Методика расчета количества электролита, участвующего в токообразующих реакциях аккумуляторных батарей

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 621.355.2

МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЛИТА,

УЧАСТВУЮЩЕГО В ТОКООБРАЗУЮЩИХ РЕАКЦИЯХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

А. А. Постников, В.Ю. Гумелев

Затрагивается проблема расчета объема электролита, участвующего в то-кообразующих реакциях при разряде аккумуляторных батарей. Уточнения, введенные авторами в существующую методику, позволяют добиться более точных результатов при расчете самого важного параметра - емкости аккумуляторных батарей. Предложенная методика может быть применена при построении методов экспресс-контроля технического состояния аккумуляторных батарей и моделировании их разряда.

Ключевые слова: электролит, объем электролита, плотность электролита

В свинцовых батареях электролитом является водный раствор серной кислоты, плотность которого в зависимости от условий эксплуатации,

изменяется от 1,22 до 1,31 г/см3 . Запас электролита необходимой плотности должен полностью обеспечить необходимое количество кислоты для разряда активных масс аккумуляторных электродов [1]. При моделировании разряда батареи часто используют величину внутреннего сопротивления, так как она довольно точно характеризует состояние батареи [2]. Электропроводность батареи обратно пропорциональна внутреннему сопротивлению. По данным авторов [3], при полном разряде батареи электропроводность электролита уменьшается почти в 2,5 раза. Зависимость удельной электропроводности электролита от его плотности имеет сложный нелинейный характер. С ростом плотности увеличивается

и электропроводность, достигая максимума 0,72 Ом-1 • см-1 при плотности

электролита 1,22 г/см3 (t = 25 °С), а затем уменьшаясь.

При разряде батарей расходуется активное вещество, в том числе серная кислота, и объем электролита уменьшается. Количественная оценка объема электролита представляет значительный интерес при моделирова-

368

нии разряда батарей, однако расчет, приведенный в литературе [4], не учитывает электролит, находящийся между сепараторами и электродами, в связи с чем требует некоторого уточнения.

Общий объем электролита Уобщ предлагается определять по выражению

Уобщ = к

где к - количество аккумуляторов в батарее, штук; Упа - суммарный объем пор в активных массах, см ; Ус - объем электролита в сепараторе,

3 3

см ; Усв - свободный объем электролита, см .

В отличие от методики расчета объема электролита, изложенной в литературе [4], выражение (1) учитывает количество аккумуляторов в батарее и объем электролита, содержащийся в порах сепаратора.

Обозначив7+ и у- пористость активной массы положительного и отрицательного электродов соответственно, %;п+- число положительных

пластин, штук; т+ и т-- массу токоведущих частей положительного и отрицательного электродов, г; dспл - плотность сплава, г/см ; авторы [4] находят Упа по выражению

\ / _ л

~

Упа = 7+ п+

аспл

+ 7-

У

к\8_-- тт

а,

у спл у

где к и I - высота и длина пластины, мм; 3+ и 3-- толщина положительного и отрицательного электродов соответственно, мм.

Промышленностью выпускаются различные типы сепараторов, основное предназначение которых - защита разноименных пластин от короткого замыкания. В то же время сепаратор должен обладать высокой пористостью, в противном случае он не сможет обеспечить необходимую скорость движения ионов, участвующих в токообразующих реакциях [2, 5, 6].

В своих расчетах [4] авторы пользовались величиной, характеризующей расстояние между разноименными пластинами, предполагая, что она определяется толщиной сепараторов. Это вызывает некоторые противоречия, если в батарее используются сепараторы, например, из мипора или мипласта, так как они с одной из сторон имеют ребра, обеспечивающие свободный доступ свежего (не участвовавшего в реакции) электролита. Таким образом, количество свободного электролита будет немногим больше, чем в расчетах, приведенных в литературе [4].

Для расчета объема электролита Ус, находящегося в порах сепаратора, авторами предложено выражение

Ус @ Шстп+7с,

где 3ст - толщина сепаратора по телу, мм; ус - пористость сепаратора, %.

Ввиду незначительности величиной объема ребер сепаратора по отношению к объему его тела можно пренебречь.

Устаревшие конструкции батарей имеют внутри аккумуляторного бака опорные призмы. Производство таких батарей в настоящее время сведено к минимуму, однако они все еще встречаются в эксплуатации, особенно в Вооруженных силах Российской Федерации. Пространство между призмами предназначено для накапливания осадка - шлама, образующегося во время эксплуатации из-за оплывания частиц активной массы положительных пластин, что впоследствии приводит к замыканию нижних кромок разноименных пластин, и работоспособность аккумулятора утрачивается. Электролит в шламовом пространстве не участвует в токообра-зующих реакциях. В более современных конструкциях батарей один из электродов помещается в сепаратор-конверт, и необходимость в опорных призмах отпадает.

