Конструкция аккумуляторной батареи: Конструкция аккумуляторной батареи

Конструкция аккумуляторной батареи

Свинцовая стартерная аккумуляторная батарея (АКБ) — вторичный источник электрической энергии. Это значит, что после глубокого разряда её работоспособность можно полностью восстановить при помощи заряда — пропускания электрического тока в направлении, обратном тому, в котором протекал ток при разряде.

Работает АКБ по принципу превращения электрической энергии в химическую (при заряде) и обратном превращении — химической энергии в электрическую (при разряде). Активные вещества заряженного свинцового аккумулятора, принимающие участие в токообразующем процессе:

Электролит — водный раствор серной кислоты плотностью 1,28 г/см3, который, как и активная масса электродов, принимает участие в токообразующем процессе.

В процессе разряда активная масса как положительного, так и отрицательного электродов превращается в сульфат свинца (белого цвета). При этом плотность электролита снижается к концу разряда до 1,08-1,10 г/см3.

Сегодня наиболее распространены автомобильные АКБ номинальным напряжением 12 В. Их ёмкость составляет от 35 до 230 А-ч.

 Устройство и виды аккумуляторов

У свинцовых стартерных батарей в зависимости от исполнения свои конструктивно-технологические особенности, однако, в их устройстве много общего. Все они содержат разноименные электроды, разделенные сепараторами, которые помещают в сосуд, заполненный электролитом.

В зависимости от применяемых при производстве материалов и используемых конструктивных, технологических и эксплуатационных особенностей, современные батареи можно подразделить на два основных вида:

классического исполнения и необслуживаемого исполнения.

 Классическое (традиционное) исполнение

В России батареи традиционного исполнения выпускают как в моноблоках с отдельными крышками, герметизируемыми битумной мастикой, так и в моноблоках с общей крышкой, герметизируемой контактно-тепловой сваркой.

Аккумуляторные батареи с отдельными крышками собирают в одном многоячеечном корпусе — моноблоке, выполненном из эбонита или другой кислотостойкой пластмассы, разделенном перегородками на отдельные камеры-ячейки (банки), по числу аккумуляторов в батарее. В каждую из ячеек помещен блок, состоящий из чередующихся положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами. Он представляет собой отдельный аккумулятор напряжением 2 В. Борн, служащий наружным токоотводом аккумулятора, последовательно соединяет соседние аккумуляторы между собой в батарею. К выводным борнам крайних аккумуляторов батареи приваривают полюсные выводы, служащие для соединения батареи с внешней электрической цепью. Положительный и отрицательный выводы имеют разный диаметр, что позволяет исключить возможность переполюсовки при подключении АКБ к бортовой цепи автомобиля. Каждый аккумулятор после установки электродного блока в камеру-ячейку моноблока закрывают сверху отдельной крышкой. В ней выполняют по два отверстия с втулками для выводных борнов электродного блока.

Между ними расположено резьбовое отверстие для заливки электролита и периодического обслуживания аккумулятора в процессе эксплуатации.

Также существуют аккумуляторные батареи с общей крышкой в моноблоке из сополимера пропилена с этиленом. В моноблоке устанавливаются электродные блоки, состоящие из разноимённых электродов, разделенных сепараторами. Эти блоки разделены между собой при помощи укороченных межэлементных соединений. Крышка сделана единой на все шесть аккумуляторов батареи.

Аккумуляторная батарея на автомобиле. Устройство, эксплуатация, маркировка

Содержание страницы

• 1. Принцип действия аккумулятора
• 2. Устройство аккумулятора
• 3. Конструкция аккумуляторных батарей
• 4. Маркировка аккумуляторных батарей
• 5. Параметры автомобильных батарей
• 6. Заряд автомобильных батарей
• 7. Эксплуатация аккумуляторных батарей
• 8. Техническое обслуживание аккумуляторных батарей
• 9. Неисправности автомобильных АКБ
• 10. Техника безопасности при работе с АКБ

Химическим источником тока называется устройство, в котором энергия протекания окислительно-восстановительных реакций преобразуется в электрическую.

По характеру работы эти источники делятся на две группы:

• первичные источники тока, или гальванические элементы;
• вторичные источники тока, или аккумуляторы.

Первичные источники допускают только однократное использование и являются необратимыми источниками энергии.

Вторичные источники являются обратимыми источниками энергии: после разряда их работоспособность можно восстановить путем пропускания тока в обратном направлении.

Аккумуляторная батарея на автомобиле выполняет четыре основные функции:

1. Надежный запуск двигателя.
2. Энергоснабжение при выключенном двигателе (неработающем генераторе).
3. Компенсация дефицита энергии при работе совместно с генератором.
4. Сглаживание пульсаций напряжения бортовой сети.

