К вопросу поддержания пожарного автомобиля в оперативной готовности автоматической зарядкой аккумуляторной батареи

БЕЗОПАСНОСТЬ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ И ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ

К ВОПРОСУ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОЖАРНОГО АВТОМОБИЛЯ В ОПЕРАТИВНОЙ ГОТОВНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАРЯДКОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

А.И. Преснов, кандидат технических наук, доцент; А. В. Данилевич.

Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России. А.А. Алёшкин.

ООО «АК Бустер», Санкт-Петербург

Рассмотрены проблемные вопросы разработки комплексной системы поддержания пожарного автомобиля в оперативной готовности. Описан разработанный ООО «АК Бустер» технический комплекс по повышению и поддержанию оперативной готовности транспортного средства, осуществляющий автоматизированный трёхступенчатый заряд свинцово-кислотных стартерных батарей и результаты исследования степени заряженности аккумуляторных батарей. Обосновывается возможность применения данного технического комплекса для зарядки аккумуляторных батарей в гараже пожарного депо с целью поддержания оперативной готовности пожарных автомобилей.

Ключевые слова: пожарный автомобиль, аккумуляторная батарея, ступенчатый метод заряда, напряжение, ток заряда, ток обмена

TO THE MAINTENANCE OF THE FIRE TRUCK IN OPERATIONAL READINESS WITH AN AUTOMATIC BATTERY CHARGING

A.I. Presnov; A.V. Danilevich.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia. А. А. Aleshkin. Booster Ltd, Saint-Petersburg

The problematic issues of the development of an integrated system of fire engine maintenance operational readiness were considered. AK Buster, Ltd Technical complex of improvements and maintaintenance of the vehicle operational readiness carrying out an automated three-step charge lead-acid starter accumulators and the results of the research of accumulators charge was described. The possibility using of the technology complex for charging accumulators in the garage of fire station in order to maintain the operational readiness of fire engines is proved.

Keywords: fire engine, battery, step charge method, voltage, charge current, current sharing

На современном этапе пожарные автомобили (ПА) были и остаются основными техническими средствами, обеспечивающими действия по ликвидации пожаров и аварий. Особенности эксплуатации ПА сопряжены с необходимостью поддержания их в состоянии оперативной готовности.

В публикации [1] рассмотрена техническая организация комплексной системы поддержания ПА в оперативной готовности, которая структурно представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структура комплексной системы поддержания ПА в оперативной готовности

Современный ПА оборудован специальными электрическими и электронными системами, запитанными от бортовой электросети шасси, где источником питания служат свинцовые аккумуляторные батареи. Поэтому основа данной комплексной системы -технические устройства, позволяющие обеспечивать поддержание полной заряженности аккумуляторных стартерных батарей ПА при их гаражной стоянке.

Однако применение обычных зарядных устройств в условиях пожарных депо невозможно по причине того, что они работают при напряжении 14,4 В, при котором на поверхности пластин начинается процесс интенсивного газообразования, приводящий к образованию «гремучей смеси» (смесь водорода и кислорода) и вероятности возникновения взрыва и разрушения аккумуляторной батареи (АКБ). Поэтому заряд АКБ разрешается только в помещениях с приточно-вытяжной вентиляцией. В соответствии с этим Приказ Министерства труда и социальной защиты Российской Федерации от 23 декабря 2014 г. № 1100н «Об утверждении Правил по охране труда в подразделениях федеральной противопожарной службы Государственной противопожарной службы» запрещает производить зарядку АКБ в помещении гаража пожарного депо.

Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные, согласно [2], классифицируются по видам:

- батареи открытые (с жидким электролитом) - батарея, имеющая общую крышку с одним или несколькими вентиляционными отверстиями, через которые могут выделяться газообразные продукты;

- батареи с регулирующим клапаном (с газовой рекомбинацией) - батарея, у которой при нормальных условиях работы клапан закрыт, но устройство которого позволяет выделяться газу при превышении заранее установленного значения внутреннего давления. В батарею нельзя доливать воду или электролит. В батареях этого типа электролит находится в связанном состоянии.

