Кислотные и щелочные аккумуляторные батареи. неисправности аккумуляторных батарей
Кислотные аккумуляторные
батареи в настоящие время полностью заменили щелочные. О достоинствах щелочных
аккумуляторов достаточно хорошо сказано в книги Майорова В. Н. «Устройство и
ремонт электрооборудования вагонов». Авторы данной брошюры ставят перед собой
задачу выяснить: «Почему в последнее время, примерно с конца 80 – х начала 90 –
х годов, щелочные аккумуляторные батареи пассажирских вагонов не соответствуют
своим техническим характеристикам, не выдают до 50% своей ёмкости, быстро
разряжаются?» Это относится к новым аккумуляторам новых вагонов постройки ТВЗ,
вагонов, прошедших плановые виды ремонта с заменой аккумуляторных батарей.
Заводы – изготовители
аккумуляторов в инструкции по эксплуатации рекомендует: «Сообщите
аккумуляторам два прогоночных и один контрольный цикл» – пункт 6.8.6. для
аккумуляторов КМ – 300.
«Сообщить два
тренировочных цикла» – пункт 6.4. для аккумулятора KL –
250Р.
В данном
случае надо не рекомендовать, а обязать сделать формование, без
которого нельзя эксплуатировать щелочные аккумуляторы.
Процесс
формовки аккумулятора требует большого расхода электроэнергии и трудовых
затрат. Экономия на данном этапе подготовки аккумулятора не только не выгодна
экономически – больше электроэнергии и трудовых затрат потратится на дозорядке
при эксплуатации негодной аккумуляторной батареи, но и недопустимо по
безопасности движения. При зарядке в пути следования от генератора может
выделиться большое количество взрывоопасных (гремучих) газов.
Аккумуляторщики обязаны хорошо знать: устройство
аккумуляторов. Какие химические реакции проходят при малых нагрузках?
Почему после глубокого разряда аккумулятор
необходимо вновь формовать?
Подвагонный аккумуляторный ящик: а — общий вид; б — схема
его вентиляции
Щелочной аккумулятор состоит из прямоугольного бака
(стальной оксидированный, стальной с полимерным покрытием или пластмассовый) в
который помещён блок положительных и блок отрицательных пластин – электродов,
изолированных друг от друга сепараторами. Пластины ломельного типа представляют
собой коробочки, изготовленные из стальной никелированной ленточки. Коробочки
наполнены активной массой и имеют большое количество отверстий размером 0,25 *
0,35мм, для доступа электролита к активной массе. Малые размеры отверстий
препятствуют обильному выпадению активной массы.
Активная масса
отрицательных пластин – железо или кадмий с примесью окислов железа.
Активная масса
положительных пластин – гидрат окиси или закиси никеля.
Электролит –
гидрат окиси калия или натрия плотностью 1,22 – 1,24 г/см3 с
добавкой гидроокиси лития 20 г/л.
При заряде
аккумулятора под действием электрической энергии, подводимой от внешнего
источника гидрат закиси никеля Ni(OH)2
превращается в гидрат окиси Ni(OH)3,
а активная масса отрицательных пластин из гидрата закиси железа Fe(OH)2 восстанавливается
с образованием железа:
2Ni(OH)2 2KOH Fe(OH)2=2Ni(OH)3 2KOH Fe
В электролитах носителями зарядов являются ионы,
части молекул имеющие положительный или отрицательный заряд.
Приведённое
выше уравнение химической реакции при заряде щелочного аккумулятора имеет общий
вид. Правильно следует рассматривать как сумму минимум двух уравнений:
2Ni(OH)2 2KOH=2Ni(OH)3 2K
2K Fe(OH)2=2KOH Fe
Щёлочь в электролите
сначала разделяется на положительно заряженную частицу К и
отрицательно заряженную (OH)–. Движение
частицы (OH)– в электролите от одного
электрода через щёлочь к другому электроду вызывает диффузию (перемешивание
электролита) видимую невооружённым взглядом. Это происходит потому, что масса
частицы (OH)– практически равна массе
молекулы воды (H2O)
в щёлочи. Во второй стадии реакции щёлочь KOH
восстанавливается. Рассмотренная нами реакция происходит во время заряда
щелочного аккумулятора малыми токами. Из уравнения видно, что никаких газов
практически не выделяется, электролит не расходуется, тепло практически не
выделяется.
