ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 1.1.Основные сведения. Тема Цель:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Тема: Стартерные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи.
Цель: Определение технического состояния и сервисное
обслуживание автомобильных аккумуляторных батарей (АБ).
1.1.Основные сведения.
Определение и классификация АБ.
Аккумуляторная батарея – обратимый химический источник
постоянного электрического тока, состоящий из отдельных кислотносвинцовых
аккумуляторов,
электрически
соединенных
последовательно и конструктивно скомпонованных в моноблок.
На автомобилях применяют свинцово-кислотные аккумуляторные
батареи, обеспечивающие питание электростартера (в связи с этим
часто эти АБ называют стартерными) при пуске двигателя и других
электроприемников автомобиля при неработающем генераторе или
его недостаточной мощности.
По функционально-конструктивному признаку различают:
 обслуживаемые АБ, конструкция которых позволяет проводить
проверку технического состояния каждого аккумулятора в
отдельности (по плотности электролита и разрядному току) и в
случае необходимости (выхода из строя) заменять его на
новый.
 малообслуживаемые АБ, исключительно трудоемки в ремонте
и измерение напряжения на отдельных аккумуляторах у них
невозможно, хотя наличие в каждом аккумуляторе заливной
пробки (как и у обслуживаемых АБ) позволяет контролировать
плотность и уровень электролита.
 необслуживаемая АБ, отличается от предыдущих типов АБ
отсутствием заливных пробок и наличием индикатора
заряженности, а также вентиляционного клапана.
 монолитная АБ, новый тип АБ, созданный с применением
ленточных электродов, которые после сборки и пропитки
электролитом сворачивают в рулон, а затем, соединив
электрически между собой, помещают в моноблочный корпус.
Устройство АБ.
АБ имеет корпусной моноблок 7, изготовленный из кислотостойкой
термопластмассы, разделенный на отдельные аккумуляторные банки.
В каждую банку помещается один аккумуляторный элемент 6
(аккумулятор) токовыми выводами (борнами) вверх. Количество
элементов в АБ определяется ее номинальным напряжением.
Отдельный аккумулятор набирается из положительных 3 и
отрицательных 4 электродов соединяемых баретками 11 (мостиками с
борнами) в положительные 12 и отрицательные 5 полублоки. При
сборке в блок 6 между электродами устанавливают сепараторы 2 с
целью предохранения от коротких замыканий электродов.
Рис.1.1. Устройство аккумуляторной батареи:
1-решетка;
2-сепаратор;
3,4- электроды соответственно
положительный и отрицательный; 5-полублок отрицательных
электродов; 6-блок электродов с сепараторами; 7-корпус
моноблока; 8-полюсный вывод; 9-общая крышка; 10-пробка; 11мостик с борном; 12-полублок положительных электродов
Положительные и отрицательные электроды представляют собой
жесткие решетчатые каркасы из легированного сурьмой, мышьяком,
кадмием, оловом или кальцием свинцового сплава, в ячейки которых
впрессовываются
пастообразные
активные
массы.
Для
положительных электродов в качестве активной массы используется
обычно мелкопористая двуокись свинца PbO2 (темно-коричневого
цвета), для отрицательных – губчато-пористый свинец Pb (темносерого цвета).
Сепараторы представляют собой пластины из легко проницаемого
для электролита сетчатого или крупнопористого кислотостойкого
изоляционного материала (полихлорвинила – мипласта или тонкого
сетчатого листового эбонита - мипора).
Для последовательного соединения аккумуляторов в батареи
используют межэлементные перемычки, которые припаивают к
борнам положительных и отрицательных полублоков соседних
аккумуляторов. К борнам крайних элементов припаивают конусные
полюсные выводы АБ (диаметр положительного полюсного вывода
несколько больше чем отрицательного).
В банки моноблока АБ с аккумуляторными элементами заливают
через пробки 10 электролит – 30%-ный раствор серной кислоты H2SO4
в дистиллированной воде H2O с массовой концентрацией в 28…40% и
плотностью 1,21…1,31 г/см3.
Условные обозначения АБ.
