СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ РАЗРЯЖЕННОСТИ СВИНЦОВОГО КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА
METHOD FOR DETERMINATION OF DISCHARGE DEGREE FOR LEAD-ACID BATTERY

Изобретение относится к химическим источникам тока и может быть использовано для определения степени разряженности свинцовых кислотных аккумуляторов при эксплуатации.
3
3
Известен способ определения степени разряженности свинцового кислотного аккумулятора (Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей: Учебник. - М.: Транспорт, 1989. - С.52-53), основанный на линейной зависимости уменьшения плотности электролита на величину, равную 0,16 г/см при изменении степени заряженности аккумулятора от 100% до нуля. При этом расчетная величина снижения емкости аккумулятора при падении плотности электролита на 0,01 г/см составляет ΔС=6, 25%.
уд
н
Известен также способ определения степени разряженности ΔC свинцового кислотного аккумулятора в процентах от номинальной емкости по величине снижения плотности электролита в нем (Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи: Руководство. - М.: Воениздат, 1983. - С.36-37, 72-73, Болотовский В.И., Вайсгант З.И. Эксплуатация, обслуживание и ремонт свинцовых аккумуляторов. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. С.114-121 и др.), заключающийся в том, что предварительно до начала испытаний определяют эмпирическую формулу, устанавливающую зависимость степени разряженности свинцового аккумулятора ΔC от изменения плотности электролита Δρ в нем при разряде, величины удельного показателя разряженности аккумулятора ΔC, температуры электролита t, номинальной емкости аккумулятора C
уд
н
3
в ходе испытаний измеряют плотность ρ и температуру электролита t в аккумуляторе и по уравнению (1) вычисляют степень разряженности аккумулятора. При этом значение удельного показателя разряженности аккумулятора ΔC принимают равным (5-6)% от номинальной емкости C при снижении плотности электролита на величину 0,01 г/см.
уд
3
Недостатком известных способов является отсутствие единого обоснованного показателя оценки степени разряженности аккумулятора по величине снижения плотности электролита в нем. В известных способах удельный показатель разряженности аккумулятора ΔC, равный потере емкости на (5-6)% или 6,25% от номинальной при снижении плотности электролита в нем на величину Δρ=0,01 г/см, рекомендуется применять ко всем типам автомобильных свинцовых кислотных аккумуляторных батарей, без учета их индивидуальных конструктивных особенностей, и, в частности, объема электролита в них, что сказывается на точности оценки фактической емкости свинцовых аккумуляторных батарей в эксплуатации.
эл.уд
На фиг.1 в таблице представлены результаты выполненных авторами расчетов значений величин удельных объемов электролита V для аккумуляторных батарей разных типов.
эл.уд
3
3
Анализ результатов расчетов показал, что для перечисленных типов свинцовых аккумуляторов значения удельных объемов электролита V изменяются в достаточно широком диапазоне от 10,19 см/(А·ч) до 12,25 см/(А·ч), что оказывает существенное влияние на количественные характеристики расхода кислоты из состава электролита аккумуляторов при разряде.
к уд
уд
На фиг.2 представлены графики изменения удельных показателей расхода кислоты m в свинцовых аккумуляторах разных типов при их разряде для принятых в существующей практике значений ΔC.
к уд
уд
к теор
к уд
уд
Графики 1, 2 изменения фактических удельных показателей расхода кислоты m, соответственно в аккумуляторах 6СТ-90 и 6СТ-190, построены для значения ΔC=5%. График 3 отражает зависимость теоретического электрохимического эквивалента расхода кислоты в аккумуляторе m от плотности электролита. Графики 4, 5, 6 изменения фактических удельных показателей расхода кислоты m, соответственно в аккумуляторах 6СТ-90, 6СТ-190 и 6МТС-9, построены для значения ΔС=6%.
к уд
к теор
эл
н
эл.уд
Анализ представленных зависимостей показывает, что значения фактического удельного расхода кислоты m при разряде свинцовых аккумуляторов близки к его теоретическому значению m=3,66 г/(А·ч) и изменяются для разных типов аккумуляторных батарей в пределах от 3,05 г/(А·ч) до 3,95 г/(А·ч). При этом отличия значений удельного расхода кислоты в зависимости от типа аккумулятора обусловлены в первую очередь разным количеством электролита в них V, в пересчете на единицу емкости аккумулятора C, которое можно оценить величиной удельного объема электролита аккумулятора V
эл.уд
эл
н
V=V/C.
Электролит аккумулятора представляет собой водный раствор серной кислоты, в связи с чем, каждому значению его плотности для конкретного объема при одинаковой температуре соответствует вполне конкретное соотношение по массе кислоты и воды.
Соотношения между значениями плотности электролита и процентным содержанием в нем серной кислоты установлены экспериментально и приводятся в справочных таблицах (Долецалек Ф. Теория свинцового аккумулятора. - Л. - М.: ОНТИ, 1934, - с.155).