При заряде
глубоко разряженных аккумуляторов повышенным напряжением можно наблюдать
«кипение» электролита с выделением газов. Это «кипение» будет интенсивнее при
повышение зарядного напряжения, а значит и зарядного тока. Для электролитов
справедлив закон Ома.
Нагрузочная вилка 
Ариометр
При режиме
заряда малым током химическую реакцию можно было показать двумя уравнениями, а
с повышением зарядного тока в электролите происходят более сложные процессы:
1)
Ni(OH)2 KOH=Ni(OH)3 K
Эта реакция
осталась без изменений, но в связи с увеличением тока необходимо большее
количество частиц (OH)–, значит, резко
возрастает количество положительно заряженных частиц К . Калий и
Натрий, химически очень активные металлы, которые не могут существовать в
природе в чистом виде. Моментально реагируя с водой, они образуют щёлочь. В
электролите с избытком частиц К и наличием молекул воды происходит
следующая реакция:
2)
2K H2O=2KOH H2↑ Q.
В результате
этой реакции выделяется водород и большое количество тепла. При формовании
аккумулятора необходимо следить за температурой, которая не должна превышать 450С.
3)
Fe(OH)2=Fe 2(OH)–
Эту реакция
записана в таком виде, чтобы было понятно, что на отрицательном электроде
происходит тот же процесс восстановления железа, но отрицательно заряженные
частицы уже не все найдут свою частицу К , поэтому между ними
происходит своя реакция:
4)
2(OH)– 2(OH)–=2H2O O2↑
Отсюда делаем
вывод: При заряде аккумулятора большими силами тока, или очень высоким
напряжением идёт обильное выделение водорода и кислорода, смесь которых
образует гремучий газ и выделяется тепло (греется аккумулятор).
Активная масса электродов и щёлочи в электролите не
расходуется, расходуется вода из электролита за счёт выделения газов водорода и
кислорода, и испарений при нагревании. Средний расход воды в сутки должен быть
1,5мм по уровню электролита при нормальных климатических и эксплуатационных
условиях. Плотность электролита практически остаётся неизменной.
Для полного
понимания происходящих внутри аккумулятора процессов в режиме заряда и разряда
рассмотрим их на рисунке.
§
Как отмечалось
выше, пластины положительных и отрицательных электродов состоят из коробочек с
множеством мелких отверстий, наполненных активной массой. Под действием
электрической энергии, приложенной от постороннего источника анионы (ОН)–
через отверстия вытекают из отрицательного электрода и соединяются с положительным
зарядом К , образуя щёлочь КОН, такие же анионы (ОН)–
выделенные из щёлочи через отверстия положительных пластин входят внутрь
коробочки положительного электрода, превращая гидрат закиси никеля в гидрат
окиси. Дуги окружности отверстий внутри электродов показывают зоны
проникновения анионов (ОН)– внутрь коробочки. С увеличением радиуса
дуги увеличивается внутреннее сопротивление движению анионов. Если не
увеличивать зарядное напряжение, сопротивление аккумулятора увеличивается.
Снижается активность анионов, зарядный ток падает. Активная масса электродов,
не вступившая в реакцию, остаётся без изменений. Такой аккумулятор очень быстро
разряжается, никогда не приобретает необходимую ёмкость, в составе
аккумуляторной батареи он будет выделять большое количество водорода и
кислорода (гремучий газ), так как всегда будет разряжаться до 0 V. и заряжаться очень интенсивно.