Стартерные аккумуляторные батареи должны удовлетворять следующим основным требованиям (ГОСТ Р 53165-2008):

1. Обеспечивать необходимый для работы стартера разрядный ток.
2. Обладать запасом энергии для питания потребителей при неработающем двигателе или в аварийной ситуации.
3. Сохранять работоспособность при повышенной (до плюс 60 °С) и пониженной (до минус 50 °С) температуре окружающей среды.
4. Обладать герметичностью. Электролит не должен выливаться при наклоне на 45°.
5. Принимать заряд для восстановления израсходованной емкости.
6. Удовлетворять требованиям стандарта по расходу воды и саморазряду.
7. Иметь высокую механическую и вибрационную прочность.
8. Срок службы батареи должен составлять не менее 24 (48) месяцев или 90 (100) тыс. км пробега.

На подавляющем большинстве автомобилей получили применение свинцово-кислотные аккумуляторы.

1. Принцип действия аккумулятора

В свинцово-кислотном аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют:

• диоксид свинца PbO₂ (окислитель) положительного электрода;
• губчатый свинец Pb (восстановитель) отрицательного электрода;
• электролит — водный раствор серной кислоты (H₂SO₄).

Рисунок 1 – Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

При подключении потребителя происходит разложение серной кислоты и образование воды. На положительном и отрицательном электродах образуется сульфат свинца (PbSO₄).

Рисунок 2 – Процесс разряда аккумулятора

При подключении источника происходит восстановление губчатого свинца на отрицательном электроде, диоксида свинца – на положительном электроде и серной кислоты в электролите.

Рисунок 3 – Процесс заряда аккумулятора

Химическая реакция, протекающая в аккумуляторе описывается следующим уравнением:

2. Устройство аккумулятора

Аккумулятор содержит два полублока отрицательных и положительных пластин, разделенных между собой сепараторами. Каждая пластина состоит из активной массы и решетки, которая служит токоотводом и основой удерживающей активную массу.

Рисунок 4 – Устройство аккумулятора

В верхней части решетки имеется ушко, с помощью которого пластины привариваются к соединительному мостику (баретке), имеющему общий вывод для соединения аккумуляторов в батарею.

Рисунок 5 – Положительная (слева) и отрицательная решетки аккумулятора

Основой материала решеток является свинец с добавками других веществ. Добавление к свинцу сурьмы увеличивает прочность, но приводит к повышенному расходу воды.

Замена сурьмы кальцием уменьшает расход воды практически до нуля, однако снижает устойчивость батареи к глубоким разрядам. Гибридные батареи имеют в составе положительных пластин – сурьму, а в отрицательных – кальций.

Легирование серебром предохраняет свинцовую основу от коррозии и снижает деформацию решеток.

Сепаратор, изготовленный из микропористого кислотостойкого материала, служит для предотвращения замыкания разноименных пластин и обеспечения запаса электролита.

Рисунок 6 – Сепаратор-конверт из полиэтилена

3. Конструкция аккумуляторных батарей

Аккумуляторная батарея представляет собой ряд (3,6,12) последовательно соединенных аккумуляторов, помещенных в единый корпус (моноблок), изготовленный из термопластмассы.

Для соединения аккумуляторов служат межэлементные соединения. Сверху моноблок закрывается общей крышкой, образуя неразборную конструкцию. На крышке имеется два полюсных вывода (терминала) для присоединения батареи во внешнюю цепь.

Положительный вывод (терминал) больше отрицательного, для исключения возможности неправильного подключения аккумуляторной батареи.

Полюсные выводы (терминалы) помимо конструктивных отличий могут различаться расположением: прямая и обратная полярность.

Рисунок 7 – Размеры полюсных выводов

Рисунок 8 – Конструкция аккумуляторной батареи: 1 – крышка корпуса, 2 – корпус (моноблок), 3 – аккумулятор, 4 – полюсный вывод (терминал), 5 – заливная пробка, 6 – перемычка, 7 – ручка для переноски, 8 — индикатор

Рисунок 9 – Типы полюсных выводов (терминалов)

Индикатор позволяет оценить степень заряженности батареи и уровень электролита в батарее.

Рисунок 10 – Полярность аккумуляторных батарей

Зеленый цвет индикатора свидетельствует о достаточной степени заряженности батареи (>65 %) и ее исправности.

Черный цвет свидетельствует о недостаточной степени заряженности батареи (<65 %) и необходимости ее подзаряда.

Бесцветный глазок свидетельствует о слишком низком уровне электролита и необходимости замены батареи.

