6. Аккумуляторные батареи
Аккумуляторами называют химические источники электрической энергии многоразового действия, которые накапливают (аккумулируют) электроэнергиюпри пропускании через них электрического тока и затемотдают ее при подключении к ним внешней нагрузки. Основными частями любого аккумулятора являются положительный и отрицательный электроды, погруженные в ванну с электролитом.
Принцип работы аккумуляторов основан на использовании обратимости химических реакций между электродами и электролитом, при которых пропускаемая через аккумулятор электрическая энергия превращается в химическую (режим заряда), а затем химическая - в электрическую (режим разряда). При этом химически активное вещество на электродных пластинах сначала превращается в другое химическое соединение, а затем почти полностью восстанавливается в первоначальное состояние. В зависимости от состава применяемых химических элементов для электродных пластин и электролита аккумуляторы подразделяют на кислотные ищелочные.
Устройство и работу аккумулятора можно рассматривать с нескольких позиций:
Химическая, включает в себя рассмотрение природы и свойств материалов, применяемых при изготовлении и реакции, протекающие в аккумуляторе во время заряда и разряда. Так для кислотных аккумуляторов,отрицательные пластины, которых состоят из губчатого (пористого) свинца (Pb), а положительные из окислов свинца (свинцового сурика) PbO2, нанесенных на свинцовую решетку. При воздействии электролита, состоящего из раствора серной кислоты (H2SO4) в воде (H2O) при разряде происходит реакция. Разрядный токразлагает электролит на ионы водорода и кислотного остатка. Сернокислый остаток вступает в реакцию с активной массой пластин. Получаемое соединение PbSO4 - сульфат свинца образуется как на положительных, так и на отрицательных пластинах.
При заряде - сульфат свинца разлагается на образующие его части и состояние аккумулятора восстанавливается. Положительные ионы водорода направляются к пластине, соединенной с отрицательным выводом, где вступают в реакцию с сернокислым свинцом и образуют серную кислоту, а пластина покрывается чистым губчатым свинцом. Ионы кислотного остатки серной кислоты (SO2) направляются к положительному выводу и вступают во взаимодействие с водой электролита. При этом серная кислота полностью восстанавливается, а освободившийся кислород окисляет поверхность положительной пластины, образуя двуокись свинца.
Описанный процесс продолжается до тех пор, пока на пластинах имеется сернокислый свинец. Когда же он полностью прореагирует с электролитом, тогда процесс зарядки аккумулятора завершается.
При образовании PbSO4 в реакции участвует кислота электролита, а следовательно, плотность электролита зависит от степени заряженности аккумулятора. Заряженный аккумулятор имеет большую плотность, а разряженный меньшую плотность электролита. По плотности электролита можно определить степень его зарядки, зная плотность ранее залитого электролита.
Отрицательные пластины щелочного аккумулятора состоят из окиси железа (FeО), а положительные из гидрата закиси никеля (NiOН), а электролитом является водный раствор едкого калия (KOH) с добавлением гидроксида лития (LiOH). При разряде аккумулятора на пластинах образуется гидрат окиси железа Fe(OH)2 и гидрат окиси никеля Ni(OH)2 .
Электролит в реакции не участвует, и плотность его от состояния заряженности аккумулятора не меняется. Во время заряда на пластинах происходит восстановление активной массы и накапливается электрический потенциал с общей э. д.с. не более 1,2 - 1,4 В .
К щелочным аккумуляторам относятся и кадмий – никелевые (KH) аккумуляторы.
Физическая, изучающая электрический баланс аккумуляторов и факторов, влияющих на его емкость. Как и любое техническое устройство, аккумулятор имеет коэффициент полезного действия – отношение полезной емкости, выраженной в ампер-часах (А/ч) к энергии, затраченной на зарядку, выраженной так же в А/ч.
Коэффициент полезного действия аккумуляторов изменяется в широких пределах, зависит от его назначения, температуры электролита, величины разрядного тока и ряда других величин.
Емкость аккумулятора так же величина не постоянная. Тип аккумулятора содержит число, характеризующее его номинальную (паспортную) емкость, которая может быть получена при разрядке его номинальным током, который получается из цифры номинальной емкости делением ее на 10 для кислотных и на 5 для щелочных аккумуляторов. Например, для аккумулятора емкостью 450 А/ч, нормальный ток кислотного 45 А, а щелочного 90 А.
Величина разрядного тока очень сильно влияет на емкость, которую можно снять с аккумулятора (полезная емкость), особенно это заметно при стартерном разряде.
Щелочные аккумуляторы более стойки к большим токам, нежели кислотные. Конструкция пластин аккумулятора определяет его срок службы. Более «нежные» пористые пластины у кислотного аккумулятора, в связи с тем они плохо переносят вибрацию, большие и кратковременные (стартерные) токи, замерзание электролита для них является гибельным. Щелочные аккумуляторы подобные воздействия переносят лучше.
По назначению аккумуляторы весьма разнообразны. На подвижном составе приходиться сталкиваться в основном с тяговыми (большие длительные токи), стартерными (очень большими, но кратковременными) и осветительными (разрядные токи не более номинала) аккумуляторами.
Принципиальные различия их заключаются в количестве и толщине пластин с активной массой.
При использовании аккумуляторов на подвижном составе их соединяют в батареи (рис.6.5). При последовательном включении (рис.6.5,а) получают необходимое напряжение (напряжение одного аккумулятора кислотного 2,2 В, щелочного 1,2 В), при параллельном (рис.6.5,б) – обеспечивается необходимый по величине ток нагрузки.
Рис.6.5. Схемы соединения аккумуляторов
а - последовательная; б - параллельная
Стартерные аккумуляторные батареи тепловозов предназначены для пуска дизеля и питания цепей управления, вспомогательных и освещения при неработающем дизеле. Конструкция и емкость аккумуляторов определяются пусковым режимом – кратковременным разрядом, при котором токи достигают2500 А. При этом напряжение батареи должно обеспечивать необходимую для пуска частоту вращения коленчатого вала дизеля.
