Материал: Требования предъявляемые к конструкциям устройствам и принципу работы аккумуляторной батареи

Короткое замыкание. Разрушение сепаратора, выпадение активной массы, а так же ее оплавление могут вызвать не посредственное соприкосновение разноименных пластин − замыкание, в результате чего прекращается работа аккумуляторов.

Признаками короткого замыкание внутри аккумулятора является "кипение" электролита и резкое падение напряжения. Аккумуляторная батарея, имеющая хотя бы один короткозамкнутый аккумулятор, к дальнейшей эксплуатации непригоден [10].

Окисление полюсных штырей приводит к увеличению сопротивления во внешней цепи и даже прекращению тока.

Подтекание электролита обнаруживают осмотром бака. Для устранения неисправности батареи сдают в ремонт. При вынужденной временной эксплуатации батарею с этой неисправностью необходимо периодически добавлять в неисправное отделение бака электролит.

Рис. 2 Схема зарядки аккумуляторной батареи

Вывод по главе 1

В данной главе мы изучили устройство и принцип работы аккумуляторной батареи, требования которые предъявляют к аккумуляторным батареям, эксплуатация аккумуляторной батареи. На основе предоставленного материала следует что, АКБ в обычном автомобиле предназначен для работы стартера при запуске двигателя и для устойчивого снабжения заданного вольтажа электроэнергией, многочисленного электрооборудования. Устройство щелочной батареи аналогично таковому у кислотного. Батареи должны иметь достаточный запас энергии для осуществления надежного пуска двигателя при низких температурах, для питания потребителей электроэнергии на автомобиле в случае выхода из строя генераторной установки, а также для других нужд, возникающих в аварийных ситуациях. В современных гибридных автомобилях и в электромобилях аккумуляторная батарея имеет повышенные размеры и емкость, обеспечивая движение.

аккумуляторный батарея моноблок сепаратор

Глава 2. Конструкция аккумуляторной батареи

.1 Моноблоки, крышки, пробки

Моноблоки стартерных аккумуляторных батарей изготавливают из эбонита или другой пластмассы. Тяжелые и хрупкие моноблоки из эбонита в настоящее время заменяются моноблоками из термопласта (наполненного полиэтилена), полипропилена и полистирола. Высокая прочность полипропилена позволила уменьшить толщину стенок до 1,5-2,5 мм и тем самым уменьшить массу моноблока и батареи. Тонкие стенки моноблока из полипропилена делают более жесткими за счет рационального выбора конструктивных форм моноблоков [11]. Достаточная прозрачность полипропилена упрощает контроль уровня электролита в батарее. Внутри моноблок разделён прочными непроницаемыми перегородками на отдельные ячейки по числу аккумуляторов в батарее, В ячейках моноблока размещают собранные в блоки электроды и сепараторы. В батареях с обычными сепараторами на дне каждой ячейки предусмотрены четыре призмы, образующие пространство для шлама (активных веществ электродов, осыпающихся при работе батареи на дно ячеек). На опорные призмы своими ножками устанавливают электроды (разноименные электроды на свои две призмы), что исключает их короткое замыкание шламом. На перегородках моноблока предусмотрены вертикальные выступы (пилястры) для лучшей циркуляции электролита у электродов прилегающих к перегородкам.

При использовании эбонита для изготовления моноблока, крышки и других корпусных деталей, масса их достигает 15-18% от полной массы аккумуляторной батарей [12]. Кроме того, эбонит отличается повышенной хрупкостью при низких (отрицательных) температурах. Достаточная механическая прочность моноблока из эбонита достигается лишь при толщине стенок до 9-12 мм. Соответственно, при большой толщине стенок масса эбонитового моноблока доходит до 5-12 кг. Применение морозоустойчивого полипропилена (сополимера пропилена с этиленом), дало возможность при сохранении достаточной механической прочности при, отрицательных температурах существенно уменьшить массу моноблока (более чем в 5 раз). Толщина стенок моноблоков из пластмасс уменьшилась до 1,5-3,5 мм. В каждом аккумуляторе батареи, кроме необслуживаемых, устанавливают перфорированные предохранительные щитки из эбонита или пластмассы. Они предохраняют верхние кромки пластин и сепараторов от повреждений при измерении плотности, температуры и уровня электролита. Крышки из эбонита или пластмассы различного конструктивного исполнения могут закрывать отдельные аккумуляторные ячейки.