Для того чтобы
вся активная масса электродов вступила в химическую реакцию и была готова к
эксплуатации необходимо провести формовку аккумулятора, током 50А (здесь надо
обратить внимание на то, что величина приложенного к аккумулятору напряжения ни
водной инструкции не оговаривается). Значит при снижение зарядного тока
(увеличением внутреннего сопротивления), аккумуляторщик обязан поднять зарядное
напряжение (активизировать ионы). Первый цикл в течение 10 часов уже даёт
аккумулятору двойную ёмкость (для батареи КМ 300 зарядный ток 75А. в течение 10
часов). После первого цикла заряда идёт разряд током 50А. до напряжения на
одном аккумуляторе 1V. без учёта времени и отданной
ёмкости. Схематично это будет выглядеть так: Практически вся активная масса
электродов готова к работе, а дуги вокруг отверстий электродов – это зоны из
которых ушли анионы при разряде (на положительном) и зоны, в которые вернулись
анионы (на отрицательном). Сердцевины обоих электродов и создают ту разность
потенциалов в 1V. Второй цикл формовки является
продолжением первого. Опять током в 50А. аккумулятор заряжается 10 часов
(двойная ёмкость) и после этого разряжается током 50А. с измерением времени
разряда до 1V. на аккумулятор. Время разряда должно
быть не ниже 4 – х часов 45 – ти минут. То есть аккумулятор должен отдать
237,5А*часов своей ёмкости и при этом должен разрядиться до 1V.
После второго цикла формовки, если аккумуляторы выдержали контрольные
измерения, аккумуляторы собираются в батарею и уже заряжаются током 50А., при
напряжение не менее (2хn), где n
– количество аккумуляторов в батарее, не менее 8 – часов, после чего
допускаются к эксплуатации. В процессе формовки идёт интенсивное выделение
газов, (ток поддерживается на уровне 50А.), идёт выделение тепла (необходимо
следить за температурой аккумуляторов). Помещение должно хорошо
вентилироваться. Каждый аккумулятор в процессе формовки требует не менее 3 – х
кВт*часов электроэнергии (2V*50А*10час.*3). Значит на
батарею из 40 – ка аккумуляторов необходимо затратить не менее 120кВт*часов, из
90 – 270кВт*часов. Как было сказано выше, недозаряженный аккумулятор быстро
разряжается и плохо заряжается в составе батарею. Рассмотрим это на примере.
Возьмём три аккумулятора, два из которых прошли формовку, а третий её не
прошёл, соединим их последовательно и дадим напряжение заряда 4,8V (по 1,6V на один аккумулятор).
По закону Ома
при последовательном соединении ток, заряда на каждом аккумуляторе одинаковый,
напряжение на каждом аккумуляторе во время заряда зависит от внутреннего
сопротивления. Мы уже доказали, что у аккумуляторов, прошедших процесс формовки
сопротивление при заряде выше, значит и напряжение на них будет выше. В нашем
примере, если на первых двух аккумуляторах напряжение будет по 1,7V. тогда для третьего остаётся всего 1,4V.
Причём первые два аккумулятора будут резко увеличивать внутреннее
сопротивление, уменьшая зарядный ток. При зарядке от источника с постоянным
напряжением изменяется сила тока в зависимости от внутреннего сопротивления
аккумуляторов. Поэтому мы приводим примеры, как изменяется сопротивление в
процессе заряда.
Пусть
первоначальный ток был 50А. тогда сопротивление первых двух аккумуляторов равно
1,7V/50А=0,034Ом; R1=R2=0,034Ом; R3=1,4V/50А=0,028Ом.
Через
некоторое время сила тока упала до 30А, а напряжение на первый и второй
аккумуляторы осталось 1,7V, а на третьем осталось 1,4V. тогда R1=R2=1,7/30=0,0567Ом; R3=1,4/30=0,0467Ом
Через
некоторое время сила тока упала до 10А. 1,7V/10A=0,17Ом; 1,4V/10А=1,4Ом
Измерение
напряжений в процессе заряда необходимо производить высокоомным вольтметром.
Как видим
мы из проведенного примера, наиболее разряженный аккумулятор получает и
меньшее напряжение при заряде. Если мы отключим зарядное напряжение
каждого аккумулятора, то все покажут номинальное напряжение 1,2 – 1,25В.
Теперь посмотрим, как поведут себя эти три аккумулятора при
подключении к ним нагрузки.
В предыдущем
примере мы зарядили аккумуляторы до 1,2 В каждый. Значит общее
напряжение равно 3,6 В. Нагрузим эту батарею сопротивлением 1,0 ом.
Первоначально сила тока, проходит через сопротивление будет около 3,5
А (учитывая внутреннее сопротивление аккумуляторов).