Рисунок 11 – Индикатор степени заряженности батареи Батареи с жидким электролитом.

Батареи с жидким электролитом оснащаются заливными пробками, имеющими вентиляционные отверстия. К достоинствам можно отнести невысокую стоимость, большое количество моделей на рынке, пригодность для установки в моторном отсеке, возможность долива электролита.

К недостаткам таких батарей относят возможность выливания электролита и повышенный расход воды.

Батареи типа VRLA (Valve Regulated Lead Acid Battery).

Пробки ячеек не выворачиваются. Образующиеся при перезаряде водород и кислород обычно ячейки батареи не покидают и реагируют между собой с образованием воды. Подобные батареи не требуют обслуживания и пригодны для установки в моторном отсеке. К недостаткам таких батарей относят повышенную стоимость, отсутствие возможности долива электролита, высокие требования к зарядному напряжению (не более 14,4 В).

Батареи с гелеобразным электролитом.

В электролит этих батарей добавлена кремниевая кислота, превращающая его в гель. Добавление фосфорной кислоты существенно повышает их циклическую стойкость и способность к восстановлению после глубокого разряда.

К достоинствам можно отнести отсутствие необходимости обслуживания, высокую циклическая стойкость, невозможность выливания электролита. Недостатками таких батарей считают высокую стоимость, непереносимость высоких температур, ухудшенные пусковые свойства при низких температурах, ограниченное количество моделей на рынке.

Рисунок 12 – Центральная система вентиляции

Батареи типа AGM.

Так называют батареи, у которых электролит впитывается и удерживается стекломатами. Стекломаты представляют собой микропористый нетканый материал из переплетающихся между собой ультратонких стекловолокон. Стекломаты выполняют функции сепараторов. В батарею заливается только то количество электролита, которое могут впитать стекломаты. Достоинства — не требуют обслуживания, высокая циклическая стойкость, нет возможности выливания электролита, хорошие пусковые свойства. Недостатки — высокая стоимость и ограниченное количество моделей на рынке.

Рисунок 13 – Устройство батареи типа AGM

Батареи OPTIMA

Основное отличие заключается в применении технологии Optima Spiralcell® Technology: вместо пластин, используемых в обычных аккумуляторах, в батареях OPTIMA применяются «рулонные элементы» — две свитые в рулон тонкие свинцовые ленты с сепаратором из стекловолокна, содержащим кислоту.

Такая технология позволяет значительно снизить толщину свинцовых лент и на 50-100 % увеличить их активную площадь в сравнении с обычными пластинами.

Рисунок 14 – Устройство батареи OPTIMA

Достоинства — не требуют обслуживания, высокая циклическая стойкость, нет возможности выливания электролита, очень хорошие пусковые свойства, сохраняют пусковые качества даже после года хранения без подзарядки. Недостатки — высокая стоимость и большая масса.

4. Маркировка аккумуляторных батарей

Рисунок 15 – Маркировка аккумуляторных батарей: 1 – обозначение типа батареи, 2 – товарный знак завода-изготовителя, 3 – номинальная емкость, А·ч, 4 – ток холодной прокрутки, А, 5 – номинальное напряжение, В, 6 – дата изготовления, 7 – масса батареи, кг, 8 – обозначение полярности, 9 – знаки безопасности, 10 – уровень электролита

Согласно ГОСТ Р 53165-2008 обозначение типа батареи включает:

1. – цифра, указывающая число последовательно соединённых аккумуляторов в батарее (3, 6 или 12)
2. – буквы, характеризующие назначение батареи по функциональному признаку (СТ – стартерная)
3. – число, указывающее номинальную ёмкость батареи в ампер-часах (55)
4. – буквы, обозначающие конструкторско-технологическое исполнение (N – с нормальным расходом воды, L – с малым расходом воды, VL – с очень малым расходом воды, VRLA – с регулирующим клапаном)

На батареи наносят символы безопасности (таблица 1).

Таблица 1 — Символы безопасности

Символ	Расшифровка
	Соблюдайте инструкцию
	Опасно. Едкие и коррозионные вещества
	Запрещается пользоваться открытым огнем и курить
	Пользуйтесь защитными очками
	Хранить вдали от детей
	Взрывоопасно
	Запрещается выбрасывать с бытовыми отходами
	Символ переработки

5. Параметры автомобильных батарей

К основным параметрам автомобильных АКБ относят ЭДС, напряжение под нагрузкой, внутреннее сопротивление, номинальную и разрядную ёмкость, ток холодной прокрутки и другие.

