1. Простейший кислотный аккумулятор, рождение.
В банку из кислотоупорного пластика заливают электролит, состоящий из 38–40% серной кислоты Н2SO4 и дистиллированной воды. Концентрация составляет 1,17–1,18 г/см3. Это ещё недостаточная плотность для рабочего аккумулятора, так называемый «щадящий режим» для сохранности пластин в ожидании первого «формовочного» заряда.сс разрядки.
В полученный раствор погружают положительный и отрицательный электроды, состоящие из свинцовых решёток, на которые нанесена активная масса PbSO4 — сульфат свинца светло-серого цвета. Активная масса ещё не готова к работе, обладая высоким сопротивлением, поверхность имеет минимальную пористость, не готова к участию в электрохимических преобразованиях.
Первый заряд аккумулятора называют формовочным. Это довольно длительный процесс зарядки, в результате которого активная масса положительных и отрицательных пластин преобразуется в активные вещества, способные участвовать в электрохимических реакциях.
Формовку аккумулятора (первый заряд) осуществляют несколькими способами. Один из них — ступенчатая формовка. Первая ступень — зарядка постоянным напряжением 2 В на один элемент в течение 4–6 часов, ток 0,05 от ёмкости банки. Вторая ступень — 2,15 В на один элемент в течение 6–8 часов, ток 0,08 от ёмкости банки. Третья ступень — 2,25–2,3 В на один элемент, током 0,1 от ёмкости банки. Окончанием третьей ступени и всего процесса формовки является увеличение плотности электролита до 1,27–1,28 г/см3, обильное газовыделение.
В результате электрохимических процессов, происходящих в процессе формовки, активная масса положительного электрода превращается в свинец, обогащённый кислородом PbO2 (химики называют его перекисью свинца), имеет красно-коричневый цвет.
Активная масса отрицательного электрода преобразуется в чистый свинец Pb. Формовочный заряд придал свинцу пористую консистенцию (для увеличения площади контакта с электролитом), из-за которой его часто называют губчатым. Отличительный признак отрицательного электрода — серый цвет.
Электролит представляет из себя раствор серной кислоты с дистиллированной водой в соотношении 35% к 65% соответственно, с плотностью 1,27–1,28 г/см3 при 25 ∘C. Электролит с такой концентрацией замерзает при температуре -50 градусов по Цельсию.
2. Процесс разрядки.
Перед нами готовый к эксплуатации простейший кислотный аккумулятор. ЭДС заряженной банки составляет 2,15 В. Вешаем на положительный и отрицательный выводы нагрузку в виде лампочки. Ток от положительного электрода устремляется через потребитель, заставляя лампочку светиться, уходит к отрицательному электроду, замыкая цепь внутри банки от отрицательного электрода через электролит к положительному.
При прохождении тока через электролит серная кислота Н2SO4 распадается на положительные катионы Н2 и отрицательные анионы SO4. Положительные катионы устремляются к отрицательному электроду, а отрицательные анионы — к положительному, покрывая оба электрода тонким белым налетом, называемым сульфатом свинца PbSO4. Концентрация электролита падает.
Сразу скажу, с химией у меня не очень, но не удержусь от соблазна показать формулу химической реакции, происходящей внутри аккумулятора при разрядке, уж настолько наглядно она описывает процессы, происходящие в аккумуляторе.
Все происходящие процессы при разрядке нормальны и обратимы. Недаром в формуле вместо знака равенства поставлены две противоположно направленные стрелки.
3. Зарядка.
При подключении источника постоянного тока к аккумулятору под действием тока, проходящего от положительного электрода через электролит к отрицательному, восстанавливаются исходные активные массы: губчатый свинец (Pb) на отрицательном электроде (ионы свинца получают электроны от внешнего источника) и диоксид свинца (PbO2) на положительном (ионы свинца с положительного электрода отдают электроны во внешнюю цепь); в электролит возвращается серная кислота (H2SO4) — растёт его плотность.
Вода под действием электролиза распадается на кислород и водород в соотношении 2 к 1, образуя печально известный гремучий газ — взрывается от искры, при контакте с открытым пламенем, при нагреве.
4. Сульфатация.
Процессы обратимы, если банку разряжают, так сказать, без фанатизма — до 1,7–1,8 В. В противном случае тонкий белый налёт начинает превращаться в белую соль, не проводящую ток, не пускающую электролит к активной массе пластин. Начинается так называемое явление сульфатации.