к
В связи с этим не представляет труда рассчитать количество серной кислоты m, соответствующее плотности электролита, для любого аккумулятора при его разряде по зависимости
к
эл. аб
эл
к
m=V·ρ·К, г
эл. аб
3
где V - объем электролита в одном аккумуляторе батареи, см;
эл
3
ρ - замеренная плотность электролита в аккумуляторе, приведенная к 25°C, г/см;
к
К - коэффициент, соответствующий весовому проценту содержания кислоты в объеме электролита заданной плотности (определяется по справочным таблицам).
уд
3
Зная количество кислоты в электролите заданной плотности и принимая тот факт, что при снижении плотности электролита в процессе разряда аккумулятора на величину, равную Δρ=0,01 г/см, его емкость снижается на (5-6)% от номинального значения, не представляет труда определить удельный показатель расхода кислоты в пересчете на 1(А·ч) отдаваемой емкости:
к уд
к 1,2
1,2
m=Δm/ΔС или
к уд
к 1,2
уд
ном
с
1,2
m=Δm·ρ/(С·К·Δρ), г/(А·ч),
1,2
где ΔC - величина изменения емкости аккумулятора при его разряде, А·ч;
к 1,2
Δm - изменение количества кислоты в электролите при разряде аккумулятора, г;
с
уд
3
К - коэффициент, учитывающий относительную величину снижения емкости аккумулятора от номинального значения при снижении плотности электролита в нем на величину Δρ=0,01 г/см.
к уд
эл уд
На фиг.3 представлены зависимости изменения величины удельного расхода кислоты Δm от величины удельного объема электролита в аккумуляторе V.
уд
с
уд
с
уд
3
График 1 построен при условии использования величины удельного показателя разряженности аккумулятора ΔC,=5% от номинальной емкости (К=0,05), а график 2 - при ΔC,=6% от номинальной емкости (К=0,06), при снижении плотности электролита в нем на величину Δρ=0,01 г/см, рекомендуемых в известных способах.
эл уд
к уд
к уд
Характер изменения зависимостей 1 и 2 показывает, что при возрастании значения удельного объема электролита в аккумуляторе V увеличивается и удельный расход кислоты m в нем. Вместе с тем, природа токообразующих процессов в аккумуляторах одинакова, в связи с чем и величина удельного расхода кислоты m в них должна быть также одинаковой.
к теор
к уд
уд
эл.уд
3
Учитывая, что значение теоретического электрохимического эквивалента расхода кислоты в аккумуляторе m=3,66 г/(А·ч) занимает промежуточное положение между значениями удельных расходов кислоты m, рассчитанных при условии потери емкости аккумулятором на 5% или 6% при снижении плотности электролита в нем в процессе разряда на величину Δρ=0,01 г/см (фиг.2), представляется возможным, взяв его за исходный удельный универсальный показатель, связать с показателями, имеющими место в свинцовых аккумуляторах различных типов, отличающихся конструктивными особенностями, и, в первую очередь, удельным объемом электролита V, приходящимся на единицу номинальной емкости аккумулятора.
н
н
Для этих целей можно использовать зависимость определения объема электролита V, необходимого для получения заданной номинальной емкости С аккумулятора, предложенную М.А.Дасояном (Дасоян М.А., Агуф И.А. Основы расчета свинцового аккумулятора. - Л.: Энергия, 1978, С.28), которая составлена при условии протекания в аккумуляторе токообразующего процесса по механизму теории двойной сульфатации
к
3
где ρ - плотность электролита в разряженном аккумуляторе, г/см;
н
3
ρ - плотность электролита в заряженном аккумуляторе, г/см.
Преобразовав данное выражение, получим
уд min
3
где V - удельный минимальный объем электролита, теоретически достаточный для получения 1А·ч емкости от аккумулятора, см/(А·ч).
н
н
к
к
н
н
ном
3
3
Величина V зависит от значений плотности электролита ρ и ρ. Так, при условии ограничения ρ значением 1,05 г/см для аккумулятора, плотность электролита в котором в заряженном состоянии ρ=1,28 г/см, величина V≈8,4 C.
уд min
н
3
Из этого следует, что теоретический удельный минимальный объем электролита, достаточный для обеспечения 1А·ч емкости аккумулятором, составит V=8,4 см/(А·ч) для принятого значения ρ.
к
min
уд
3
В этом случае, используя значения К из таблицы содержания кислоты в растворах электролитов различной плотности, представляется возможным определить значение теоретического удельного показателя разряженности свинцового аккумулятора ΔC, при снижении плотности электролита в нем на величину Δρ=0,01 г/см.
эл.уд
уд min
min
3
Так, для аккумуляторных батарей, значение удельного объема электролита в которых равно V.=V=8,4 см/(А·ч), значение теоретического удельного показателя разряженности свинцового аккумулятора ΔC составит 4,2%.
уд
Тогда расчетную величину фактического показателя разряженности аккумулятора любого типа ΔC можно определить по зависимости
уд
min
v
ΔС=ΔС·K, %,
V
эл.уд
уд min
где К=V/V - коэффициент, определяющий соотношение между значениями фактического и минимального удельных объемов электролита в аккумуляторах.
