Устройство стартерных аккумуляторных батарей

Как и у большинства других типов аккумуляторных батарей, уст­ройство стартерных свинцово-кислотных батарей основано на последо­вательном соединении отдельных аккумуляторов. Используемые кон­струкционные материалы должны быть стойки к длительному воздействию серной кислоты. Одним из немногих стойких к такому воздействию металлов является свинец, поэтому все токоведущие детали из­готавливаются из свинца или свинцовых сплавов.

В стартерных батареях электроды с активными веществами конст­руктивно выполняются в виде пластин, состоящих из профилирован­ных решеток, в которые вмазана паста, образующая при формировании пластины активную массу. Решетки отливают из свинцовых сплавов.

Масса решетки составляет до 50 % массы пластины. Решетки поло­жительных пластин, более подверженные коррозии, имеют более тол­стое сечение. Общая толщина пастированных пластин зависит от режимов работы и установленного срока службы аккумуляторной батареи и составляет 1, 5... 2 мм для аккумуляторных батарей, устанавливае­мых на легковых автомобилях, и 2, 4... 2, 6 мм для батарей, устанавли­ваемых на тракторах. Одинаковое количество активных материалов может быть заложено в малом числе пластин большей толщины или в большем числе пластин малой толщины. Во втором случае увеличива­ется суммарная площадь поверхности активной массы и максимально допустимая сила

тока разряда, но снижается механическая прочность электродов.

Стартерные характеристики батарей лучше при малой тол­щине электродов.

Решетка должна обеспечивать равномерное распределение тока по всей массе активных материалов, поэтому пластина должна иметь форму, близкую к квадратной. В стартерных аккумуляторах применя­ют пластины; шириной 143 мм и высотой 119 и 133, 5 мм.

С помощью бареток 5 (рис.1.) собираются полублоки положительных 4 и отрицательных 7 пластин. Баретка имеет борн и мостик 8.
К мостику припаиваются ушки пластин, и он определяет расстояние
между ними. Борн является токоотводом пол у блока пластин.

Пластиы в полублоке соединены параллельно. Число пластин за­висит от требуемой емкости аккумуляторной батареи. Полублоки объ­единяются в блок пластин 9. Число отрицательных пластин в блоках обычно на одну больше, чем положительных, и они являются в блоках крайними.

Рис. 1. Аккумуляторная батарея:

1 — отрицательная пластина; 2 — сепаратор; 3 — положительная пластина; 4 — полублок по-
ложительных пластин; 5 — баретка; 6 — предохранительный щиток; 7 — полублок отрица-
тельных пластин; 8~ мостик; 9 — блок пластин; 10 — крышка; 11— заливное отверстие; 12-
межэлементное соединение; 13— пробка; 14— полюсный вывод; 15 — моноблок; 16 — опор-
ная призма

Это связано с тем, что активное вещество положительных пластин относительно в большей степени участвует в химических пре­вращениях. Поэтому при симметричном двустороннем изменении ак­тивной массы в процессе заряда и разряда они меньше деформируются.

Между пластинами в блоках устанавливаются сепараторы 2 — разделители из кислотостойкого пористого материала. Они предназ­начены для предотвращения соприкосновения разноименных электро­дов и короткого замыкания между ними. Благодаря высокой пористо­сти и хорошей смачиваемости сепараторы не препятствуют свободному доступу электролита к активной поверхности пластин.

От качества сепараторов в значительной степени зависят эксплуата­ционные характеристики батареи. Сепараторы должны обладать меха­нической прочностью, эластичностью, сохранять свои свойства в ши­роком диапазоне температур в течение всего срока службы батареи.

В качестве материала сепараторов в современных конструкциях стартерных батарей используется мипор, мипласт и поровинил.

Мипор, или микропористый эбонит, получают в результате сложного технологического процесса вулканизации смеси натурального каучука с различными добавками. Промышленность выпускает сепа­раторы из мипора толщиной 1, 1; 1, 5 и 1, 9 мм.

Мипласт, или микропористый полихлорвинил, получают из.поли­хлорвиниловой смолы методом спекания. Выпускаемые промышлен­ностью сепараторы из мипласта имеют толщину 1, 1; 1, 3; 1, 5; 1, 7 и 1, 9 мм.

Высокими эксплуатационными свойствами обладают сепараторы из Поровинил а, которые изготавливают из полихлорвиниловой смолы с ис­пользованием циклогексана и крахмала. Применение поровинила позволяет на 10...15 % повысить мощность батареи при низких тем­пературах.