Наиболее распространена конструкция крышки с двумя крайними отверстиями для вывода бортов блоков электродов и одним средним резьбовым отверстием для заливки электролита в аккумуляторные ячейки и контроля его уровня. В крайние отверстия отдельных крышек запрессованы свинцовые втулки. В местах стыка отдельных крышек со стенками моноблока эбонитовые аккумуляторные батареи герметизируются битумной мастикой. Мастика должна быть химически стойкой и эластичной, иметь низкую температуру плавления, при температурах от -40 до 60°С не должна отставать от стенок моноблока и крышек, разрываться и трескаться. Общие крышки из пластмассы приваривают или приклеивают к моноблокам [13].

Контактно-тепловая сварка пластмассового моноблока и общей крышки обеспечивает надежную герметизацию во всем диапазоне температур окружающей среды, на который рассчитана эксплуатация аккумуляторной батареи. Такой способ соединения общей крышки с пластмассовым моноблоком применен в батарее 6СТ-190А для тяжелых грузовиков с дизелями. Заливочные отверстия в крышках унифицированы по группам с метрической резьбой М20, М24 и МЗО и закрываются пробками с вентиляционными отверстиями. Пробки изготавливают из эбонита, полиэтилена, полистирола или фенолита. Пластмассовые пробки имеют меньшую массу и большую прочность. Чтобы предотвратить вытекание электролита, между уплотнительным бортиком корпуса пробки и заливной горловиной крышки устанавливают резиновую шайбу. Герметизация может обеспечиваться также конусным бортиком, плотно прилегающим к горловине отверстия в крышке.

В новых пробках предусмотрен пластмассовый уплотнительный элемент, распложенный на бортике пробки. Пробки имеют встроенные отражатели, которые не позволяют электролиту выплескиваться через вентиляционные отверстия. В пробках новой конструкции отражатель выполнен, в виде лепестков. Для хранения в герметичном состоянии в сухозаряженных батареях над вентиляционным отверстием пластмассовой пробки предусмотрен глухой прилив. При вводе батареи в эксплуатацию прилив пробки срезается. Электролит через вентиляционное отверстие не должен выливаться при наклоне аккумуляторной батареи от нормального рабочего положения на угол 45°. Применение общей крышки (особенно, из термопластичных материалов) предоставляет широкие возможности для механизации и автоматизации, производства аккумуляторных батарей, а также для конструктивных усовершенствований, позволяющих, облегчить обслуживание батареи в эксплуатации [14].

Конструкция некоторых крышек из полипропилена обеспечивает централизованную заливку электролита в батарею и общий газоотвод. При наличии общей крышки можно устанавливать блок пробок на несколько заливных горловин, которые располагаются выше вентиляционных отверстий. Вытекающий из заливных горловин электролит через вентиляционные отверстия может поступать обратно в ячейки моноблока. Блок пробок может быть выполнен в виде пластмассовой планки, в которую вставлено необходимое число без резьбовых пробок. Пробки могут иметь некоторую свободу перемещения в планке для центрирования их с заливными горловинами. В некоторых конструкциях пробки выполняются заодно с планкой.

Рис. 3 Схема аккумуляторной батареи: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - положительный вывод; 4 - межэлементное соединение; 5 - отрицательный вывод; 6 - пробка заливной горловины; 7 - заливная горловина; 8 - сепаратор; 9,10 - положительные и отрицательные пластины