Электродвижущая сила (ЭДС) батареи – представляет собой разность потенциалов при разомкнутой внешней цепи:

Е = 6·(0,84 + ρ) (1)

где ρ — плотность электролита, приведенная к 25 °С, г/см³.

Напряжение АКБ – отличается от ЭДС на величину падения напряжения в электрической цепи при прохождении разрядного или зарядного тока:

Uр = E — Iр·(r + Rн) напряжение при разряде (2)

Uз = E + Iз·(r + Rн) напряжение при заряде (3)

где r – внутреннее сопротивление батареи, Ом; Rн – сопротивление внешней цепи, Ом.

Ёмкостью, С, аккумулятора называется максимальное количество электричества, выраженное в ампер-часах, которое аккумулятор может отдать во внешнюю цепь при полном разряде до установленного конечного напряжения:

С = Iр·τ_р (4)

где Iр – разрядный ток, А; τ_р – время разряда, ч.

Номинальная разрядная ёмкость С₂₀ (указываемая на батарее) определяется при 20-часовом режиме разряда током I = 0,05·С₂₀ при t = 25 °C.

Разряд должен прекратиться при U = 10,5 В.

Рисунок 16 — Временные характеристики АКБ при разряде и заряде

Рисунок 17 – Типичные значения номинальной ёмкости

Резервная ёмкость RC (reserve capasity) – способность АКБ обеспечить необходимый минимум электрической нагрузки при выходе из строя генератора.

Минимум электрической нагрузки складывается из токов, потребляемых системами зажигания и освещения, стеклоочистителем и контрольно-измерительными приборами в режиме «Зима-ночь» и составляет 25 А.

Резервная ёмкость определяется временем разряда в минутах полностью заряженной батареи током 25 А до напряжения на выводах 10,5 В.

Рисунок 18 – Типичное значение резервной ёмкости

Ток холодной прокрутки ССА (cold cranking amps) – это максимальный разрядный ток, который батарея может обеспечить при t = — 18 °С (0 °F) в течение 30 с, сохраняя напряжение на выводах не менее 7,2 В.

Внутреннее сопротивление, r, батареи составляет несколько тысячных долей Ома и увеличивается по мере ее разряда и снижения температуры электролита.

Рисунок 19 – Типичное значение тока холодной прокрутки

6. Заряд автомобильных батарей

Аккумуляторные батареи заряжают от источника постоянного тока, напряжение на выводах которого выше напряжения заряжаемой батареи.

Используют следующие методы заряда:

• постоянной силой тока,
• постоянным напряжением,
• комбинированный,
• форсированный,
• контрольнотренировочный цикл.

Заряд при постоянной силе тока.

В этом случае заряжаемые батареи соединяются между собой последовательно и подключаются к зарядному устройству.

Сила зарядного тока в этом режиме не должна превышать:

I_з ≤ 0,1·С₂₀ (5)

Заряд при постоянной силе тока отличается сравнительной простотой и обеспечивает полный заряд батарей.

Недостатками этого способа являются повышение температуры в конце заряда и отрицательное влияние перезаряда вследствие кипения электролита.

Заряд при постоянном напряжении.

При этом способе заряда батареи подключают непосредственно к источнику питания, напряжение которого поддерживается постоянным.

Сила зарядного тока устанавливается автоматически.

Батарею можно зарядить до 90-95 % от номинальной емкости. В этом режиме заряжаются батареи на автомобиле.

Форсированный заряд.

Для быстрого восстановления работоспособности сильно разряженной батареи проводят форсированный заряд силой тока 0,7·С₂₀ в течение 30 минут. Применять форсированный заряд можно в исключительных случаях, так как многократное повторение такого способа заметно сокращает срок службы батареи.

Смешанный режим.

Объединяет достоинства заряда постоянным током и постоянным напряжением: первоначально батарея заряжается первым способом, а затем – вторым. Это позволяет снизить время заряда батареи (по сравнению с чисто вторым способом) и исключить неблагоприятное воздействие перезаряда (свойственное первому способу).

Контрольно-тренировочный цикл.

Данный цикл включает в себя заряд батареи током 0,1·С₂₀, разряд батареи током 0,05·С₂₀ и окончательный заряд силой тока 0,05·С₂₀.

Контрольно-тренировочный цикл проводят для устранения частичной сульфатации и других неисправностей АКБ.

7. Эксплуатация аккумуляторных батарей

Эксплуатация батарей при низких температурах осложняется следующим рядом факторов:

1. При недостаточной плотности возможно замерзание электролита (см. таблицу 2).
2. Ухудшается процесс заряда (батарею можно зарядить только до 60-70 % от номинальной ёмкости).
3. В результате повышения вязкости моторного масла и электролита ухудшаются условия запуска двигателя.

