляторе не возникает электродвижущей силы, то на его выводах не будет напряжения. Также следует сказать, что напряжение и ЭДС существуют без прохождения тока в цепи. В разомкнутом состоянии тока в цепи нет, но в аккумуляторе все равно возбуждается электродвижущая сила и на выводах есть напряжение.

Обе величины, ЭДС и напряжение аккумулятора автомобиля измеряются в вольтах. Стоит также добавить, что электродвижущая сила в автомобильном аккумуляторе возникает вследствие протекания внутри него электрохимических реакций. Зависимость ЭДС и напряжения АКБ можно выразить следующей формулой:

E = U + I*R 0 где

E – электродвижущая сила;

U – напряжение на выводах батареи;

I – ток в цепи;

R 0 – внутреннее сопротивление АКБ.

Как можно понять из этой формулы, ЭДС больше напряжения аккумулятора на величину падения напряжения внутри него. Чтобы не забивать вам голову лишней информацией скажем проще. Электродвижущая сила батареи представляет собой напряжение на выводах АКБ без учёта тока утечки и внешней нагрузки. То есть, если снять аккумулятор с авто и замерить напряжение, то в такой разомкнутой цепи оно будет равно ЭДС.

Измерения напряжения производятся такими приборами, как вольтметр или мультиметр. В аккумуляторе величина ЭДС зависит от плотности и температуры электролита. При увеличении плотности электролита растёт напряжение и ЭДС. Для примера, при плотности электролита 1,27 гр./см 3 и температуре 18 C напряжение банки АКБ равно 2,12 вольта. А для аккумуляторной батареи, состоящей из шести элементов, значение напряжения будет 12,7 вольта. Это нормальное напряжение автомобильного аккумулятора, который заряжен и не находится под нагрузкой.

Нормальное напряжение аккумулятора автомобиля

Напряжение на аккумуляторе автомобиля должно быть 12,6-12,9 вольта, если он полностью заряжен. Замер напряжения АКБ позволяет быстро оценить степень заряженности. Но реальное состояние и изношенность аккумулятора по напряжению узнать нельзя. Чтобы получить достоверные данные о состоянии аккумуляторной батареи, нужно проверить её реальную и провести тест под нагрузкой, о котором будет сказано ниже. Советуем прочитать материал о том, как .

Однако с помощью напряжения вы всегда можете узнать степень заряженности аккумулятора. Ниже приводится таблица степени заряженности аккумулятора, в которой приводятся значения напряжения, плотности и температуры замерзания электролита в зависимости от заряда батареи.

Советуем периодически проверять напряжение и заряжать АКБ по мере необходимости. Если напряжение автомобильного аккумулятора упало ниже 12 вольт, его обязательно нужно подзарядить от сетевого зарядного устройства. Эксплуатация его в таком состоянии крайне не рекомендуется.

Эксплуатация батареи в разряженном состоянии приводит к увеличению сульфатации пластин и как следствие, падение ёмкости. Кроме того, это может привести к глубокому разряду, что для кальциевых аккумуляторов смерти подобно. Для них 2-3 глубоких разряда – это прямой путь на свалку.

Ну, а теперь о том, а какой инструмент нужен автолюбителю для контроля напряжения и состояния АКБ.

Инструменты для контроля напряжения аккумулятора автомобиля

Теперь, когда вы знаете, что такое нормальное напряжение аккумулятора автомобиля, поговорим о его измерении. Для контроля напряжения потребуется мультиметр (ещё называемый тестер) или обычный вольтметр.

Чтобы измерить напряжение мультиметром, нужно перевести его в режим измерения напряжения, а затем щупы приложить к выводам батареи. Аккумулятор должен быть снят с авто или с него сняты клеммы. То есть, измерения проводятся на разомкнутой цепи. Красный щуп идёт на плюсовой вывод, чёрный – на минусовой. На дисплей будет выведено значение напряжения. Если перепутать щупы, ничего страшного не случится. Просто мультиметр покажет отрицательное значение напряжения. Подробнее о читайте в статье по указанной ссылке.

Есть ещё такой прибор, как нагрузочная вилка. Им также можно измерить напряжение. Для этого в нагрузочной вилке имеется встроенный вольтметр. Но гораздо интереснее для нас то, что нагрузочная вилка позволяет измерять напряжение АКБ в замкнутой цепи с сопротивлением. По эти показаниям можно судить о том, в каком состоянии находится аккумулятор. Фактически, нагрузочная вилка создаёт имитацию пуска двигателя автомобиля.