Разрастаясь, соль вытесняет активную массу из ячеек свинцовой решётки, заставляя последнюю осыпаться на дно банки. Под давлением кристаллов решётки подвергаются короблению. Создаётся угроза перекрытия отрицательной и положительной пластин как из-за коробления, так и мостиком из осыпавшейся активной массы, что приводит к саморазряду банки.
Оказывается, у этого неприятного для владельцев аккумуляторных батарей явления есть классификация. Мягкая сульфатация (обратимая) возникает при кратковременном хранении аккумулятора в разряженном состоянии. Поверхность отрицательных и положительных пластин покрывается мелкими кристаллами сульфата свинца, которые ещё можно растворить при правильной зарядке.
Жёсткая сульфатация (необратимая) возникает при длительном хранении в разряженном состоянии, при частых глубоких разрядах и хроническом недозаряде (напряжение зарядки ниже 14,4 В). Грязный электролит, доливка кислоты вместо электролита и даже грязная поверхность аккумуляторов ведут к саморазряду.
Владельцам грязных аккумуляторов рекомендую протестировать поверхность грязного аккумулятора мультиметром, убедитесь воочию. После того как Вы мне поверите, рекомендую протирать поверхность аккумуляторной батареи салфеткой, смоченной в слабом растворе пищевой соды.))
5. Признаки, причины неисправностей.
К признакам вашего скорого похода в автомагазин можно отнести: падение ёмкости (аккумулятор или батарея быстро разряжаются), нетипично быстрая зарядка батареи (напряжение на выводах 15–16 В), батарея начинает кипеть через 10–30 минут после постановки на зарядку;
снижение напряжения на клеммах батареи в состоянии покоя. У электриков есть термин — НРЦ (напряжение разомкнутой цепи). Так вот, нормальная, 100% заряженная аккумуляторная батарея держит напряжение 12,7–12,9 В при 20–25 градусах тепла, через 6 часов после зарядки или простоя автомобиля в заглушенном состоянии;
сильный нагрев батареи при зарядке (из-за появления кристаллов сульфата свинца растёт внутреннее сопротивление батареи).
И окончательный вердикт, что пациент скорее мертв, чем жив — вздутие корпуса батареи из-за повышенного газовыделения.
6. Попытка спасти..вот только стоит ли?
Если аккумуляторная батарея ещё не убита, можно попробовать зарядить батарею током 0,01–0,03 от ёмкости вашей батареи (умножьте 0,01 на ёмкость батареи, написанную на этикетке) напряжением 14,4 В в течение 24–72 часов.
Второй способ — подвергнуть батарею контрольно-тренировочному циклу (КТЦ). Батарее проводят полный заряд и разряд до 10,5 В током 0,05 от ёмкости батареи, повторный заряд, и так 2–5 раз.
Третий способ самый радикальный. С аккумуляторной батареи сливают старый электролит, промывают дистиллированной водой, заливают новый электролит плотностью 1,28 г/см³ и проводят контрольно-тренировочный цикл.
Слышал я и о способах разрушения кристаллов сульфата свинца импульсными токами, для чего используют зарядные устройства с режимами десульфатации (в интернете множество предложений).
Много у нас мастеров с золотыми головами и руками, полных энтузиазма проводить эксперименты и поиск истины в свободное от работы время в своих гаражах. Но по мне, чем лепить из подножного материала конфету, проще и надёжнее купить новую батарею в магазине и относится к ней подобающе её цене.
7. Конструкция аккумуляторной батареи.
В зависимости от того, какое напряжение нам нужно, размещаем в банке будущей батареи нужное нам количество аккумуляторов, исходя из того, что ЭДС одного полностью заряженного аккумулятора составляет 2,15 В.
Дно аккумуляторной банки делают ребристым. Это позволяет некоторое время защищать элементы от осыпающейся с электродов в процессе эксплуатации активной массы. Сверху электроды накрываются защитной сеткой из кислотоупорного пластика.
Токонесущие полосы объединяют электроды аккумуляторов в единую цепь батареи. При последовательном соединении общее напряжение батареи равно сумме напряжений всех аккумуляторов.