Эксплуатация батарей при высоких температурах осложняется по следующим причинам:

1. Ускоряется разрушение и сульфатация пластин.
2. Происходит интенсивное испарение воды (требуется проверка уровня электролита).

Хранение автомобильных батарей.

Хранить автомобильные батареи необходимо в неотапливаемом помещении при температуре от 0 до минус 20°С, что способствует снижению саморазряда.

Таблица 2 – Температура замерзания электролита

Напряжение, В	Степень заряженности, %	Плотность электролита, г/см3	Температура замерзания, °С
12,7	100	1,28	<-50
12,5	80	1,24	— 40
12,3	60	1,21	— 30
12,1	40	1,18	— 20
11,9	20	1,14	— 14
11,7	0	1,10	— 5

Саморазряд – самопроизвольная потеря заряда отключенной батареи.  Бывает нормальным и ускоренным. Интенсивность саморазряда зависит от устройства батареи и температуры окружающей среды.

При нормальном саморазряде батарея теряет 50 % заряженности за 6 месяцев – для обслуживаемых, 18 месяцев – для необслуживаемых.

Рисунок 20 – Интенсивность саморазряда АКБ

8. Техническое обслуживание аккумуляторных батарей

Визуальный осмотр.

При проведении визуального осмотра особое внимание уделяют следующим факторам:

1. Состояние моноблока. Поверхность моноблока притирают ветошью, смоченной в растворе кальцинированной соды или нашатырного спирта.
2. Состояние полюсных выводов и клемм. Проверяют затяжку клемм, полюсные выводы смазывают техническим вазелином. При необходимости очищают полюсные выводы и наконечники проводов от окислов.
3. Крепление батареи. Прижимная планка должна плотно прилегать к крепёжному выступу моноблока и заходить в фиксирующие выемки на нем.

При необходимости между ней и выступом следует установить переходную планку. Крепёжные болты следует затягивать моментом предписанной величины.

Рисунок 21 – Щетка для очистки полюсных выводов

Измерение уровня электролита.

В батареях с прозрачным корпусом имеются отметки min/max, позволяющие оценить уровень электролита. В батареях с непрозрачным корпусом уровень электролита измеряют стеклянной трубкой диаметром Ø3-5 мм. Уровень электролита должен быть на 15-20 мм выше верхнего края пластин. Если уровень электролита ниже нормы, то в батарею добавляют дистиллированную воду, а если выше – отбирают излишки с помощью груши.

Измерение плотности электролита.

Для измерения плотности электролита используют следующие приборы: ареометр, денсиметр и плотномер. Плотность электролита позволяет оценить степень заряженности батареи. Уменьшение плотности на 0,01 г/см3 соответствует уменьшению заряженности на 6 %.

Если степень заряженности батареи составляет менее 75 % — то батарею можно эксплуатировать только в летнее время года, менее 50 % — эксплуатация запрещена.

Измерение напряжения батареи.

Для измерения напряжения батареи под нагрузкой используют нагрузочные вилки. Если напряжение в конце 5-ой секунды разряда превышает U=8,9 В, то батарея исправна (не имеет внутренних дефектов).

9. Неисправности автомобильных АКБ

К числу основных неисправностей АКБ относят:

• сульфатацию пластин,
• повреждение полюсных выводов,
• отстающие аккумуляторы,
• трещины в моноблоке,
• короткое замыкание,
• ускоренный саморазряд.

Под сульфатацией понимают такое состояние батареи, при котором она не заряжается при пропускании нормального зарядного тока в течение установленного промежутка времени.

Внешне проявляется наличием на поверхности крупных, трудно растворимых при заряде кристаллов или сплошного слоя сульфата свинца.

Рисунок 22 — Нормальная сульфатация

Рисунок 23 – Необратимая сульфатация

Сульфатация возникает в результате несоблюдения правил обслуживания и эксплуатации АКБ.

Сульфатация характеризуется следующими признаками:

• при заряде быстро повышается температура электролита;
• плотность электролита при заряде практически не повышается;
• газовыделение начинается значительно раньше;
• при контрольном разряде ёмкость значительно меньше номинальной.

Причины сульфатации:

• применение загрязнённого электролита;
• длительное нахождение батарей в разряженном состоянии;
• систематический недозаряд батарей;
• снижение уровня электролита ниже допустимого;
• эксплуатация батарей при недопустимо высокой температуре и плотности электролита.

Частичную сульфатацию можно устранить путем проведения контрольно-тренировочного цикла.

К числу внешних (определяемых визуально) неисправностей относят повреждения полюсных выводов и моноблока.

Трещины в моноблоке устраняют тепловой сваркой, а повреждение выводов путем наплавки.