2.2 Межэлементные перемычки, выводы

Для последовательного соединения аккумуляторов в батарее используют межэлементные перемычки, которые припаивают к борнам бареток полублоков в таком порядке, чтобы соединить между собой полублок отрицательных пластин одного аккумулятора с полублоком положительных пластин рядом расположенного аккумулятора. При соединении борна с межэлементной перемычкой к ним приваривается верхняя часть свинцовой втулки, запрессованной в крышке, чем обеспечивается надежное уплотнение отверстий в местах выхода борнов. Межэлементные перемычки из свинцово-сурьмянистого сплава устанавливают снаружи над крышкой, через перегородки под крышкой и пропускают через отверстие в пластмассовой перегородке. Аккумуляторы соединяют между собой путем вдавливания металла плоских борнов, имеющих трапецеидальную форму. Борны располагают около отверстия в перегородке и далее с помощью пуансонов в сварочных клещах часть металла борнов вдавливается в отверстия до появления электрического контакта между борнами соседних аккумуляторов [15]. После появления контакта между соседними борнами в отверстии перегородки к сварочным клещам подается электрический ток для контактной сварки борнов. Описанный процесс соединения аккумуляторов через перегородки обеспечивает однородную структуру межэлементной перемычки и, герметичность между аккумуляторами. Повышенную устойчивость к механическим нагрузкам (тряска, вибрация) обеспечивает другой способ, соединения аккумуляторов в батареи, применяемый при производстве батарей 6СТ-190А. Процесс осуществляется в две стадии. Перегородки моноблока имеют в верхней части углубления (пазы), через которые сначала с помощью специальной литейной формы место сварки, борнов герметизируется пластмассой, из которой изготовлен моноблок. Bокруг соединения образуется своеобразный чехол, который служит также дополнительным упором для блока, электродов. Укороченные межэлементные перемычки через перегородки, полиэтиленовых и полипропиленовых моноблоков позволяют уменьшить внутреннее сопротивление батареи и расход свинцового сплава. Снижение потерь напряжения на соединительных деталях позволяет, иметь на 0,1-0,ЗВ большее напряжение на выводах батареи при ее работе в стартерном режиме. Расход свинцово-сурьмянистых сплавов снижается на батареях до 100 Ач на 0,5-0,9 кг, а на батареях емкостью свыше 100 Ач на 1,5-3 кг. Стартерные аккумуляторные батареи с общими крышками и скрытыми перемычками становятся неремонтопригодными, но это отвечает современным тенденциям, согласно которым капитальный ремонт экономически нецелесообразен.

С целью уменьшения внутреннего падения напряжения в аккумуляторных батареях большой емкости борны и межэлементные перемычки выполняются в виде освинцованных стержней из меди, имеющей в 12 раз большую электропроводность по сравнению освинцово-сурьмянистыми сплавами [16]. Поперечные сечения борнов и межэлементных перемычек автомобильных батарей выбираются из условия ограничения падения напряжения на каждом из борнов до 16 мВ и на межэлементных перемычках -до 20 мВ. К выводным борнам крайних аккумуляторов приваривают конусные полюсные выводы, размеры выводов стандартизованы. Диаметр конуса у основания положительного вывода на 2 мм больше чем у отрицательного. Этим исключается вероятность неправильного включения батареи в систему электрооборудования. Некоторые аккумуляторные батареи имеют полюсные выводы с отверстиями под болты или оба типа выводов. Узлы пайки и токоведущие детали батарей должны выдерживать прерывистый разряд током силой 9С20 (C20 - номинальная емкость батареи при двадцатичасовом разряде), но не выше силы разрядного тока 1700А в течение четырех циклов [17].

.3 Сепараторы

Электроды в блоках разделены сепараторами. Сепараторы предотвращают короткое замыкание между разнополярными электродами, обеспечивают необходимый для высокой ионной проводимости запас электролита в междуэлектродном пространстве и предотвращают возможность переноса электролита от одного электрода к другому. Кроме того, сепараторы фиксируют зазор между электродами и исключают вероятность их сдвига при тряске и вибрации. Качество сепараторов оказывает существенное влияние на работу свинцового аккумулятора. От омического сопротивления сепараторов зависит внутреннее падение напряжения в батарее и уровень напряжения на выводах электростартера.