Для измерения напряжения под нагрузкой следует подключить клеммы нагрузочной вилки к выводам АКБ и включить нагрузку на 5 секунд. На пятой секунде смотрите показания встроенного вольтметра. Если напряжение просело ниже 9 вольт, то аккумулятор уже потерял работоспособность и его следует заменить. Конечно, при условии аккумулятор полностью заряжен и в разомкнутой цепи выдаёт напряжение 12,6-12,9 вольта. На работоспособной батарее при подаче нагрузки напряжение сначала просядет где-то до 10-10,5 вольта, а затем начнёт немного расти.

О чём нужно помнить?

В заключение приведём некоторые советы, которые уберегут вас от ошибок при эксплуатации АКБ:

• периодически измеряйте напряжение аккумулятора и регулярно (раз в 3 месяца) подзаряжайте его от сетевого зарядного устройства;
• держите в исправном состоянии генератор, проводку и регулятор напряжения автомобиля для нормальной зарядки АКБ при поездках. Необходимо регулярно проверять значение тока утечки. и его измерение описаны в статье по ссылке;
• проверяйте плотность электролита после зарядки и сверяйтесь с таблицей выше;
• содержите аккумулятор в чистоте. Это снизит ток утечки.

Внимание! Никогда не замыкайте выводы автомобильного аккумулятора накоротко. Последствия будут печальными.

Вот и все, что хотелось сказать о напряжении автомобильного аккумулятора. Если у вас есть дополнения, исправления и вопросы, пишите их в комментариях. Удачной эксплуатации АКБ!

Страница 2 из 26

1.3. Основные электрические характеристики аккумуляторных батарей

Электродвижущая сила и напряжение . Электродвижущей силой (ЭДС) называется разность потенциалов положительного и отрицательного электродов аккумулятора при разомкнутой внешней цепи.
Величина ЭДС зависит, главным образом, от электродных потенциалов, т. е. от физических и химических свойств веществ, из которых изготовлены пластины и электролит, но не зависит от размеров пластин аккумулятора.
ЭДС кислотного аккумулятора зависит также от плотности электролита. Теоретически и практически установлено, что ЭДС аккумулятора с достаточной для практики точностью можно определить по формуле
Е=0,85 + g,
где g– плотность электролита при 15°С, г/см 3 .
Для кислотных стартерных аккумуляторов, в которых плотность электролита колеблется в пределах от 1,12 до 1,29 г/см 3 , ЭДС изменяется соответственно от 1,97 до 2,14 В.
Измерить ЭДС с абсолютной точностью почти невозможно. Однако для практических целей ЭДС приблизительно и достаточно точно можно измерить вольтметром, имеющим высокое внутреннее сопротивление (не менее 1000 Ом на 1 В). При этом через вольтметр будет проходить ток незначительной величины.
Напряжением аккумулятора называется разность потенциалов положительных и отрицательных пластин при замкнутой внешней цепи, в которую включен какой-либо потребитель тока, т. е. при прохождении тока через аккумулятор. При этом показания вольтметра при измерении напряжения всегда будут меньше, чем при замере ЭДС, и эта разность будет тем больше, чем больший ток проходит через аккумулятор.
ЭДС и напряжение зависят от ряда факторов. ЭДС изменяется от плотности и температуры электролита. Напряжение в свою очередь зависит от ЭДС, величины разрядного тока (нагрузки) и внутреннего сопротивления аккумулятора.
Зависимость ЭДС аккумулятора от плотности электролита (концентрации раствора Н2SО4) приведена ниже:

Плотность электролита при 25°С,
г/см 3 .................................... 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,28 1,30
Н2SО4, %............................. 7,44 14,72 21,68 27,68 33,8 37,4 39,7
ЭДС аккумулятора, в.......... 1,906 1,960 2,005 2,048 2,095 2,125 2,144
Из этой зависимости видно, что с увеличением концентрации серной кислоты ЭДС также увеличивается. Отсюда, однако, не следует, что для получения большей ЭДС можно чрезмерно увеличивать плотность электролита. Установлено, что стартерные аккумуляторные батареи достаточно хорошо работают тогда, когда плотность электролита в них составляет 1,27 – 1,29 г/см 3 .Кроме того, электролит плотностью 1,29 г/см 3 имеет самую низкую точку замерзания.
При изменении температуры электролита ЭДС аккумулятора также меняется. Так, с изменением температуры электролита от +20°С до -40°С ЭДС аккумулятора снижается с 2,12 до 2,096 в. В значительно большей степени с изменением температуры электролита меняется напряжение, так как оно зависит не только от ЭДС, но и от внутреннего сопротивления аккумулятора, которое с понижением температуры значительно возрастает.
Между ЭДС, напряжением, внутренним сопротивлением и величиной разрядного тока существует следующая зависимость:
U=Е-Ir,
где U – напряжение;
Е – э. д. с. аккумулятора;
I – величина разрядного тока;
r – внутреннее сопротивление аккумулятора.
Из этой формулы видно, что при постоянном значении ЭДС, измеряемой при разомкнутой цепи, напряжение аккумулятора падает по мере увеличения отдаваемого в процессе разряда тока.
Внутреннее сопротивление. Внутреннее сопротивление аккумулятора сравнительно мало, но в тех случаях, когда аккумуляторная батарея разряжается силой тока большой величины, например, при пуске двигателя стартером, внутреннее сопротивление каждого аккумулятора имеет очень существенное значение.
Внутреннее сопротивление складывается из сопротивления электролита, сепараторов и пластин. Главной составляющей является сопротивление электролита, которое изменяется с изменением температуры и концентрации серной кислоты.
Зависимость удельного сопротивления электролита плотностью 1,30 г/см 3 от температуры показана ниже:

Температура, °С Удельное сопротивление электролита Ом·см
+ 40 0,89
+ 25 1,28
+ 18 1,46
0 1,92
– 18 2,39
Как видно из приведенных данных, с понижением температуры электролита от +40°С до -18°С удельное сопротивление возрастает в 2,7 раза. Наименьшее значение удельного сопротивления имеет электролит плотностью 1,223 г/см 3 при 15°С (30%-ный раствор Н2SО4 по весу).
Вторым составляющим сопротивления в аккумуляторе является сопротивление сепараторов. Оно зависит в основном от их пористости. Сепараторы изготавливают из электроизолирующего материала, поры которого заполнены электролитом, что и обусловливает электропроводимость сепаратора.
В связи с этим можно было бы предположить, что с изменением температуры сопротивление сепаратора будет изменяться в той же пропорции, что и сопротивление электролита, но это не совсем так. Некоторые виды сепараторов, например, сепараторы из микропористого эбонита (мипора) не чувствительны к изменению температуры.
Третьим фактором, входящим в общую сумму внутреннего сопротивления элемента, служит активная масса и решетки положительных и отрицательных пластин.
Сопротивление губчатого свинца отрицательной пластины незначительно отличается от сопротивления материала решетки, в то время как сопротивление перекиси свинца положительной пластины превышает сопротивление решетки в 10000 раз. В отличие от сопротивления электролита сопротивление решетки уменьшается с понижением температуры. Но ввиду того, что сопротивление электролита во много раз больше сопротивления пластин, то уменьшение их сопротивления с понижением температуры весьма незначительно компенсирует общее снижение сопротивления электролита.
На сопротивление пластин влияет степень заряженноcти аккумуляторной батареи. В процессе разряда сопротивление пластин возрастает, так как сернокислый свинец, образующийся на положительных и отрицательных пластинах, почти не проводит электрический ток.
По сравнению с другими типами аккумуляторов кислотные аккумуляторы имеют сравнительно малое внутреннее сопротивление, что и определяет их широкое применение в качестве стартерных батарей на автомобильном транспорте.
Емкость. Емкостью аккумулятора называется количество электричества, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при заданном режиме разряда, температуре и конечном напряжении. Емкость измеряют в ампер-часах и определяют по формуле
C=Iptp,
где С – емкость, а·ч;
Ip – сила разрядного тока, а;
tp – время разряда, ч.
Величина емкости аккумуляторной батареи в основном определяется следующими факторами: режимом разряда (величиной разрядного тока), концентрацией электролита и температурой. Аккумуляторы при форсированных режимах разряда отдают емкость меньше, чем при разряде более длительными режимами (небольшой величиной тока).
Снижение емкости при форсированных режимах разряда происходит по следующим причинам.
В процессе разряда превращение активной массы пластин сернокислый свинец происходит не только на поверхности пластин, но и внутри них. Если разряд осуществляют током небольшой силы и медленно, то электролит успевает проникать в глубокие слои активной массы, а вода, образующаяся в результате реакции в порах, успевает смешаться с основной массой электролита. При форсированных режимах разряда концентрация серной кислоты в электролите внутри пластин значительно снижается, свежий электролит не успевает проникнуть в глубь активной массы, реакция идет в основном на поверхности пластин, так как поры закупориваются и внутрилежащие слои активной массы почти не принимают участия в реакции. При этом в результате значительного увеличения внутреннего сопротивления аккумулятора напряжение на его зажимах резко падает.
Однако после того как аккумулятор будет разряжен при форсированном режиме, после небольшого перерыва его снова можно разряжать. Это служит наглядным подтверждением того, что снижение емкости в аккумуляторе при разряде большой величиной силы тока происходит в результате неполного использования активной массы пластин.
Кроме величины разрядного тока, на емкость аккумулятора значительно влияет концентрация электролита, которая определяет потенциал пластин, электрическое сопротивление электролита и его вязкость, влияющую в свою очередь на способность проникания электролита в глубокие слои активной массы пластин.
В процессе разряда плотность электролита уменьшается и в конце разряда к активной массе пластин поступает недостаточное количество кислоты, в результате чего напряжение аккумулятора падает и дальнейший его разряд становится невозможным. Чем больше разница между концентрациями электролита, находящегося вне пластин, и электролита, находящегося в порах активной массы, тем интенсивнее происходит процесс проникновения кислоты в поры пластин. В этом отношении применение электролита с большей плотностью, казалось бы, должно увеличить емкость. Но в действительности чрезмерно большая плотность не ведет к увеличению емкости, так как увеличение плотности электролита неизбежно приводит к повышению вязкости электролита, в результате чего процесс проникновения электролита в глубину активной массы пластин ухудшается, и напряжение на зажимах аккумулятора падает.
Установлено, что наибольшую емкость имеет аккумуляторная батарея с плотностью электролита 1,27 – 1,29 г/см 3 .
Емкость аккумуляторной батареи зависит также от температуры. С понижением температуры емкость снижается, а с повышением увеличивается. Это объясняется тем, что с понижением температуры увеличивается вязкость электролита, в результате чего он поступает к пластинам в недостаточном количестве.
Значения вязкости электролита плотностью 1,223 г/см 3 в зависимости от температуры приведены ниже:
Температура, °С............ +30 +25 +20 +10 0 – 10 – 20 – 30
Абсолютная вязкость,
пз(пуаз)....................... 1,596 1,784 2,006 2,600 3,520 4,950 7,490 12,200
Емкость положительных и отрицательных пластин с изменением температур изменяется не в одинаковой степени. Если при обычной температуре емкость элемента лимитируется положительными пластинами, то при низких температурах – отрицательными, так как при понижении температуры емкость отрицательной пластины уменьшается в значительно большей степени, чем положительной.
В последнее время емкость аккумуляторных батарей при низких температурах удалось значительно повысить за счет применения более тонких синтетических сепараторов с высокой пористостью (до 80%) и присадок, так называемых расширителей, к активной массе отрицательных пластин, которые придают ей большую пористость.
Помимо режима разряда, концентрации электролита и температуры емкость аккумуляторной батареи зависит от срока ее службы, от срока хранения, в течение которого батарея бездействовала, от наличия вредных примесей и т. д. Емкость новой аккумуляторной батареи, поступающей в эксплуатацию, первое время (в течение гарантийного срока службы) повышается, так как происходит формирование пластин, после чего на протяжении определенного периода остается постоянной и затем начинает постепенно падать. Потеря емкости аккумуляторной батареей в конце срока службы объясняется уменьшением пористости отрицательных пластин и выпадением активной массы положительных пластин.
Если заряженная батарея продолжительное время бездействовала, то при ее разряде отданная емкость будет значительно меньше. Это объясняется естественным явлением саморазряда при бездействии батареи.