Отстающие аккумуляторы.

Если в батарее хотя бы один аккумулятор будет разряжаться раньше остальных, то работоспособность батареи определяется именно этим, отстающим аккумулятором.

Для устранения подобной неисправности производят заряд батареи малым током в течение длительного времени (не менее 24 часов).

Короткое замыкание.

Внутренние короткие замыкание в аккумуляторах происходят между разноименными пластинами за счет заполнения наиболее крупных пор сепараторов активной массой («прорастание»).

Характерными признаками короткозамкнутого аккумулятора являются:

• отсутствие или очень малая величина ЭДС;
• непрерывное уменьшение плотности даже во время заряда;
• быстрая потеря ёмкости после заряда.

Ускоренный саморазряд.

Ускоренный саморазряд вызывается следующими основными причинами:

• наличие на поверхности батареи загрязнений, проводящих электрический ток;
• применение воды или электролита, содержащих вредные примеси;
• хранение батарей при повышенной температуре воздуха;
• чрезмерная эксплуатация батареи (в режиме такси).

10. Техника безопасности при работе с АКБ

Аккумуляторные батареи являются источниками повышенной опасности. Чтобы исключить возникновение опасных ситуаций, при работе с батареями необходимо следовать указаниям, которые приведены на их корпусах и в руководстве по эксплуатации автомобиля.

Необученный персонал, например, ученики или практиканты, могут привлекаться к работам с автомобильными батареями только под присмотром специалиста: механика, мастера или электрика.

Электролит обладает разъедающим действием. При неосторожном обращении с батареями возникает опасность поражения персонала кислотой. Поэтому необходимо иметь под рукой средства, противодействующие вредным воздействиям кислоты. К таким средствам, относится, например, раствор мыла.

Вылившийся из батареи электролит может привести к поражению кожи человека и к коррозионному повреждению деталей автомобиля. Среди этих деталей могут оказаться такие, которые существенно влияют на безопасность пассажиров.

При заряде батареи и некоторое время после него из электролита выделяется взрывоопасный гремучий газ. При особых обстоятельствах ненадлежащее обращение с батареей может привести к ее взрыву.

Вблизи батарей запрещается производить работы, сопровождающиеся парообразованием. К таким работам относятся шлифование, сварка, резка и т.п. Запрещено также курение. Помимо этого, следует исключить разряды статического электричества. Например, такой разряд можно предотвратить, если снять статическое электричество касанием кузова перед соприкосновением с батареей.

Все работы с батареями следует проводить в хорошо проветриваемых помещениях, приспособленных для этой цели. При работе с кислотой необходимо использовать индивидуальные средства защиты.

К этим средствам относятся:

• защитные очки;
• кислотоустойчивый фартук;
• кислотоустойчивые резиновые перчатки.

Чтобы исключить поражение глаз, защитные очки рекомендуется использовать при различных работах с батареями, например, при их транспортировке.

Если, несмотря на принятые меры предосторожности, электролит попал на кожу или в глаза, незамедлительно нужно оказать первую помощь пострадавшему.

При этом нужно срочно нейтрализовать участки одежды и кожи мыльным раствором и затем тщательно промыть их в течение нескольких минут чистой водой. Попавшие в глаза брызги необходимо вымывать чистой водой в течение не менее 10 минут.

Для этой цели можно использовать приспособление для промывки глаз, которое подключается к водопроводу с питьевой водой. Желательно иметь место для подключения к водопроводу в мастерской вблизи помещения, где производится заряд батарей. В ином случае необходимо держать емкость для промывки глаз непосредственно на рабочем месте.

Эта емкость должна быть всегда заполнена водой, которую следует регулярно контролировать и заменять по гигиеническим соображениям. После оказания первой помощи в виде интенсивного промывания глаз или кожи следует в любом случае обратиться к врачу.

Рисунок 24 – Средства индивидуальной защиты

Просмотров: 236

Понимание, проектирование и оптимизация аккумуляторных систем

Литий-ионные аккумуляторы

В модуле проектирования аккумуляторов представлены самые современные модели литий-ионных аккумуляторов. Вы найдете различные механизмы старения и высокоточные модели, такие как модель Ньюмана, доступные в 1D, 2D и полном 3D. Помимо самостоятельного моделирования электрохимических реакций, вы можете комбинировать их с теплообменом и учитывать структурные напряжения и деформации, вызванные расширением и сжатием в результате интеркаляции лития. Модуль также предоставляет функциональные возможности для настройки гетерогенных моделей, описывающих фактические формы пористого электролита и электродных частиц. Изучение микроструктуры батареи помогает глубже понять ее характеристики.