Блоки пластин в сборе с сепараторами устанавливаются в ячейки моноблока 15 (см. рис. 1.). Моноблок — это единый корпус батареи, разделенный герметичными изоляционными перегородками на 3 или б ячеек (по числу аккумуляторов, соответственно для- батарей на 6 и.12 В).('Моноблоки стартерных батарей изготавливаются из эбонита, термопласта (наполненного полиэтилена), полипропилена и полистиро­ла. Эти материалы обеспечивают тепло- и морозоустойчивость, кислото-стойкость и механическую прочность, особенно в условиях вибрации.

Пластины блока имеют в нижней части «ножки», которые после сбор­ки опираются на специальные выступы на дне моноблока — донные призмы 16. В результате в нижней части батареи образуется так назы­ваемое шламовое пространство, в котором накапливается постепенно осыпающаяся с электродов активная масса. Это предотвращает преж­девременный выход из строя аккумулятора из-за короткого замыкания этими частицами разноименных пластин.

Крышки 10 из эбонита или пластмассы могут закрывать отдельные аккумуляторные отсеки. На современных батареях применяют еди­ные крышки, привариваемые или приклеиваемые к моноблоку. Крыш ки имеют отверстия 11 для вывода борнов и заливки электролита. За­ливные горловины закрываются пробками с вентиляционными отвер­стиями.

Специальные отражатели в пробках препятствуют выплески­ванию электролита через вентиляционные отверстия. Электролит не должен выплескиваться при наклоне батарей от нормального рабочего положения на угол 45°.

Герметизация индивидуальных крышек производится заливкой специальной битумной мастикой. При применении пластмассовых мо­ноблоков на 20... 25% повышается удельная энергия аккумулятор­ной батареи. Моноблоки из полипропилена и полиэтилена в несколько раз прочнее эбонитовых моноблоков. Конструкция аккумуляторной батареи 6СТ-55П с прозрачным корпусом из полипропилена изображе­на на рис. 2. Она устанавливается на автомобилях ВАЗ.

Отдельные аккумуляторы соединяются в батарею с помощью пере­мычек, которые могут иметь различную конструкцию (рис. 5). В ба­тареях с индивидуальными крышками перемычки проходят сверху, как это показано на рис. В, а. В случае применения общей крышки (монокрышки) перемычки располагаются над перегородками монобло­А (рис. 3, б). При изготовлении новых конструкций моноблоков из пластмасс (полиэтилен, полипропилен) межэлементные соединения про­пускаются сквозь отверстия в перегородках (рис. 3, в).

Укороченные межэлементные соединения, кроме уменьшения оми­ческого сопротивления, позволяют сократить расход свинца при изго­товлении батареи, а следовательно, ее массу.

Расстояние между верхними кромками пластин и крышкой состав­ляет не менее 20 мм. Это расстояние необходимо для компенсации ко-

лебания уровня электролита и для отделения капель электро­лита при сильном газовыделении («кипении») в конце заряда. Большая часть недостатков, присущих обычным аккумуля­торным батареям (снижение уровня электролита, ускоренная коррозия решетки положитель­ного электрода, саморазряд и не­которые другие), обусловлена наличием 4, 5 … 6 % сурьмы в сплаве свинца, используемого для изготовления решеток электродов. Согласно требованиям по уходу за стартерны ми аккумуля­торными батареями через каж­дые 2500 км пробега необходимо проверять уровень электролита и при его уменьшении доливать дистиллированную воду.

Рис. 3, Способы соединения аккумуляторов:

а - с наружным расположением перемычек; б — через перегородку под общей крышкой; в — сквозь отверстие в перегородке под общей крышкой

Указанные недостатки привели к появлению так называемых «необслуживаемых» батарей.

Основной задачей при разработке необслуживаемых батарей являет­ся ограничение электролиза воды в аккумуляторе и, как следствие, га­зовыделения. Наличие сурьмы в сплавах решеток приводит к значи­тельному снижению перенапряжения, иначе говоря, интенсивному га­зовыделению задолго до полного заряда батареи.