Аккумуляторные батареи заполнены серной кислотой и в процессе нормального цикла заряда-разряда в них выделяются взрывоопасные газы (водород и кислород). Во избежание травмирования персонала или повреждения автомобиля неукоснительно соблюдайте следующие правила техники безопасности:

1. Перед тем как приступать к работе с любыми электрическими компонентами автомобиля, отсоедините кабель питания от минусовой клеммы аккумулятора. При отсоединенном минусовом кабеле питания все электрические цепи в автомобиле будут разомкнуты, что обеспечит предотвращение случайного замыкания любого электрического компонента на массу. Электрическая искра создает потенциальную опасность травмирования и возникновения возгорания.
2. Любые работы, связанные с аккумуляторной батареей, должны выполняться в защитных очках.
3. Для защиты от попадания серной кислоты, которой заполнена аккумуляторная батарея, на кожу используйте защитную одежду.
4. Не нарушайте указанных в процедурах технического обслуживания правил техники безопасности при обращении с оборудованием, используемым для технического обслуживания и испытания аккумуляторных батарей.
5. Категорически запрещается курить или использовать открытый огонь в непосредственной близости от аккумуляторной батареи.

Текущее обслуживание аккумуляторной батареи

Текущее техническое обслуживание аккумуляторной батареи заключается в проверке чистоты корпуса аккумуляторной батареи и, при необходимости, добавлении в нее чистой воды. Все производители аккумуляторных батарей рекомендуют использовать для этой цели дистиллированную воду, но в случае ее отсутствия можно использовать чистую питьевую воду с низким содержанием солей. Поскольку вода - это единственный расходуемый компонент аккумуляторной батареи, доливать в аккумуляторную батарею кислоту не допускается. Часть воды из электролита улетучивается в процессе заряда и разряда аккумуляторной батареи, но кислота, содержащаяся в электролите, остается в аккумуляторной батарее. Не переполняйте аккумуляторную батарею электролитом, потому что в таком случае нормальный барботаж (газообразование), возникающий в электролите в процессе работы аккумуляторной батареи, приведет к утечке электролита, вызывающей коррозию клемм аккумуляторной батареи,ее кронштейнов крепления и поддона. Аккумуляторные батареи следует заполнять электролитом до уровня примерно на полтора дюйма (3,8 см) ниже верха заливной горловины.

Контакты кабелей питания, подключаемых к аккумуляторной батарее, и клеммы самой аккумуляторной батареи необходимо осмотреть и очистить во избежание падения напряжения на них. Одной из распространенных причин того, что двигатель не заводится, является ослабление или коррозия контактов кабелей питания, подсоединенных к клеммам аккумуляторной батареи.

Рис. Сильно корродированная клемма аккумуляторной батареи

Рис. Было обнаружено, что этот кабель питания, подсоединенный к аккумуляторной батарее, сильно корродирован под изоляцией. Хотя коррозия насквозь разъела изоляцию, но оставалась незамеченной до тех пор, пока кабель не был тщательно осмотрен. Этот кабель подлежит замене

Рис. Тщательно проверьте все клеммы аккумуляторной батареи на наличие признаков коррозии. В этом автомобиле два кабеля питания присоединены к плюсовой клемме аккумуляторной батареи с помощью длинного болта. Это - распространенная причина коррозии, которая вызывает нарушение электрического пуска двигателя

Измерение ЭДС аккумуляторной батареи

Электродвижущая сила (ЭДС) — это разность потенциалов положительного и отрицательного электродов аккумулятора при разомкнутой внешней цепи.

Величина ЭДС зависит, главным образом, от электродных потенциалов, т.е. от физических и химических свойств веществ, из которых изготовлены пластины и электролит, но не зависит от размеров пластин аккумулятора. ЭДС кислотного аккумулятора зависит также от плотности электролита.

Измерение электродвижущей силы (ЭДС) аккумуляторной батареи с помощью вольтметра является простым способом определения степени ее заряженности. ЭДС аккумуляторной батареи не является показателем, который гарантирует работоспособность аккумуляторной батареи, но этот параметр полнее характеризует состояние аккумуляторной батареи, чем просто ее осмотр. Аккумуляторная батарея, которая по внешнему виду вполне работоспособна, на самом деле может оказаться не такой хорошей, как кажется.

Эта проверка называется измерением напряжения в режиме холостого хода (проверкой ЭДС) аккумуляторной батареи потому, что измерение проводится на клеммах аккумуляторной батареи без подключенной к ней нагрузки, при нулевом токе потребления.