Для
формованных аккумуляторов эта сила тока незначительна и во время
опыта напряжение на них не изменится. На аккумуляторе № 3 через
некоторое время напряжение начнет падать и достигнет такой величины,
когда энергией аккумулятора хватает только для преодоления внутреннего
сопротивления. При проверке напряжения в данный момент времени на
данном аккумуляторе то оно будет равно 0. То есть аккумулятор не
отдает и не потребляет энергию. В дальнейшем по мере разряда данный
аккумулятор становиться потребителем энергии и напряжение на нем будет
уже с обратным знаком. В это время аккумулятор начинает заряжаться в
обратную сторону, происходит как называемая переполюсовка. Внутреннее
сопротивление такого аккумулятора резко возрастает, и при дальшейших
замерах напряжений мы увидим, что оно упало ниже 2,4В нагрузочном
сопротивлении, но поднялось со знаком (-) на 3-м аккумуляторе. Такие
аккумуляторы должны изыматься из батареи, заменяться. Для них надо
производить цикл формовки вновь.
§
В
эксплуатации батареи, собранные из неформованных аккумуляторов, ведут
себя непредсказуемо. Например батарея 90 KL 250 P при разряде до 70 В показала: одна половина из
45 аккумуляторов – 50 В; другая половина из 45 аккумуляторов – 20 В.
Формовка
отдельно взятых аккумуляторов (именно этого требуют инструкции по
эксплуатации) технически трудно осуществима. Для этого необходимы
источники постоянного тока напряжением 2,5 В с плавной регулировкой и
выдерживающие силу тока более 50 А на один аккумулятор (банку). Для
батареи из 40 аккумуляторов сила тока будет уже свыше 2000 А. При
формовке батареи из собранных последовательно аккумуляторов необходим
постоянно контроль за напряжением на каждом аккумуляторе. При
обнаружении опережающих или отстающих аккумуляторов необходимо
прекратить зарядку, опережающие аккумуляторы немного разрядить,
переключив нагрузку, отстающие заряжать отдельно.
При
Эксплуатации щелочные аккумуляторы требуют только доливки воды, но это
не значит, что они вечны. Предписывающий срок службы до 10 лет.
Через отверстие коробочек электродов активная масса вымывается и
высыпается с оседание на дно. Через заливные отверстия попадает
углекислый газ, который со щелочью элетролита образует коронат калия.
В последнее время в аккумуляторы заливают индустриальное масло,
которое препятствует попаданию углекислого газа. Автор будет считать
поставленную перед собой задачу выполненной, если это пособие поможет
аккумуляторщикам и другим причастным работникам железнодорожного
транспорта при обслуживании щелочных аккумуляторов.
В работе
использована литература:
«Инструкции
по эксплуатации»:
аккумулятор
КМ 300
аккумулятор КL 250 Р
Неисправности
аккумуляторных
батарей
G
Неисправности кислотных аккумуляторных батарей.
Приправильном уходе и эксплуатации аккумуляторные
батареи надежно работают в течение нескольких лет. Однако в них могут появиться неисправности,
которые преждевременно выводят их из строя.
F Короткое замыкание между положительными и
отрицательными пластинами аккумулятора может происходить в результате разрушения
сепараторов, выпадания на дно сосуда большого количества активной массы (шлама),
коробления пластин и образования на них наростов. Короткозамкнутый аккумулятор
быстро разряжается
и пластины его сульфатируются. Выявляют такие аккумуляторы нагрузочной вилкой.
Напряжение их либо равно нулю, либо значительно ниже исправных аккумуляторов.
F Повышенный
саморазрядвозникает при замыкании выводных штырей
аккумуляторов грязью и разлитым электролитом, при замыкании пластин
осыпающейся активной массой, неодинаковой плотности различных слоев электролита.
Аккумулятор с повышенным саморазрядом определяют по быстрому уменьшению плотности электролита и
напряжения (отстает от других), а также по резкой потере емкости у отключенной батареи.
Чтобы избежать явления повышенного саморазряда, необходимо содержать аккумуляторы в чистом
сухом виде, не перезаряжать их и доливать только дистиллированной водой. Выявленные
«отстающие» аккумуляторы заменяют. Доливать электролит повышенной плотности в «отстающий»
аккумулятор запрещается.
