Электродвижущая сила аккумулятора измеряется как разность потенциалов на выводах незамкнутого аккумулятора. Величина ЭДС находится в прямой зависимости от плотности электролита и очень мало зависит от температуры. У стационарных свинцовых аккумуляторов в обычных эксплуатационных режимах ЭДС составляет 2,05—2,06 В. С достаточной для практики точностью ЭДС можно измерить вольтметром с большим внутренним сопротивлением на клеммах незамкнутого на нагрузку аккумулятора.
Величина напряжения при разряде аккумулятора всегда ниже ЭДС. Это напряжение не остается постоянным, в процессе разряда оно понижается и тем быстрее, чем больше ток разряда. Номинальное напряжение аккумулятора — это напряжение на выводах полностью заряженного исправного аккумулятора в течение первого часа разряда током 10-часового режима разряда при температуре электролита 20° С (Uном=2 В). Предельное напряжение разряда для длительных режимов разряда (не менее трех часов) равно 1,80 В, а для более коротких режимов разряда (т. е. при больших токах разряда) — 1,75 В. Кривые изменения напряжения аккумулятора при разряде показаны на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Кривые изменения напряжения аккумулятора при разряде
Величина напряжения на зажимах аккумулятора при заряде должна быть больше ЭДС, так как зарядному току приходится преодолевать внутреннее сопротивление аккумулятора: Uзар=E+IзарRвн.
В процессе заряда плотность электролита в порах активной массы повышается, поэтому ЭДС аккумулятора растет. Для поддержания тока заряда неизменным необходимо непрерывно повышать напряжение источника тока. К моменту, когда напряжение заряда достигает 2,3 В на элемент, активная масса оказывается почти полностью восстановленной. Начинается электролиз воды и выделение водорода и кислорода. Конечное напряжение заряда Uк.з зависит от тока заряда (чем больше Iз, тем выше Uк.з), температуры (чем выше температура, тем ниже Uк.з) и ряда других факторов. Предельное значение конечного напряжения аккумулятора при заряде — 2,75 В на элемент. Оптимальное значение конечного напряжения при заряде 2,3—2,35 В на элемент. Кривые напряжения в процессе заряда показаны на рис. 4.3.
Внутреннее сопротивление аккумулятора Rвн складывается из сопротивления аккумуляторных пластин, сепараторов и электролита.
ί
Рис. 4.3. Кривые изменения напряжения аккумулятора при заряде
Преобладающее значение во внутреннем сопротивлении аккумуляторов имеет сопротивление электролита. Внутреннее сопротивление увеличивается по мере разряда в силу уменьшения плотности электролита, а также в связи с образованием сульфата свинца в активном слое пластин (сульфат свинца — не проводник).
Омическое сопротивление полностью заряженного аккумулятора С-1 составляет примерно 0,0036 Ом, а в состоянии полного разряда — 0,007 Ом. Сопротивление аккумуляторов большей емкости соответственно в N раз меньше, где N — индекс аккумулятора.
Емкость аккумулятора — это количество электричества, которое можно получить от аккумулятора в определенных условиях разряда. Емкость измеряется в ампер-часах и равна произведению тока разряда на длительность разряда в часах: Q=It.
Номинальная емкость (Qном) стационарного свинцового аккумулятора — это емкость, гарантированная заводом-изготовителем при 10-часовом режиме разряда до конечного напряжения 1,8 В при температуре электролита 20° С. Величина тока при 10-часовом режиме разряда равна 0,1Qном. Номинальная емкость аккумулятора СК-1 равна 36 А-ч.
Номинальная емкость любого другого аккумулятора подсчитывается путем умножения его индекса на 36,
Эксплуатационная (фактическая) емкость — это количество электричества, отданное реальным аккумулятором в определенном режиме разряда до предельного для данного режима напряжения (1,8 В — для длительных режимов разряда и 1,75 В для коротких режимов разряда). Фактическая емкость аккумулятора обычно несколько меньше номинальной.
Емкость исправного аккумулятора зависит от количества и состава активной массы пластин, типоразмеров и количества пластин, количества и плотности электролита, температуры электролита, режима разряда (т. е. величины тока разряда), срока службы аккумулятора, состояния активной массы пластин.
Для работников эксплуатации наиболее важно знать и учитывать зависимость фактической емкости аккумуляторов от тока разряда и температуры электролита.
Ток 10-часового режима разряда, численно равный 0,1 Qном, можно считать номинальным током аккумулятора. При разряде аккумулятора током, меньшим тока 10-часового режима разряда, напряжение в процессе разряда будет понижаться медленнее и после отдачи полной емкости оно будет выше 1,8 В. Несмотря на это разряжать аккумулятор после снятия номинальной емкости не следует, так как это вредно для аккумулятора. Поэтому при разряде аккумуляторов токами малой величины нельзя определять окончание разряда по напряжению.
Таблица 4.1
Зависимость ηq и ηI от режима разряда
Завод-изготовитель рекомендует определять конец разряда по плотности электролита: при снижении плотности на 0,03—0,06 г/см3 по сравнению с плотностью в начале разряда нужно считать разряд оконченным.