1. Если проверка производится сразу же по окончании зарядки аккумуляторной батареи или в автомобиле по окончании поездки, перед измерением необходимо освободить аккумуляторную батарею от ЭДС поляризации. ЭДС поляризации - это повышенное, по сравнению с нормальным, напряжение, которое возникает только на поверхности аккумуляторных пластин. ЭДС поляризации быстро исчезает, когда аккумуляторная работает под нагрузкой, поэтому она не дает точной оценки степени заряженности аккумуляторной батареи.
2. Для освобождения аккумуляторной батареи от ЭДС поляризации включите фары в режим дальнего света на одну минуту, а затем, выключите их и подождите пару минут.
3. При выключенном двигателе и всем остальном электрооборудовании, при закрытых дверях (чтобы был выключен свет в салоне), подключите вольтметр к клеммам аккумуляторной батареи. Красный, плюсовой, провод вольтметра подсоедините к плюсовой клемме аккумуляторной батареи, а черный, минусовой, провод - к ее минусовой клемме.
4. Зафиксируйте показание вольтметра и сравни те его с таблицей степени заряженности аккумуляторной батареи. Приведенная ниже таблица подходит для оценки степени заряженности аккумуляторной батареи по величине ЭДС при комнатной температуре - от 70°Ф до 80°Ф (от 21 °С до 27°С).

Таблица

Рис. Вольтметр показывает напряжение аккумуляторной батареи через одну минуту после включения фар (а). После выключения фар напряжение, измеренное на аккумуляторной батарее, быстро восстановилось до 12,6 В (б)

ПРИМЕЧАНИЕ

Если вольтметр выдает отрицательное показание, то, либо аккумуляторная батарея заряжена в обратной полярности (и тогда подлежит замене), либо вольтметр подключен к аккумуляторной батарее в обратной полярности.

Измерение напряжения аккумуляторной батареи под нагрузкой

Одним из наиболее точных способов определения работоспособности аккумуляторной батареи является измерение напряжения аккумуляторной батареи под нагрузкой. В большинстве тестеров пусковых и зарядных характеристик автомобильных аккумуляторных батарей в качестве нагрузки аккумуляторной батареи используется угольный реостат. Параметры нагрузки определяются номинальной емкостью проверяемой аккумуляторной батареи. Номинальная емкость аккумуляторной батареи характеризуется величиной пускового тока, который способна обеспечить аккумуляторная батарея при температуре 0°Ф (-18°С) в течение 30 секунд. Ранее использовалась характеристика номинальной емкости аккумуляторных батарей в ампер-часах. Измерение напряжения аккумуляторной батареи под нагрузкой производится при величине разрядного тока, равной половине номинального ССА тока аккумуляторной батареи или утроенной номинальной емкости аккумуляторной батареи в ампер-часах, но не менее 250 ампер. Измерение напряжения аккумуляторной батареи под нагрузкой производится после проверки степени ее заряженности по встроенному ареометру или путем измерения ЭДС аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея должна быть заряжена не менее чем на 75%. К аккумуляторной батарее подключают соответствующую нагрузку и по истечении 15 секунд работы аккумуляторной батареи под нагрузкой фиксируют показания вольтметра при подключенной нагрузке. Если аккумуляторная батарея - хорошая, то показание вольтметра должны оставаться выше 9,6 В. Многие производители аккумуляторных батарей рекомендуют проводить измерение дважды:

• первые 15 секунд работы аккумуляторной батареи под нагрузкой используются для освобождения от ЭДС поляризации
• вторые 15 секунд - для получения более достоверной оценки состояния аккумуляторной батареи

Между первым и вторым циклом работы под нагрузкой необходимо сделать выдержку в 30 секунд, чтобы дать аккумуляторной батарее время на восстановление.

Рис. Тестер пусковых и зарядных характеристик автомобильных аккумуляторных батарей, выпущенный компанией Bear Automotive, автоматически включает проверяемую аккумуляторную батарею в режим работы под нагрузкой в течение 15 секунд - для удаления ЭДС поляризации, затем отключает нагрузку на 30 секунд для восстановления аккумуляторной батареи и снова подключает нагрузку на 15 секунд. На дисплей тестера выводится информация о состоянии аккумуляторной батареи

Рис. Тестер VAT 40 (вольтамперметр, модель 40) компании Sun Electric, подключенный к аккумуляторной батарее для испытаний под нагрузкой. Оператор с помощью регулятора тока нагрузки устанавливает по показанию амперметра величину тока разряда, равную половине номинального ССА тока аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея работает под нагрузкой в течение 15 секунд и по окончании этого интервала времени напряжение аккумуляторной батареи, измеренное при подключенной нагрузке, должно быть не ниже 9,6 В

ПРИМЕЧАНИЕ

Некоторые тестеры для определения степени заряженности и работоспособности аккумуляторной батареи измеряют емкость аккумуляторной батареи. Соблюдайте процедуру проверки, установленную производителем испытательного оборудования.