2,15 В + 2,15 В + 2,15 В + 2,15 В + 2,15 В + 2,15 В = 12,9 В — напряжение стопроцентно заряженной аккумуляторной батареи. Хотя на практике такое напряжение вы встретите вряд ли.
Из-за разности плотностей электролита по банкам, локальной сульфатации и неравномерного износа пластин и т. д. не все банки выдают 2,15 В. Нормальный заряд батареи — 12,7 В при температуре от 10 до 30 градусов по Цельсию.
Между электродами разной полярности ставится разделительная прокладка — сепаратор из кислотоупорного пластика с большим количеством отверстий (перфорация), чтобы не препятствовать электролиту контактировать с активной массой электродов.
Сверху электроды накрываются защитной сеткой из кислотоупорного пластика, предохраняющей от попадания мусора и предупреждающей расплёскивание электролита.
Сквозь крышку проходят отрицательная и положительная клеммы для подключения батареи в электрическую цепь. Диаметр клемм умышленно сделан разным (плюсовая толще минусовой) для предупреждения неправильного подключения.
В крышке могут быть отверстия для доливки и контроля уровня электролита и газоотвод для сброса избыточного давления.
8. Необслуживаемая аккумуляторная батарея.
Фокус необслуживаемых батарей заключается в изобретенной технологии Absorptive Glass Mat («впитывающий стекловолоконный коврик»). В интернете много информации о технологии AGM.
Электролит в батарее находится не в свободной форме, как в обслуживаемом, а удерживается в порах специального сепаратора, выполненного из очень тонких стеклянных волокон.
Образующиеся при зарядке газы, не покидая корпуса, превращаются в воду внутри пор сепаратора. Избыточное давление стравливается предохранительным клапаном.
9. Немного об обслуживании.
1. Следим за уровнем электролита в обслуживаемых батареях.
Чаще всего уровень электролита уменьшается в крайних банках, первой и последней в цепи батареи, испытывая наибольшие токовые нагрузки при запуске двигателя, или в случае, когда зарядное напряжение больше 14,8 В.
Уменьшение электролита может быть и в других банках из-за сульфатации пластин, короткого замыкания или повреждения сепараторов. Кстати, причиной неравномерного заряда элементов в батарее могут быть и частые короткие поездки на автомобиле (10–15 минут). Батарея не успевает зарядиться после запуска.
Чтобы запустить бензиновый двигатель объёмом 1,6 л в теплую погоду, батарея создаёт ток до 200–300 А. При нулевой температуре двигатель 1,8 запускается током 500 А, двухлитровый дизельный — 600 А.
Необходимо иметь в виду, что оголенные пластины быстро сульфатируются и осыпаются. Дополнительным гвоздем в крышку гроба вашей батарее будет доливка уровня не дистиллированной водой, а электролитом. Повышенная плотность ускорит износ пластин.
Проверяем уровень электролита трубкой в каждой банке. Уровень над сеткой 10–15 мм.
2. Следим за уровнем зарядки.
Зарядные устройства, выпускаемые промышленностью, создают зарядное напряжение примерно 14,4 В. За 24 часа таким напряжением аккумуляторная батарея зарядится на 75–80%. При начале зарядки в разряженной батарее величина тока достигает 40–50 А, поэтому для защиты зарядного устройства ток ограничивается до 20–25 А.
В процессе заряда батареи напряжение растёт, ток зарядки снижается. Причина — разность напряжений между батареей и зарядным устройством. По мере зарядки напряжения уравниваются, а ток стремится к нулю. Критерием окончания заряда является напряжение на выводах 14,4 В и сигнал зарядного устройства. Однако для необслуживаемой аккумуляторной батареи для зарядки на 90–95% потребуется более суток.
Бывает, что при попытке зарядить батарею ее владелец видит отсутствие тока на зарядном устройстве. Это говорит о наличии обрыва внутренней цепи.
Особое внимание следует уделить батарее в сезон низких температур. Электролит становится вязким, затрудняется доступ электролита к активной массе, замедляется движение ионов. Внутреннее сопротивление батареи резко растёт. Электрическая проводимость раствора серной кислоты падает на 50–60% при минус двадцати градусах по Цельсию по сравнению с плюс двадцатью.