F Повышенная
сульфатацияпластин аккумуляторных батарей возникает при
систематических глубоких разрядах и недозарядах, длительном пребывании аккумуляторных
батарей в разряженном состоянии, использовании электролита повышенной плотности
и его
загрязнении, недостаточном уровне электролита, а также при наличии короткого
замыкания между пластинами. В результате мелкозернистая структура сульфата свинца,
по которой судят о нормальном состоянии пластин аккумуляторов, превращается в
крупнозернистую, образуя панцирь, препятствующий проникновению электролита к
активной массе пластин. Это оказывает значительное влияние на активность протекания
электрохимических реакций, увеличивает затраты энергии на образование
активной массы пластин, а в дальнейшем приводит к необратимым процессам в аккумуляторах,
снижая их емкость и срок службы.
Основными признаками повышенной сульфатации являются резкое падение
емкости и быстрое снижение напряжения при разряде, а также наличие белого налета
на поверхности пластин.
F Переполюсовкакислотных
аккумуляторов происходит при глубоких разрядах (ниже 1,8 V на аккумулятор) или установке в батарею аккумуляторов пониженной емкости. Эти аккумуляторы разряжаются
быстрее, и разрядный ток, протекающий через аккумуляторы, заряжает их, образуя при этом на отрицательных пластинах
перекись свинца, а на положительных — губчатый свинец. В результате происходит переполюсовка пластин. Такие аккумуляторы понижают напряжение аккумуляторной
батареи и должны быть исключены из
нее. Переполюсованные аккумуляторы
обнаруживают нагрузочной вилкой или вольтметром по отклонению стрелки
приборов.
F Течь аккумуляторовопределяют по подтекам вокруг него и по быстрому снижению уровня электролита. Аккумуляторы, у которых обнаружена течь электролита, необходимо
заменить.
F Обрыв цепиаккумуляторной
батареи может возникнуть вследствие перегорания ее предохранителей, неплотного или
окисленного контакта, обрыва межаккумуляторного соединения, выводного штыря, мостика или
отсутствия электролита в каком-либо аккумуляторе. При обрыве цепи стрелка вольтметра, подключенного к батарее, стоит на нуле.
G
Неисправности щелочных аккумуляторных батарей.
Щелочным батареям присущи те же характерные неисправности, что и кислотным (за
исключением сульфатации); помимо этого, возможны также повышенное содержание солей
угольной кислоты (карбонатов), высокая температура электролита и повышенное
газовыделение.
F Увеличение содержания
солей угольной кислотыв электролите происходит
вследствие эксплуатации аккумуляторов с поврежденными или отсутствующими пробками
и нарушения требований, предъявляемых к электролиту.
F При высокой
температуре электролитаактивная масса отрицательных электродов
чрезмерно растворяется в электролите, воздействует на положительные электроды и вызывает
потерю емкости. Причинами высокой температуры электролита могут быть неправильно выбранный
режим заряда аккумуляторных батарей; неисправность регулятора напряжения генератора
или зарядного агрегата, приводящая к систематическому перезаряду аккумуляторов; замыкание
электродов аккумулятора; ослабление контактов на борнах; низкий уровень электролита.
F Повышенное
газовыделениенаблюдается при разряде, а также у неработающего
аккумулятора. В этом случае электролит необходимо заменить. Если газовыделение после
замены электролита не прекратилось, это означает, что вредные примеси проникли
в активную
массу пластин и такой аккумулятор подлежит ремонту.
Последствия воздействия холода на аккумулятор
Нажав на кнопку “Скачать архив”, вы скачаете нужный вам файл совершенно бесплатно.
Перед скачиванием данного файла вспомните о тех хороших рефератах, контрольных, курсовых, дипломных работах, статьях и других документах, которые лежат невостребованными в вашем компьютере. Это ваш труд, он должен участвовать в развитии общества и приносить пользу людям. Найдите эти работы и отправьте в базу знаний.
Мы и все студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будем вам очень благодарны.