Если аккумуляторная батарея не прошла испытания под нагрузкой, подзарядите ее и повторите проверку. В случае если вторая проверка закончилась неудачно, аккумуляторная батарея подлежит замене.

Зарядка аккумуляторной батареи

Если аккумуляторная батарея сильно разряжена, ее необходимо подзарядить. Зарядку аккумуляторной батареи, во избежание ее повреждения вследствие перегрева, лучше всего производить в стандартном режиме зарядки. Пояснения, касающиеся стандартного режима зарядки аккумуляторной батареи, приведены на рисунке.

Рис. Это устройство для зарядки аккумуляторных батарей отрегулировано на зарядку аккумуляторной батареи номинальным зарядным током 10 А. Зарядка аккумуляторной батареи в стандартном режиме, как на приведенной фотографии, не так сильно действует на аккумуляторную батарею, как режим ускоренной зарядки, в котором не исключается перегрев аккумуляторной батареи и коробление аккумуляторных пластин

Необходимо помнить о том, что для зарядки полностью разряженной аккумуляторной батареи может потребоваться часов восемь, а то и более. Первоначально необходимо в течение 30 минут поддерживать зарядный ток на уровне около 35 А - для того, чтобы облегчить начало процесса зарядки аккумуляторной батареи. В режиме ускоренной зарядки аккумуляторной батареи происходит ее усиленный нагрев и возрастает опасность коробления аккумуляторных пластин. В режиме ускоренной зарядки происходит также усиленное газообразование (выделение водорода и кислорода), что создает опасность для здоровья и опасность возгорания. Температура аккумуляторной батареи не должна выходить за пределы 125°Ф (52°С, аккумуляторная батарея - горячая на ощупь). Зарядку аккумуляторных батарей рекомендуется, как правило, производить зарядным током, равным 1% паспортного значения ССА-тока.

• Режим ускоренной зарядки — максимум 15 А
• Стандартный режим зарядки — максимум 5 А

Это может произойти с каждым!

Владелец автомобиля Toyota отключил аккумуляторную батарею. После подключения новой аккумуляторной батареи владелец заметил, что на приборной панели загорелась желтая лампочка сигнализации «подушка безопасности», а радиоприемник заблокировался. Владелец приобрел подержанный автомобиль у дилера и не знал секретного четырехзначного кода, необходимого для разблокирования радиоприемника. Вынужденный искать способ решения этой проблемы, он наугад попробовал ввести три разных четырехзначных числа в надежде, что одно из них подойдет. Однако после трех неудачных попыток радиоприемник полностью отключился.

Расстроенный владелец обратился к дилеру. Устранение возникшей проблемы обошлось более чем в триста долларов. Для сброса сигнализации «подушка безопасности» потребовался специальный прибор. Радиоприемник пришлось вынуть из автомобиля и отослать в другой штат, в авторизованный сервисный центр, а по возвращении заново установить в автомобиле.

Поэтому, прежде чем отключать аккумуляторную батарею, обязательно согласуйте это с владельцем автомобиля - вы должны убедиться в том, что владельцу известен секретный код включения закодированного радиоприемника, который одновременно используется в системе охраны автомобиля. Может потребоваться использование устройства резервного питания памяти радиоприемника при отключенной аккумуляторной батарее.

Рис. Вот удачная мысль. Техник сделал источник резервного питания памяти из старого аккумуляторного фонарика и кабеля с переходником к гнезду прикуривателя. Он просто подсоединил провода к выводам аккумулятора имевшегося у него аккумуляторного фонарика. Аккумулятор фонарика использовать удобней, чем обычную 9-вольтовую батарейку - на случай, если кому-то придет в голову открыть дверь автомобиля в то время, когда источник резервного питания памяти будет включен в цепь. 9-вольтовая батарейка, имеющая небольшую емкость, в этом случае быстро бы разрядилась, в то время как емкость аккумулятора фонарика достаточно велика и ее хватит на то, чтобы даже при включении освещения салона обеспечить необходимое питание памяти