Для расчета Усв авторами предлагается формула, учитывающая количество свободного электролита, находящегося между телами сепараторов и электродами:

Усв _ ЬО

где Ь и О - соответственно длина и ширина аккумуляторного бака (внутренние размеры), мм; Н - высота уровня электролита перед разрядом, мм; 8 - высота опорных призм, мм; Sср -толщина сепаратора по ребру, мм.

По данным авторов работы [4], при начальной (1,28 г/см ) и конечной (1,05 г/см ) плотности электролита на 1А-ч снятой емкости требуется 8,43 см электролита. Данное значение рассчитано по выражению

@ (2,988 - dк)<2

ктт — ИИ ' н к

где Ут^п - минимально необходимый объем электролита для требуемой

емкости Q, см ; Q - емкость батареи, А • ч; Ин, Ик -начальная и конечная

3

плотности электролита при разряде батареи, г/см .

Следовательно, при полном разряде батареи емкостью Q уровень электролита в батарее уменьшится на величину Ут^п. Тогда для полностью разряженной батареи можно записать

Укр = к

где Укр - объем электролита в конце разряда, см . Подставив (5) в выражение (6), выразим Q

_

Получим систему уравнений, описывающую зависимость емкости батареи от ряда конструктивных и эксплуатационных параметров

Q

Vna = g+n+

f + ^ m

hlS+-JmT

v

d

спл

+ g-

J

m

hlô mT

d

спл

Vc @ hldcxn+gc,

VcB = LD ( H - h - s ) + lhn+(dcp - dCT ).

Таким образом, количество участвующего в токообразующих реакциях электролита имеет важное значение и может с достаточной точностью применяться для моделирования разряда батарей. Чем больше начальная плотность электролита, тем меньшее его количество необходимо для обеспечения требуемой емкости батареи.

Рассмотренные уточнения позволяют осуществлять более точный расчет объема электролита в батареях с различными типами сепараторов как на этапе проектирования, так и в процессе эксплуатации. Предлагаемая методика может быть использована при разработке методов экспресс-контроля технического состояния аккумуляторных батарей и расчете такого важного параметра, как емкость батареи.

Список литературы

1. Химические источники тока: справочник / под ред. Н.В. Коровина и А.М. Скундина. М.: Изд-во МЭИ, 2003. 740 с.

2. Linden's handbook of batteries. 4 the ed. Edited by T. B. Reddy. Toronto: McGraw-Hill, 2010. 1457 p.

3. Курзуков Н.И., Ягнятинский В.М. Аккумуляторные батареи. Краткий справочник. М.: OOO «Книжное издательство «За рулем», 2008. 88 с.

4. Дасоян М.А., Агуф И. А. Основы расчета, конструирования и технологии производства свинцовых аккумуляторов. Л.: Энергия, 1978. 152 с.

5. Лебедев С. А. Формирование требований и разработка модульных химических источников тока для военной техники: монография. Рязань: РВАИ, 2010. 216 с.

6. Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи: руководство. М.: Воениздат, 1983. 170 с.

<

Постников Александр Александрович, адъюнкт, aapostnikov@,mail. ru, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище им. генерала армии В. Ф. Маргелова,

Гумелев Василий Юрьевич, канд. техн. наук, научный сотрудник, gumelev-vu@mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище им. генерала армии В. Ф. Маргелова

METHOD OF CALCULATION OF THE QUANTITY OF ELECTROLYTE, PARTICIPA TING IN CURRENT REACTIONS OF ACCUMULA TORY BA TTERIES

A.A. Postnikov, V. Yu. Gumilev

The article touches upon the problem of calculating the volume of electrolyte participating in current-forming reactions in the discharge of accumulator batteries. The refinements introduced by the authors in the existing methodology make it possible to achieve more accurate results when calculating the most important parameter - the capacity of the battery banks. The proposed technique can be applied in the construction of methods for rapid monitoring of the technical condition of batteries.

Key words: electrolyte, electrolyte volume, electrolyte density.

Postnikov Alexander Alexandrovich, adjunct, aapostnikov@,mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan Higher Airborne Command School named after general of the army V.F. Margelov,

Gumelev Vasily Yurievich, candidate of technical sciences, research associate, gu-melevviiamail.ru, Russia, Ryazan, Ryazan Higher Airborne Command School named after general of the army V.F. Margelov