Свинцово-кислотные батареи

Для моделирования свинцово-кислотных батарей программа включает зависимые переменные для ионного потенциала и состава электролита, а также электрического потенциала и пористости твердых электродов. Модель учитывает растворение и отложение твердых веществ. Встроенные функции позволяют также изучить, как различные конструктивные параметры влияют на производительность батареи, такие как толщина и геометрия электродов и сепараторов, геометрия токосъемников и фидеров и многое другое.

Generic Batteries

«Рабочая лошадка» модуля «Конструирование аккумуляторов» — это подробная модель отдельных элементов аккумулятора с положительным электродом, отрицательным электродом и сепаратором. С помощью общего описания пористых электродов вы можете определить любое количество конкурирующих реакций в электроде, а также связать их с электролитом произвольного состава. Модуль позволяет описать пористый электролит и электролит в сепараторе любого состава с помощью теории концентрированных, разбавленных (уравнения Нернста-Планка) и фоновых электролитов в сочетании с теорией пористого электрода.

Что можно моделировать с помощью модуля проектирования батарей

Выполнение различных электрохимических анализов батарей с помощью программного обеспечения COMSOL ^® .

Гетерогенные и гомогенные модели

Моделирование подробной структуры пористых электродов и пористого электролита для типового элемента батареи.

Рост границы твердого электролита (SEI)

Моделирование старения отрицательного графитового электрода литий-ионной батареи.

Напряжения, вызванные диффузией

Вычисление интеркаляционных напряжений и деформаций, вызванных расширением и сжатием. ¹

Короткое замыкание

Исследование внутреннего короткого замыкания батареи.

Pseudo-Dimension

Моделирование интеркаляции лития в частицы электрода.

Двухслойная емкость

Модели электрохимических конденсаторов и наноэлектродов.

Аккумуляторы NiMH и NiCd

Аккумуляторы модели с щелочными бинарными (1:1) электролитами.

Flow Batteries

Моделирование проточных свинцово-кислотных и ванадиевых аккумуляторов во время прикладного цикла зарядки-разрядки.

Металлическое покрытие

Укажите емкость узла электрода, чтобы избежать металлического литиевого покрытия во время высокоскоростной зарядки.

Эффекты пористости

Моделирование химических реакций под влиянием переноса частиц в пористой среде.

Спектроскопия импеданса

Изучение гармонического отклика батареи с использованием моделей высокой точности, основанных на физике.

Сосредоточенные модели с оценкой параметров

Определите упрощенную модель батареи на основе небольшого набора сосредоточенных параметров, которые соответствуют результатам высокоточных моделей экспериментальным результатам. ²

1. Требуется модуль «Механика конструкций»
2. Требуется модуль оптимизации

Особенности и функциональные возможности модуля проектирования аккумуляторов

Модуль проектирования аккумуляторов предлагает набор специализированных инструментов для имитации работы аккумуляторов в различных условиях эксплуатации.

Упрощенное моделирование аккумуляторов

Для более быстрого теплового анализа трехмерных аккумуляторных блоков можно использовать проверенные сосредоточенные (упрощенные) модели для каждого аккумулятора в аккумуляторном блоке. После проверки сосредоточенные модели могут давать превосходную точность в определенном диапазоне операций. Модуль проектирования батарей содержит сосредоточенные модели, основанные на физике и решающие электрохимические уравнения в нескольких пространственных измерениях.

Интерфейс Single Particle Battery моделирует распределение заряда в аккумуляторе с использованием отдельной одночастичной модели для положительного и отрицательного электродов аккумулятора. Интерфейс Lumped Battery использует небольшой набор параметров с сосредоточенными параметрами для добавления вкладов в сумму всех потерь напряжения в батарее, обусловленных омическими сопротивлениями и, опционально, процессами переноса заряда и диффузии. Кроме того, вы можете определить модель батареи на основе произвольного количества элементов электрической цепи с помощью Интерфейс эквивалентной цепи батареи .

Пористые электроды с произвольным количеством электрохимических реакций

Аккумуляторные системы и химические вещества часто подвержены нежелательным побочным реакциям на электродах, и вы можете исследовать их влияние на циклы заряда и разряда, а также на саморазряд.

Типичные побочные реакции, которые вы можете смоделировать, включают выделение водорода, выделение кислорода, рост границы раздела твердого электролита, нанесение металлического покрытия, коррозию металла и окисление графита.

Исследования полностью нестационарной и импедансной спектроскопии

Аккумуляторные системы часто представляют собой закрытые системы, которые трудно изучать во время работы. Переходные методы, такие как скачок потенциала, прерывание тока и спектроскопия импеданса, могут использоваться для характеристики батареи во время работы.