Условное обозначение АБ содержит указания на:
- число (3 или 6) последовательно соединенных аккумуляторов в
батарее,
характеризующее
ее
номинальное
напряжение
(соответственно 6В или 12В);
- назначение (СТ-стартерная);
- номинальную емкость С20 в ампер-часах;
- исполнение (А - с общей крышкой, Н - не сухозаряженная, З необслуживаемая, залитая и заряженная).
В настоящее время встречаются в условных обозначениях буквы Э
и Т после значения номинальной емкости указывающие на материал
моноблока (соответственно эбонит и термопласт). Последующие
буквы обозначают материал сепаратора (М – мипласт, Р - мипор).
На АБ в соответствии со стандартом должна быть нанесена
маркировка содержащая:
- товарный знак предприятия-изготовителя;
- условное обозначение (тип) батареи;
- знаки полярности полюсных зажимов;
- дата изготовления (месяц и год);
- обозначение стандарта и технических условий;
- номинальная емкость в ампер-часах и номинальное напряжение
в вольтах (для малообслуживаемых и необслуживаемых АБ);
- сила разрядного тока в амперах (если он превышает 3∙С20(А) –
где С20 -номинальня емкость АБ );
- клеймо технического контроля.
Принцип работы АБ.
Электрохимические процессы, протекают в аккумуляторе в
результате
взаимодействия
двух
электродных
пластин
(отрицательной – свинцовой и положительной – из двуокиси свинца),
опущенных в электролит. Если положительный и отрицательный
электроды залитого и заряженного аккумулятора соединить между
собой (рис.1.2, а) через какой-нибудь потребитель электрической
энергии (лампу накаливания), то в этой цепи потечет разрядный ток Iр,
обусловленный ЭДС аккумулятора. В процессе разряда активные
массы отрицательного и положительного электродов и серная кислота
преобразуются в сульфат свинца и воду, вследствие чего плотность
электролита постепенно уменьшается.
Уравнение, описывающее химическую реакцию при разряде
аккумулятора имеет вид:
Pb + PbO2 + 2H2SO42PbSO4 + 2H2O
а)
б)
Ip
PbO2
H2SO4 + H2O
PbSO4
H2O
Ip
Г
–
+
–
+
Iз
Pb
PbSO4
PbSO4
PbSO4
H2O + H2O
PbO2
Pb
H2SO4
Iз
Рис. 1.2. Процессы, происходящие в свинцовокислотном аккумуляторе: а - при разряде, б – при заряде.
В конце концов электрическая энергия АБ при работе на полезную
нагрузку (или при длительном хранении за счет саморазряда) может
истощиться. Однако, электрохимическая система аккумулятора –
обратима, т.е. может восстанавливаться под воздействием обратного
тока внешнего источника.
В процессе заряда аккумулятора (рис. 1.2, б) ток по цепи протекает
в
противоположном
направлении.
При
этом
происходит
восстановление материалов электродов. Процесс сопровождается
образованием серной кислоты и выделением кислорода и водорода,
отчего плотность электролита повышается.
Уравнение, описывающее химическую реакцию при заряде
аккумулятора имеет вид:
2PbSO4 + [3H2O + H2SO4]  Pb + PbO2 +[3H2SO4 + H2O]
Вместе с тем следует отметить, что хотя процессы в АБ и
обратимы, но полного восстановления активных масс электродов все
же не происходит. В связи, с чем из всех электротехнических
устройств бортовой системы автомобиля АБ – самое ненадежное и
недолговечное.
Сервисное обслуживание АБ.
Современные автомобильные АБ имеют малообслуживаемую или
полностью
необслуживаемую
конструкцию,
вследствие
чего
эксплуатационно-технические мероприятия по их сервисному
обслуживанию сводятся к следующему:
 Хранение
новых
АБ
(сухозаряженных
или
залитых).