Чтобы скачать архив с документом, в поле, расположенное ниже, впишите пятизначное число и нажмите кнопку “Скачать архив”
Рассмотрение эксплуатационных характеристик автомобильных аккумуляторов. Назначение, устройство и принцип работы прерывателя-распределителя и катушки зажигания. Основные правила эксплуатации систем зажигания и работы по их техническому обслуживанию.
курсовая работа [300,4 K], добавлен 08.04.2021
Главный двигатель и его основные характеристики, расчет рабочего цикла главного дизеля. Электроэнергетическая система судна, система автоматического управления элементом СЭУ. Оценка возможности модернизации СЭУ путем использования тепловых аккумуляторов.
дипломная работа [1,5 M], добавлен 27.06.2021
Диагностирование и прогнозирование состояния машин. Назначение, устройство автомобильных аккумуляторов. Основные неисправности износ батарей; их техническое обслуживание. Материалы и детали, которые применяются при ремонте свинцовых стартерных батарей.
дипломная работа [4,2 M], добавлен 10.09.2021
Назначение и устройство автомобильных аккумуляторов, признаки их неисправности. Конструктивные схемы стартерных батарей, сепараторов, моноблоков, выводов, межэлементных перемычек, выводов. Принцип действия генераторной установки и регулятора напряжения.
реферат [10,1 M], добавлен 20.10.2021
Методы статистической обработки информации об отказах аккумуляторов. Определение характеристик надежности. Построение гистограммы опытных частот по пробегу. Нахождение величины критерия согласия Пирсона. Интервальная оценка математического ожидания.
лабораторная работа [330,9 K], добавлен 31.01.2021
Требования, предъявляемые потребителями к услугам транспорта. Требования, которым должны отвечать показатели качества транспортной услуги. Экономические показатели эффективности грузовых перевозок. Жизненный цикл продукции. Процесс перевозки грузов.
контрольная работа [261,9 K], добавлен 15.12.2021
Аккумулятор и электрогенератор как основные источники электропитания в автомобиле. Обеспечение запуска и дальнейшая работа двигателя внутреннего сгорания – функции другого электрооборудования автомобилей. Назначение, устройство, принцип действия, ремонт.
курсовая работа [788,2 K], добавлен 21.01.2021
Устройство щелочных аккумуляторов
Среди аккумуляторов, работающих при помощи щелочного раствора (электролита), наиболее часто используются два их вида – никель-кадмиевый и никель-металлогидридный. В каждом них положительный электрод состоит из гидроокиси никеля (NiOOH), с добавками графита и окиси бария. Каждая из добавок улучшает качество работы аккумулятора. Графит увеличивает электропроводность электрода, а окись бария увеличивает срок работы аккумулятора. 
Массы отрицательных электродов каждого вида щелочного аккумулятора имеют различный состав. У металлогидридного аккумулятора отрицательный электрод изготовлен из порошкообразного железа и его окислов. В основной состав отрицательного электрода входит также сернистое железо и сернокислый никель. Если батарея никель-кадмиевая, то отрицательный электрод состоит из смеси порошков железа и кадмия.
В качестве электролита преимущественно используют раствор едкого калия (20 %), в который добавлен моногидрат лития, увеличивающий срок эксплуатации щёлочного аккумулятора. Необходимое количество – 20-30 г/литр раствора.
Химические процессы, происходящие при работе щелочного аккумулятора
При использовании щелочного аккумулятора, то есть, при его разряде, гидроокись никеля положительного электрода вступает в реакцию с ионами электролита. Результатом данной реакции становится образование Ni(OH)2 — гидрата закиси никеля
Одновременно подобный процесс происходит на отрицательном электроде, только на нём образуются гидраты окисей кадмия и железа. Разность потенциалов, составляющая около 1,45 вольта, обеспечивается протеканием тока по контурам внешней и внутренней сети.
При зарядке щелочного аккумулятора происходит обратный химический процесс – при воздействии тока положительные электроды окисляются, превращая гидрат закиси никеля в гидроокись никеля. Отрицательный электрод при этом восстанавливается, в его массе образуется кадмий и железо.
Главная особенность этих процессов в том, что вещества, образующиеся в процессе электрохимических реакций, в реакцию друг с другом не вступают. Они практически не растворяются в электролите. Благодаря такому поведению веществ расход электролита отсутствует, а его плотность не изменяется. 