уд
эл уд
н
уд
3
Следует отметить, что полученная зависимость ΔС от V, рассчитанная для начальной плотности электролита ρ=1,28 г/см, остается справедливой и для других значений начальной плотности электролита в аккумуляторе, в связи с чем, может быть применена для оценки фактического значения показателя разряженности ΔC свинцового кислотного аккумулятора любого типа.
уд
эл.уд
уд
эл.уд
На фиг.4 представлен график изменения удельного показателя разряженности ΔC, в зависимости от величины удельного объема электролита в аккумуляторе V. Его анализ показывает, что величина фактического показателя разряженности аккумулятора ΔC, в аккумуляторах разных типов, возрастает при увеличении величины удельного объема электролита в аккумуляторе V., в связи с чем, это необходимо учитывать при оценке степени разряженности аккумулятора при эксплуатации.
Технический результат направлен на повышение точности оценки степени разряженности свинцового кислотного аккумулятора в эксплуатации.
уд
н
Технический результат достигается тем, что в способе определения степени разряженности свинцового кислотного аккумулятора по величине снижения плотности электролита в нем, заключающемся в том, что предварительно до начала испытаний определяют эмпирическую формулу (1), устанавливающую зависимость степени разряженности свинцового аккумулятора ΔC от изменения плотности электролита Δρ в нем при разряде, величины удельного показателя разряженности аккумулятора ΔC, температуры электролита t, номинальной емкости аккумулятора С
уд
н
ΔC = f(Δρ, ΔC, t, C),
уд
уд min
в ходе испытаний измеряют плотность ρ и температуру электролита t в аккумуляторе и по уравнению (1) вычисляют степень разряженности аккумулятора, при этом дополнительно до начала испытаний определяют эмпирическую формулу, устанавливающую с учетом индивидуальных характеристик испытуемого свинцового аккумулятора зависимость величины удельного показателя его разряженности ΔC от величины теоретического удельного показателя разряженности свинцового аккумулятора ΔC
v
эл уд
уд min
поправочный коэффициент К на индивидуальные характеристики испытуемого аккумулятора, устанавливающий соотношение между значениями фактического удельного объема электролита в нем V и теоретического минимального удельного объема электролита в свинцовом аккумуляторе V
на основании которых по уравнению (1) определяют степень разряженности ΔC испытуемого свинцового аккумулятора.
уд
уд min
Отличительным признаком предлагаемого способа является то, что с целью повышения точности определения степени разряженности аккумулятора за счет учета влияния фактического объема электролита в нем, дополнительно до начала испытаний определяют эмпирическую формулу, устанавливающую с учетом индивидуальных характеристик испытуемого свинцового аккумулятора зависимость изменения удельного показателя его разряженности ΔC от величины теоретического удельного показателя разряженности свинцового аккумулятора ΔC
уд
уд min
v
ΔС=ΔС·K,
v
эл уд
уд min
поправочный коэффициент К на индивидуальные характеристики испытуемого аккумулятора, устанавливающий соотношение между значениями фактического удельного объема электролита в нем V и теоретического минимального удельного объема электролита в свинцовом аккумуляторе V
v
эл уд
уд min
K=V/V,
на основании которых по уравнению (1) определяют степень разряженности ΔC испытуемого свинцового аккумулятора.
Предлагаемый способ более совершенен по сравнению с известными, так как позволяет повысить точность оценки степени разряженности батареи в эксплуатации за счет возможности учета влияния фактического объема электролита в батареях разных типов на фактическую величину показателя разряженности аккумулятора.
Пример.
3
Так, в соответствии с руководством (Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи: Руководство. - М.: Воениздат, 1983) для оценки степени разряженности ΔC аккумуляторных батарей всех типов в эксплуатации известным способом рекомендуется считать, что снижение плотности электролита в аккумуляторах на Δρ=0,04 г/см по сравнению с плотностью электролита полностью заряженной батареи соответствует разряженности аккумуляторной батареи на ΔC=25%.
эл.уд
3
3
В то же время, в случае оценки степени разряженности по предлагаемому способу, например, аккумуляторной батареи 6СТ-140, величина удельного объема электролита в которой равна V=9,52 см/(А·ч), степень фактической разряженности аккумулятора ΔC при снижении плотности электролита в нем относительно плотности электролита заряженного аккумулятора на величину Δρ=0,04 г/см составит
уд
уд
уд
уд min
v
ΔC=Δρ/Δρ·ΔC=Δρ/Δρ·ΔС·K=
уд
уд min
эл.уд
уд min
=Δρ/Δρ·ΔС·V/V=0,04/0,01·4,2·9,52/8,4=19 (%),
эл.уд
3
3
а для аккумуляторной батареи 6СТ-68, величина удельного объема электролита в которой равна V=12,25 см/(А·ч), степень фактической разряженности аккумулятора ΔC при снижении плотности электролита в нем относительно плотности электролита заряженного аккумулятора на величину Δρ=0,04 г/см составит ΔC=0,04/0,01·4,2·12,25/8,4=24,5 (%), что свидетельствует о повышении точности оценки фактической степени разряженности ΔC свинцового аккумулятора в эксплуатации с учетом его конструктивных особенностей и, в частности, объема электролита.