Стандартные условия хранения следующие:
- АБ до начала эксплуатации (гарантийный срок хранения
указывается в инструкции) хранить в заводской упаковке в не




отапливаемом
темном
помещении
при
температуре
окружающего воздуха не ниже -15°С;
- АБ не бывшие в эксплуатации, но залитые перед постановкой
на хранение требуют заряда, а также периодического (не реже
один раз в квартал) подзаряда. Однако следует помнить, как
правило, подзарядка новых необслуживаемых АБ запрещена
заводом-изготовителем;
- АБ хранящиеся при температуре ниже 0°С следует ежемесячно
проверять по плотности и температуре электролита (при
снижении плотности более чем на 0,04г/см3 необходимо
поставить батарею на заряд).
Первичная заливка малообслуживаемых сухозаряженных АБ.
При этом следует придерживаться следующих правил:
- при приготовлении электролита соблюдать правила обращения
с химически агрессивными веществами (использовать
специальную посуду, средства индивидуальной защиты,
работать в отапливаемом проветриваемом помещении и т.д.);
- приготавливать и заливать электролит в АБ следует при
температуре 15…20°С и плотности, соответствующей
климатической зоне эксплуатации, обязательно указанной в
сопроводительных документах на АБ;
- первоначальная (повышенная) плотность приготовленного
электролита должна быть 1,4 г/см3, точная подгонка плотности
(с учетом влажности и времени года) осуществляется доливкой
дистиллированной воды. При необходимости повышения
плотности электролита (например, вследствие его утечки), в
него добавляют электролит повышенной (первоначальной)
плотности.
Снятие АБ с автомобиля на временное хранение. При этом
проверяется плотность и уровень электролита и при
необходимости
доводятся
до
нормы
(доливкой
дистиллированной воды с последующим подзарядом).
Сезонное обслуживание АБ. Оно в основном заключается в
понижении (повышении) путем отбора электролита и с
последующим
добавлением
дистиллированной
воды
(электролита повышенной плотности) при переходе с зимнего
сезона на летний (при переходе с летней эксплуатации на
зимнюю).
Заряд АБ осуществляя от источника постоянного тока
(стационарного зарядного устройства (ЗУ) или генераторной
установки (ГУ) автомобиля). Наиболее распространенными
способами заряда АБ в стационарных условиях являются:
1) Заряд при неизменной постоянной силе тока, равной
0,1∙С20 А в течении 10 часов либо - 0,05 С20 А в течении 20
часов;
2) Заряд
при
неизменном
постоянном
напряжении,
составляющем на каждом аккумуляторе 2,4 – 2,5 В.
Стационарно заряд АБ проводится при помощи специального
источника постоянного тока, представляющего собой мощный
полупроводниковый выпрямитель с сетевым трансформатором
и возможностью регулировать ток и напряжение.
При первом способе заряда поддержание постоянного
зарядного тока достигается: включением в цепь заряда
последовательно с АБ реостата, позволяющего изменять ее
сопротивление; применением регуляторов тока, в частности,
тиристорных, которые поддерживают постоянным среднее
значение зарядного тока за счет периодического включения в
цепь заряда дополнительного резистора; изменением
напряжения источника тока ручным или автоматическим
регулирующим устройством в соответствии с показаниями
амперметра, контролирующего зарядный ток. При этом АБ
соединяются между собой в группы последовательно и
подключаются параллельно к выводам ЗУ. Число k батарей в
группе зависит от максимального выходного напряжения ЗУ
при условии, что на каждый аккумулятор величина зарядного
напряжения составит 2,7 В. Следовательно, это число можно
рассчитать по формуле:
U
k
, где U  напряжение на выходе ЗУ , В;
2,7n
n  число аккумулято ров в батарее.
Число m групп АБ, подключаемых параллельно для
одновременного заряда, рассчитывают в зависимости от
значения тока, который обеспечивает ЗУ, и значения токов
заряда отдельных групп по формуле:
I
m
, где I  сила тока, которую может обеспечить ЗУ , А;
Iз
I  сила зарядного тока, А.
з
Сопротивление регулировочного реостата R, включаемого
последовательно каждой группе определяется (при условии,
что начальное напряжение на каждом аккумуляторе должно
составлять 2 В) по формуле:
R
U  2 n  k
,
Iз
где U  напряжение на выходе ЗУ , В;
n  число аккумулято ров в батарее;
k  число АБ в групе;
I  сила зарядного тока, А.