Сепараторы замедляют оплывание активного вещества положительных электродов и скорость сульфатации отрицательных электродов, продлевая срок службы батареи [18]. Сепараторы должны обладать высокой пористостью, достаточной механической прочностью, кислотостойкостью, эластичностью, минимальной гигроскопичностью при длительном хранении батареи в сухозаряженном состоянии и сохранять свои свойства в широком диапазоне температур. Электросопротивление сепаратора, пропитанного электролитом, должно быть минимальным по отношению к сопротивлению такого же по объему и геометрическим размерам слоя электролита.

Для массовых автомобильных батарей важна также дешевизна и доступность сырья, простота изготовления. В свинцовых аккумуляторах применяют сепараторы из мипора, мипласта, поровинила, пластипора и винипора. В стартерных свинцовых аккумуляторных батареях устанавливают сепараторы из мипора и мипласта. Мипор (микропористый эбонит) получают в результате вулканизации смеси натурального каучука с силикагелем и серой. К недостаткам сепараторов из мипора относятся хрупкость, малая скорость пропитки электролитом, дефицитность сырья и большая стоимость. Мипласт или микропористый полихлорвинил изготовляют из полихлорвиниловой смолы путем спекания [19].

Технологический процесс изготовления сепараторов из мипласта проще, сырье менее дефицитно. Мипласт быстро пропитывается электролитом, обладает низким относительным электросопротивлением и достаточной механической прочностью. Имея меньшую пористость и больший диаметр пор по сравнению с мипором, мипласт менее стоек к образованию токопроводящих мостиков между электродами. Срок службы аккумуляторных батарей с сепараторами из мипласта меньше. Сепараторы из мипора и мипласта не должны иметь влажность более 2%, а также сквозных микроотверстии, которые можно обнаружить при просвечивании электрической лампой мощностью 100 Вт, расположенной на расстоянии 100 мм от сепаратора. Механическую прочность сепаратора оценивают по сопротивлению на разрыв, по способности выдерживать изгиб вокруг валика диаметром 60 мм (сепараторы из мипора) и диаметром 45-60 мм (сепараторы из мипласта).

Сепараторы из мипора и мипласта представляют собой тонкие (1-2 мм) прямоугольные пластины с трапециедальными, круглыми или овальными вертикальными выступами, которые обращены к положительному электроду для лучшего доступа к нему электролита. Небольшие ребра высотой 0,15-0,2 мм со стороны, обращенной к отрицательному электроду, снижают вероятность "прорастания" сепаратора, улучшают условия диффузии отрицательного электрода. Размеры сепараторов из мипора и мипласта на 3-5 мм по ширине и на 9-10 мм по высоте больше, чем у электродов. Это исключает появление токопроводящих мостиков по торцам пластин и сепараторов.

В необслуживаемых батареях применяют пленочные сепараторы и сепараторы-конверты, образуемые двумя сваренными с трех сторон пластиковыми сепараторами. При установке в сепаратор-конверт одного из аккумуляторных электродов, например, отрицательного, замыкание электродов разноименной полярности шламом исключается. Это позволяет устанавливать блоки электродов непосредственно на дно моноблоков без призм и шламового пространства. При сохранении высоты батареи можно более чем в 2 раза увеличить высоту слоя электролита над электродами в ячейках моноблока и, следовательно, ту часть объема электролита, которая может быть израсходована в период эксплуатации между очередными добавками дистиллированной воды. При исправном электрооборудовании и отсутствии нарушений в эксплуатации необходимость в добавлении воды в батарею может возникнуть не чаще 1 раза в 1-2 года [20].

Вывод по главе 2

На основе данного материала мы изучили что, моноблоки стартерных аккумуляторных батарей изготавливают из эбонита или другой пластмассы. При использовании эбонита для изготовления моноблока, крышки и других корпусных деталей, масса их достигает 15-18% от полной массы аккумуляторной батарей. Крышки из эбонита или пластмассы различного конструктивного исполнения могут закрывать отдельные аккумуляторные ячейки. Для последовательного соединения аккумуляторов в батарее используют межэлементные перемычки, которые припаивают к борнам бареток полублоков в таком порядке, чтобы соединить между собой полублок отрицательных пластин одного аккумулятора с полублоком положительных пластин рядом расположенного аккумулятора. Электроды в блоках разделены сепараторами.