Выполняя исследования переходных процессов, вы можете выполнить оценку параметров в различных временных масштабах и на разных частотах, чтобы отделить омические, кинетические, транспортные и другие потери, которые могут быть причиной старения батареи. Используя методы переходных процессов, моделирование и оценку параметров, вы можете очень точно оценить состояние аккумуляторной системы.

High-Fidelity Modeling Battery

Интерфейс Lithium-Ion Battery используется для расчета распределения потенциала и тока в литий-ионной батарее. Можно использовать несколько промежуточных электродных материалов, а также учитывать потери напряжения из-за слоев SEI.

Интерфейс Battery with Binary Electrolyte используется для расчета распределения потенциала и тока в обычной батарее. Можно использовать несколько интеркалирующих электродных материалов, а также можно учитывать потери напряжения из-за образования пленки на пористых электродах.

Интеркалирующие частицы и транспорт в пористых структурах

Частицы в пористых аккумуляторных электродах могут быть твердыми (литий-ионный электрод) или пористыми (свинцово-кислотный, NiCd). В случае твердых частиц пористость в электроде находится между упакованными частицами. Однако перенос и реакции могут происходить в твердых частицах для небольших атомов, таких как атомы водорода и лития. Эти интеркалирующие частицы моделируются с помощью отдельного уравнения диффузии-реакции, определяемого по радиусу твердых частиц. Поток интеркалирующих частиц соединяется на поверхности частиц с частицами, которые транспортируются в поровом электролите между частицами. Виды интеркаляции и реакции предопределены для литий-ионных аккумуляторов, но вы можете использовать те же функции для моделирования интеркаляции водорода, например, в NiMH батареях.

В случае пористых частиц получается бимодальная структура пор: макропористая структура между упакованными частицами и микропористая структура внутри частиц. Уравнения реакции-диффузии в пористых частицах определяются так же, как и для интеркаляции частиц в твердых частицах.

Встроенная термодинамика и свойства материалов

База данных материалов аккумуляторов, включенная в модуль, содержит записи для ряда распространенных электродов и электролитов, что существенно сокращает объем работы, необходимой для создания новых моделей аккумуляторов.

Одним из наиболее трудоемких и подверженных ошибкам этапов моделирования аккумуляторных систем является сбор входных данных и их согласованное использование. Например, важно, чтобы положительный и отрицательный электроды определялись в одних и тех же системах отсчета. Потенциалы равновесного электрода (полуэлемента) должны быть измерены или откалиброваны для одних и тех же эталонных электродов, электролитов и температур, прежде чем они будут включены в одну и ту же модель аккумуляторной системы.

Программные инструменты для проектирования аккумуляторов | Исследования транспорта и мобильности

Под компьютерным проектированием аккумуляторов для электромобилей (CAEBAT) проект, NREL разработала программные инструменты, чтобы помочь проектировщикам аккумуляторов, разработчикам, а производители создают доступные высокоэффективные литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы для электромобилей нового поколения (EDV).

Знание взаимодействия мультифизики в различных масштабах необходимо для успешного разработка батареи. На изображении выше показано компьютерное моделирование аккумуляторной батареи. с помощью программных средств CAEBAT. Изображения: NREL

Разработка батареи по циклу «сборка-оценка-сборка» требует много времени и средств. Программные инструменты CAEBAT можно использовать для:

• Дизайн аккумуляторных элементов и блоков
• Сократить процессы прототипирования и производства аккумуляторов
• Повышение общей производительности, безопасности и срока службы батареи
• Сократить расходы, связанные с разработкой и производством аккумуляторов.

Исследования CAEBAT привели к созданию моделей альтернативно сложенных, намотанных и крупноформатных цилиндрическое ячеистое исполнение, а также пакетные тепловые сети. Командам CAEBAT удалось Компания NREL объединила новые и существующие модели аккумуляторов в коммерчески доступные программное обеспечение, используемое в промышленности для минимизации циклов проектирования и оптимизации аккумуляторов для увеличения производительность, безопасность и срок службы.

Эти инструменты, разработанные CAEBAT, включают:

• Fluent 15 (ANSYS) . Этот флагманский пакет включает в себя инструменты моделирования аккумуляторов и программирование приложений. интерфейс к многомасштабной многодоменной модели (MSMD) NREL в программном обеспечении ANSYS CAEBAT, предоставляя отраслевым пользователям доступ к новейшим современным моделям NREL.
• STAR-CCM+ (CD-adapco) . Это программное обеспечение содержит модули моделирования батарей, разработанные в рамках CAEBAT.