з
Необходимость постоянного контроля и регулирования
зарядного тока, повышенный расход электроэнергии на
электролиз воды, повышение температуры в конце заряда,
отрицательное влияние перезаряда и высокой температуры на
состояние активных масс электродов являются недостатками
данного способа заряда.
Заряд АБ при неизменном постоянном напряжении применяют
в основном на автомобилях и реже на зарядных станциях. При
этом заряде напряжение в процессе заряда поддерживается
постоянным, а зарядный ток изменяется следующим образом.
В начале заряда э.д.с. АБ понижена (из-за низкой плотности
электролита) и ток достигает наибольших значений (от 1
до1,5С20 А). По мере заряда э.д.с. батареи постепенно растет, а
сила тока снижается и концу заряда достигает значений
меньших 0,1С20 А. Продолжительность заряда этим способом
практически такая же как и в предыдущем случае.
Преимуществом рассматриваемого способа является меньшее
газовыделение в конце заряда, а недостатком – значительная
перегрузка зарядного агрегата в начале заряда и
недоипользование его мощности в конце заряда. Также
следует помнить, что при этом способе заряда АБ может
зарядиться лишь до 90-95% номинальной емкости, поэтому
рекомендуется периодически проводить полный заряд первым
способом в стационарных условиях.
Недостатков выше рассмотренных способов заряда можно
избежать, хотя бы частично, используя ниже перечисленные
методы заряда АБ:
- ступенчатый заряд при постоянном токе, обычно
двухступенчатый при Iз = 0,1С20(А) в течении первых 5ч, затем
при Iз = 0,05С20(А) в течении последующих 10ч;
- смешанный заряд, вначале при постоянном токе Iз = 0,1С20(А)
в течении первых 5ч, затем при постоянном напряжении Uз =
14,5 ± 0,1 (В);
- ускоренный (форсированный) заряд – быстрый подзаряд в
экстремальных случаях при увеличенном постоянном токе Iз =
0,7С20(А) в течении 30 мин. По мере увеличения зарядного тока
продолжительность этого заряда уменьшают (при Iз = 0,3С20(А)
- 45 мин, а при Iз = 0,5С20(А) - 90 мин);
- профилактический подзаряд. Подзаряд проводят постоянным
током Iз = 0,1С20(А), если АБ разряжена более чем на 20% в
зимний период и более чем на 50% летом.
- восстановительно-ремонтный (уравнительный) заряд. Он
проводится длительное время (не менее 10-ти часов)
неизменным током в 0,1С20(А) при регулярном контроле за
плотностью,
температурой
и
напряжением
каждой
аккумуляторной банки. Он проводится как профилактический
перед зимней эксплуатацией, а также как восстановительноремонтный для сильно разряженных батарей.
- контрольно-тренировочный зарядно-разрядный цикл. Эта
процедура
проводится
с
целью
восстановления
эксплуатационных свойств, а также с целью определения
рабочей емкости АБ на данном этапе и сводится к
следующему:
- снятию АБ с автомобиля и проверке пригодности ее к
дальнейшей эксплуатации;
- приведению работоспособной батареи к нормальному
внешнему виду (удаление грязи, зачистка полюсных выводов и
т.д.);
- проведению уравнительного заряда с целью определения
состояния разряженности АБ;
- проведение полного цикла разряда с целью тренировки
батареи под осветительной нагрузкой;
- проведение повторного цикла заряда неизменным током
Iз=0,05С20(А) с целью определения рабочей (остаточной)
емкости батареи и остаточного срока ее службы;
- проведение выравнивания плотности электролита и его уровня
по всем банкам;
- проведение трехчасового перезаряда батареи с целью
восстановления активности химических реагентов в порах
электродных масс;
- аттестации АБ и установки ее на автомобиль
Емкость и остаточный срок службы АБ.