Напряжение на клеммах работающего автомобиля составляет 13,9–14,3 В, обязательно при включенном дальнем свете. В генераторе при включении потребителя возникает тормозная сила*, чуть ослабший ремень не позволит генератору выдать такое напряжение. Степень заряженности батареи при такой зарядке зимой обычно составляет 70–75%.
В холодные зимы, при частых длительных запусках и коротких пробегах рекомендуется хотя бы раз в месяц производить зарядку батареи от зарядного устройства при положительной температуре.
3. Контроль состояния утечек.
Мультиметр переключаем на замер постоянного тока, переставляем провод в гнездо для замера тока величиной от 10 А.
Клемму массы автомобиля отсоединяем от минуса батареи и в разрыв между отсоединённой клеммой и минусом батареи последовательно включаем мультиметр (автомобиль заглушен, все потребители выключены).
При включённой сигнализации ток может составить 20–30 мА. Это нормально, но надо учесть, что потребление таким током достаточно, чтобы автомобиль не запустился после трёх недель стояния в заглушенном состоянии летом и 10 дней зимой. Утечка более 30 мА — стоит задуматься о её причине.
4. Контроль состояние аккумуляторной батареи.
Самым простым способом контроля состояния батареи является проверка напряжения разомкнутой цепи. Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) — напряжение батареи через 6 часов после зарядки от зарядного устройства или заглушенного автомобиля.
При температуре +20 — +25 °C стопроцентная зарядка батареи составит 12,7 — 12,9 В. При напряжении 12,2 — 12,3 В зарядка батареи составит 50%. Напряжение 11,6 — 11,8 — напряжение, достойное сдать батарею в автомагазин и набрать нормальной незамерзайки))).
Сосед по даче как-то обмолвился, что батарею всегда выбирал в автомагазине, замеряя своим тестером, отказывался от недозаряженной, никаких уговоров не слушал и никогда об этом не пожалел.
Контроль плотности электролита — самая объективная оценка состояния батареи. Для контроля плотности электролита пользуемся ареометром.
Обратите внимание, что у колбы, плавающей в электролите, может быть две шкалы с разных сторон (одна из них для замера плотности антифриза).
У полностью заряженной батареи плотность электролита составляет 1,28±0,01 г/см3. Промеряем ареометром все банки. Плотность наполовину разряженной батареи составляет 1,20±0,01 г/см3. Плотность 1,10±0,01 г/см3 — идём за незамерзайкой))).
Обращаем внимание на разброс плотности по банкам. Допустимый разброс плотности электролита по банкам — ±0,01 г/см3. Разность плотностей в 0,1 г/см3 говорит о наличии внутренних замыканий.
5. Контроль состояния батареи нагрузочной вилкой.
Нагрузочная вилка имитирует запуск двигателя, позволяя оценить, как батарея поведёт себя в реальных условиях.
Замер с помощью нагрузочной вилки проводится через 2-3 часа после зарядки батареи. Убедитесь, что клеммы очищены, а окружающая температура в пределах 15-25 градусов по Цельсию.
Крокодил с кабелем вешаем на минусовую клемму, нож вилки крепко прижимаем к плюсовой клемме на время не более 10 секунд. Фактически мы вешаем сопротивление на минус и плюс, приготовьтесь, будет искрить, возможно, дымить)), замер выполняем быстро, засекаем показания вольтметра.
Напряжение под нагрузкой 10,2 В соответствует стопроцентной зарядке; 9,6 В — 75%; 9 В — 50%; 8,4 В — 25%; менее 7,8 — 0. После отключения нагрузки здоровая АКБ вернётся к 12,4–12,6 В за 1–2 минуты. Медленное восстановление указывает на сульфатацию или деградацию активной массы.
В заключение обращу внимание читателей на наличие терминов, отмеченных снежинкой*, описание назначения которых можно будет встретить в следующих статьях, или информацию о них можно почерпнуть в наших коротких развивающих фильмах на нашем телеграм-канале «Михаил Михайлович о локомотивах» https://t.me/mihailsilko24 или в набирающем в последнее время популярность «Рутубе» «Михаил Михайлович о локомотивах» https://rutube.ru/channel/22129608/.
Приглашаем посмотреть более 50-ти коротких обучающих фильмов, посвященных назначению, устройству и принципу работы различных узлов и агрегатов тепловозов и электровозов, электрических машин. Отписаться никогда не поздно, так что заходите на наш канал))). До скорых встреч!