При разряде аккумулятора токами, превышающими ток 10-часового режима разряда, напряжение в процессе разряда будет понижаться быстрее чем в 10-часовом режиме и достигнет 1,8 В (или 1,75 В), когда с аккумулятора еще не снята номинальная емкость. В таких режимах разряда показателем окончания разряда является величина напряжения элемента.
Чем больше ток разряда (по сравнению с током 10-часового режима разряда), тем меньшую емкость можно снять с аккумулятора, т. е. тем меньше коэффициент отбора емкости ηq= Qфакт/Qном. Зависимость коэффициента отбора емкости от режима разряда приведена в табл. 4.1. Там же указан коэффициент отбора тока ηI=Iр/I10, показывающий во сколько раз фактический ток разряда превышает ток 10-часового режима разряда. Кривая изменения коэффициента отбора емкости ηq в зависимости от кратности тока разряда ηI показана на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Кривая зависимости коэффициента отбора емкости от кратности тока разряда
Указанное явление уменьшения отдаваемой емкости с увеличением тока разряда можно объяснить так: при больших разрядных токах химический процесс идет настолько бурно, что концентрация электролита в порах активной массы быстро падает.
Диффузия электролита из промежутков между пластинами в глубь пластин не успевает компенсировать обеднение электролита в порах. При больших токах наиболее интенсивно работают частички активной массы, ближайшие к поверхности активного слоя. Здесь бурно идет превращение двуокиси свинца и губчатого свинца в сульфат свинца, объем частиц которого в 2—3 раза больше объема исходных материалов. Образовавшиеся частицы сульфата свинца сужают поры и закрывают доступ кислоте к глубинным слоям активной массы, которые таким образом выключаются из процесса токообразования. Наступает так называемое «кислотное голодание». Хотя в пластинах еще осталось достаточное количество активных веществ, доступ к ним кислоты закрыт и аккумулятор оказывается разряженным.
Величина отдаваемой аккумулятором емкости зависит от температуры электролита. При понижении температуры электролита растет его вязкость, замедляется диффузия, растет внутреннее сопротивление, напряжение при разряде снижается быстрее, т. е. уменьшается отдаваемая емкость. Эксплуатация стационарных аккумуляторов при температуре ниже 15° С не рекомендуется.
При повышении температуры электролита емкость аккумулятора увеличивается на 0,8% на каждый градус изменения температуры. Это объясняется теми же причинами, только действующими в противоположном направлении. Однако повышенная температура электролита вызывает усиленный саморазряд аккумулятора и способствует сульфатации пластин. Поэтому эксплуатация стационарных аккумуляторов при температуре выше 40° С не допускается.
В соответствии с заводской инструкцией по эксплуатации стационарных аккумуляторов оптимальная нормативная температура принята равной 20° С (ранее принятая величина равнялась 25°С).
Приведенная емкость аккумулятора, т. е. емкость, которую он может отдать при температуре +20° С, определяется по формуле: Q20=Qt/[1 +0,008(t— —20)], где Qt— фактическая емкость, отданная аккумулятором при температуре ί°, С; Q20— приведенная емкость.
Если разрядный ток аккумулятора больше тока 10-часового режима разряда и температура отлична от 20° С, то для определения приведенной емкости, которую этот аккумулятор отдал бы в номинальных условиях разряда (Ip =I10; t=20°C), можно воспользоваться формулой:
где Ip— фактический ток разряда; tр — фактическое время разряда до предельного значения напряжения; t—фактическая температура электролита; η— коэффициент отбора емкости определяется по табл. 4.1 для данного режима разряда или по табл. 4.4 для данной кратности тока η.
Самопроизвольная потеря емкости как бездействующими, так и находящимися в работе аккумуляторами, вызываемая паразитными электрохимическими процессами, называется саморазрядом. Саморазряд исправных стационарных аккумуляторов невелик и неизбежен. Именно вследствие саморазряда требуется, чтобы аккумуляторы, находящиеся в горячем резерве (т. е. включенные параллельно выпрямителю и нагрузке), получали бы непрерывно ток подзаряда, компенсирующий саморазряд.
В первые дни после вывода аккумулятора из работы саморазряд максимальный, затем он постепенно снижается. При нарушениях правил эксплуатации, сильном загрязнении электролита возникает повышенный саморазряд, который должен быть своевременно устранен.
Отношение ампер-часов, отданных аккумулятором при разряде, к числу ампер-часов, которые необходимо сообщить аккумулятору при заряде для приведения его в первоначальное состояние, называется отдачей по емкости. Это, фактически, электрохимический КПД аккумулятора. Как в любом преобразователе энергии, КПД аккумулятора меньше единицы и для стационарных аккумуляторов не превышает 0,85.
Отдача по емкости в процентах выражается формулой: η=(Qр/Qз)x100%, где Qр количество ампер-часов, отданных аккумулятором при контрольном разряде, А-ч; Qз — количество ампер-часов, полученных аккумулятором при заряде, А-ч.
Понятие «отдача аккумулятора по емкости» (%) не следует смешивать с фактической отдаваемой емкостью реального аккумулятора (% к номинальной емкости), которую в практической эксплуатации часто неправильно называют также «отдачей».