Под емкостью АБ понимают количество электричества, которое она
способна отдать нагрузке за время разряда. Полная емкость Сп –
количество электричества (в ампер-часах) отданное батареей
постоянной нагрузке за некоторое время при полном (предельно
глубоком) разряде. Нормированная Сн (или С20) (номинальная)
емкость, указываемая в сопроводительных документах АБ, всегда
меньше полной на столько, чтобы при разряде новой полностью
заряженной батареи на величину Сн она не теряла бы способности к
полному восстановлению при заряде. Практически считается, что при
напряжении 10,2В на зажимах АБ (1,7В на отдельном аккумуляторном
элементе) полностью разряжена, хотя до полного истощения ее
емкости еще далеко (Сн=0,4Сп). Количество электричества полученное
АБ за время процесса заряда, называют зарядной емкостью Сз.
Емкость, отданную при разряде и определяемую по формуле:
Сбр= 0,05 Снtр/(1+0,01(Тср-25)),
называют остаточной или рабочей. Батарею считают пригодной для
последующей эксплуатации, если Сбр›0,5Сн.
Степень разряженности АБ определяется сразу после снятия ее с
автомобиля. Если, например, после проведения контрольнотренировочного цикла выясняется, что она до этого имела степень
разряженности более 10% от остаточной емкости, то это означает что
батарея постоянно недозаряжалась. Причинами этого чаще всего
являются:
- недостаточное натяжение приводного ремня генератора;
несоответствие
рабочего
диапазона
регулирования
напряжения
генератора
климатической
зоне
эксплуатации
автомобиля;
- внутренняя скрытая неисправность генератора.
Недозаряд, равно как и перезаряд, понижает срок службы АБ.
Основной причиной перезаряда является повышенное напряжение
генератора из-за неисправности регулятора напряжения.
Экспериментально установлено, что остаточный срок службы АБ (в
месяцах) можно ориентировочно оценить по остаточной емкости:
Кост=Кб[(2 Сбр/ С20)-1],
где Кб – номинальный срок службы батареи при соблюдении правил
эксплуатации. Данная эмпирическая формула хорошо согласуется с
практикой. Из нее следует, АБ с остаточной емкостью менее 50% от
номинальной не имеет остаточного срока службы, хотя на практике ее
можно еще использовать в летний период до полной выработки
ресурса.
1.2. Последовательность выполнения работы.
1.2.1. Рассчитать максимальное количество АБ и сопротивление
регулировочных реостатов при одновременном заряде неизменным
постоянным током от стационарного ЗУ. Тип АБ и выходные
параметры ЗУ задаются преподавателем.
1.2.2. Составить принципиальную электрическую схему включения
батарей на заряд.
1.2.3. Провести ознакомительный осмотр АБ с целью определения
ее типа и основных паспортных (номинальных) данных.
1.2.4. Провести проверку технического состояния АБ с целью
определения пригодности ее дальнейшей эксплуатации. Для этого при
необходимости очистить внешнюю поверхность, зачистить полюсные
выводы батареи, обследовать ее на наличие внешних дефектов
(трещин, сколов, протертостей и т.п.) и вывернуть заливные пробки.
Проверить уровень, измерив температуру и плотность электролита в
каждой аккумуляторной банке, привести ее к плотности при
температуре 25°С, а также измерить напряжение на зажимах АБ.
1.2.5. Ознакомиться с техническим описанием и принципиальной
электрической схемой зарядного устройства.
1.2.6. Поставить АБ на заряд в режиме неизменного тока от
зарядного устройства.
1.2.7. После окончания заряда измерить напряжение на полюсных
выводах, температуру, плотность электролита каждого аккумулятора и
привести ее к плотности при температуре 25°С.
1.3. Форма и содержание отчета.
1.3.1. Отчет по лабораторной работе оформляется каждым
студентом на листах формата А4 в соответствии со
стандартом университета.
1.3.2. В отчете должны быть указаны тема и цель лабораторной
работы.
1.3.3. Объем теоретического материала, изложенный в отчете,
определяется студеном самостоятельно.