Таким образом, для создания необслуживаемых батарей необходимо заменить материал, применяемый при изготовлении решеток. В настоя­щее время для изготовления решеток применяются следующие материа­лы: свинцово-кальциево-оловянистый сплав; модифицированный свин-цово-сурьмянистый сплав с уменьшенным содержанием сурьмы; сплав с малым содержанием сурьмы и кадмия для положительных электродов и свинцово-кальциево-оловянистый сплав для отрицательных.

Исследования батарей с решетками из свинцово-кальциево-оловя-нистых сплавов показали их высокую чувствительность к глубоким раз­рядам. По этой причине были разработаны батареи, в которых решетки положительных электродов изготавливаются из свинца, легированного сурьмой (1, 25%) и кадмием (1, 5%), а решетки отрицательных — из свинцово-кальциево-оловянистого сплава.

Применение свинцово-кальциевых сплавов приводит к необходимо­сти изменения технологии производства, поэтому некоторые зарубеж­ные фирмы разработали технологию изготовления решеток с уменьшен­ным содержанием сурьмы и легирующими добавками. Батареи, собран­ные на этих решетках, получили название «малообслуживаемых» — их срок службы соответствует сроку службы обычных, но они не чувствительны к глубоким разрядам, а газовыделение в несколько раз меньше.

На рис. 4 представлена графическая иллюстрация скорости «выкипания» воды электролита в течение времени (t, ч)

функционирования на автомобилях батарей различных типов. По оси ординат отложен уровень электролита над верхними кромками пластин (H, %).

В необслуживаемых и малообслуживаемых батареях, помимо замены материала решеток, проведены следующие конструктивные измене­ния:

положительные электроды помещены в сепаратор — конверт;

блок электродов помещен на дно моноблока, тем самым увеличено количество электролита при сохранении габаритов батареи;

толщина электродов не превышает 1, 9 мм, что позволяет увеличить их количество, т. е. снизить удельные токи, не меняя габариты батареи;

применены: сепараторы с меньшим удельным сопротивлением и бо­лее тонкие;

соединение аккумуляторов осуществлено через перегородки моно­блока.

Сопротпиление батареи уменьшается за счет того, что удельное со-
противление решеток из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов, а также: малосурьмянистых сплавов меньше, чем у решеток из обычного

свинцово-сурьмянистого сплава.

Необслуживаемые батареи имеют следующие достоинства: лучшие пусковые качества (более высокое напряжение при неизменном токе); увеличенный срок службы; улучшенные зарядные характеристики; меньший саморазряд; уменьшение коррозии положительных электро­дов; отсутствие необходимости доливки воды в процессе эксплуатации.

Полностью необслуживаемые батареи выпускаются в герметичном исполнении. Они не имеют заливных горловин и оборудованы специ­альным индикатором заряженности. При достижении определенного минимального уровня заряженности меняется цвет индикатора.

К борнам крайних блоков решеток аккумуляторов привариваются конусные полюсные выводы (см. поз. 14 рис. 1 поз. 5, 5 рис. 2). На выводах пли рядом с ними на крышке отмечена полярность. В экс­плуатации необходимо полностью исключить возможность неправиль­ного включения батареи в систему электрооборудования и, кроме того, обеспечить унификацию этого узла. Поэтому размеры положительного отрицательного выводов стандартизированы и различны.

Конструкция и параметры каждой стартерной батареи должны удов­летворять соответствующим ГОСТам или техническим условиям; в соответствии с которыми производится маркировка батарей.

Первая цифра маркировки (3 или 6) характеризует число последовательно соединенных аккумуляторов (блоков пластин) в батарее, определяющее ее номинальное напряжение (6 или 12 В). Буквы СТ означают, что ба­тарея стартерная. Последующие цифры определяют номинальную ем­кость в 20 часовом режиме разряда, а буквы — материал моноблока (Э — эбонит, Т — термопласт, П — полиэтилен), материал сепарато­ров (М — мипласт, Р — мипор, П — пластипор, С — стекловолокно совместно с каким-либо из сепараторов) и исполнение (Н — несухоза-ряженная, А.— с общей крышкой). Например, батарея 6СТ-75ЭМ: номинальное напряжение 12 В, стартерная, емкостью в 20-часовом ре­жиме заряда — 75 А• ч, материал моноблока — эбонит, сепараторов — мипласт, исполнение — сухозаряженное.

Для некоторых специальных типов стартерных батарей в маркиров­ку вводятся дополнительные условные обозначения, указывающие, на­пример, на применение специального наружного металлического кар­каса (МК), определенного типа пластин и т. д.