1.3.4. Отчет должен содержать результаты выполнения п.п. 1.2.1,
1.2.2., а именно: исходные данные (тип АБ, выходные
характеристики ЗУ, способ и параметры заряда), расчетные
формулы,
результаты
расчета,
принципиальную
электрическую схему включения батарей на заряд.
1.3.5. По результатам осмотра и проверки технического состояния
АБ (п.п. 1.2.3., 1.2.4.) в отчет внести: марку, тип и паспортные
данные АБ; краткую характеристику внешнего состояния
батареи; уровень (норма, выше или ниже нормы), значение
температуры, плотности и приведенной плотности γ25
электролита в каждом аккумуляторе; вывод о пригодности АБ
к дальнейшей эксплуатации.
1.3.6. В отчете должны быть записаны паспортные характеристики
ЗУ и приведена его принципиальная электрическая схема.
Примечание:
Принципиальные
электрические
схемы,
приведенные в отчете, должны быть выполнены
чертежным инструментом в соответствии с ГОСТ
(основные условные графические обозначения в
приведены в конце методических указаний п.1.5.).
1.4. Контрольные вопросы.
1.4.1. Каков принцип действия свинцового аккумулятора?
1.4.2. Объяснить устройство свинцово-кислотной стартерной АБ.
1.4.3. Какие факторы влияют на основные параметры АБ?
Пояснить маркировку автомобильных аккумуляторных
батарей.
1.4.5. Изложить правила ввода в эксплуатацию новых АБ.
1.4.6. Рассказать о технических мероприятиях по сервисному
обслуживанию АБ.
1.4.7. Как проводится заряд АБ неизменным постоянным током?
1.4.8. Как проводится заряд АБ неизменным постоянным
напряжением?
1.4.9. Какие методы применяют для заряда АБ?
1.4.10. Как определить остаточный срок службы АБ?
1.4.4.
1.5. Условные графические изображения электротехнических элементов и устройств согласно
ГОСТа ЕСКД.
1.6. Информационно-методическое обеспечение.
1.6.1. Акимов С.В. и др. Электрическое и электронное
оборудование автомобилей //С.В. Акимов, Ю.И. Боровских, Ю.П.
Чижов. М.: Машиностроение, 1988.
1.6.2. Акимов
С.В.,
Чижов
Ю.П.
Электрооборудование
автомобилей. Учебник для вузов. М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2001.
1.6.3. Боровских Ю.И., Старостин А.К.,Чижов Ю.П. Стартерные
аккумуляторные батареи. М.: Фонд ЭГ, 1997.
1.6.4. Квайт С.М. и др. Пусковые качества и системы пуска
автотракторных двигателей // С.М. Квайт, Я.А. Менделевич, Ю.П.
Чижов. М.: Машиностроение, 1990.
1.6.7. Соснин Д.А. Автотроника. Электрооборудование и системы
бортовой автоматики современных легковых автомобилей:
Учебное пособие. М.; СОЛОН-Р, 2001.
1.6.8. Справочник по электрооборудованию автомобилей./ С.В.
Акимов,
А.А.
Здановский,
А.,М.
Корец
и
др.
М.:
Машиностроение,1994.
1.6.9. Стартерные
аккумуляторные
батареи:
Устройство,
эксплуатация, ремонт / М.А. Давосян, Н.И. Курзуков, О.С.
Тютрюмов, В.М. Коротков и др. Под общ. ред. М.Н. Фесенко. 2-е
перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1994.
1.6.10. Тимофеев Ю.Л., Ильин Н.М. Электрооборудование
автомобилей: устранение и предупреждение неисправностей. М.:
Транспорт, 1987.
1.6.11. Электрооборудование автомобилей: Справочник / А.В.
Акимов, О.А. Акимов и др.; Под ред. Ю.П. Чижова. М.:
Транспорт,1993.
1.6.12. Юрковский
И.М.
Возможные
неисправности
электрооборудования легкового автомобиля. М.: Патриот,1996.
1.6.13. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей: Учеб. Для
студентов вузов. 3-е изд., перераб. И доп. М.: Транспорт, 2000.