В соответствии с работой [2] батарея считается полностью заряженной, если она подверглась заряду одним из приведенных ниже методов при температуре (25±10) °С.

Для открытых батарей:

1. Заряд при постоянной величине тока (одноступенчатый метод). Батареи должны заряжаться при постоянной величине тока 2*120 до стабилизации напряжения, если в результате трех последовательных измерений с интервалом 15 мин напряжение или плотность электролита, в зависимости от температуры батареи, остаются неизменными. 120 - это ток, который батарея способна отдать во внешнюю цепь в течение 20 ч до снижения напряжения на выводах 12-Вольтовой батареи 10,2 В. Величина тока при 20 часовом разряде численно равна 0,05 от номинальной емкости С20.

2. Заряд при постоянном напряжении и постоянной величине тока (двухступенчатый метод).

а) I - ступень - заряд при постоянном напряжении изар в течение 20 ч с ограничением

максимального тока до 5120, причем постоянное напряжение устанавливают в зависимости от расхода воды в батарее (в процессе испытаний циклированием):

- нормальный расход воды изар =(14,80±0,10) В;

- малый расход воды изар =(15,20±0,10) В;

- очень малый расход воды изар =(16,00±0,10) В.

б) II - ступень - заряд при постоянной величине тока 120 в течение 4 ч.

Для батареи с регулирующим клапаном:

1. Заряд при постоянной величине тока (двухступенчатый метод).

а) I - ступень - заряд при постоянной величине тока 2120 до напряжения иЗар = 14,40 В;

б) II - ступень - заряд при постоянной величине тока Ь0 в течение 4 ч.

2. Заряд при постоянном напряжении и постоянной величине тока (двухступенчатый метод).

а) I - ступень - заряд при постоянном напряжении изар = (14,40 ± 0,10) В в течение

20 ч с ограничением максимального тока 5!20;

б) II - ступень - заряд при постоянной величине тока 0,5!20 в течение 4 ч.

При эксплуатации батареи на автомобиле её заряд происходит при постоянном напряжении. Производители автомобилей по согласованию с разработчиками батарей, как правило, устанавливают уровень зарядного напряжения 14,1±0,2 В, что ниже напряжения интенсивного газовыделения.

С понижением температуры эффективность заряда при постоянном напряжении уменьшается. Поэтому АКБ на автомобиле не всегда восстанавливает свою ёмкость после разряда. Обычно степень заряженности батареи зимой составляет 70-75 %, если напряжение на клеммах батареи находится в интервале 13,9-14,3 В при работающем двигателе и включенном дальнем свете.

Поэтому для повышения оперативной готовности автомобиля, особенно в тяжелых условиях зимы (при низких температурах, частых и длительных пусках холодного двигателя и коротких пробегах), целесообразно периодически производить заряд АКБ от стационарного зарядного устройства и при положительной температуре.

Для обеспечения полной заряженности АКБ автомобилей на гаражных стоянках специалистами ООО «АК Бустер» (Санкт-Петербург) разработан технический комплекс по повышению и поддержанию оперативной готовности транспортного средства («ТК ПОГ-ТС»), предназначенный для оперативного контроля состояния батареи транспортного средства и повышения работоспособности и поддержания оперативной готовности транспортного средства при гаражной стоянке.

«ТК ПОГ-ТС» состоит из:

- системы поддержания в оперативной готовности свинцово-кислотных стартерных батарей «Капель-2»;

- системы экспресс-диагностики свинцовых батарей - анализатор «Интеграл-2»;

- анализатора «ЭДА».

Вариант применения данного комплекса для повышения оперативной готовности пожарной автолестницы на шасси автомобиля АЛ-30(131)Л-21 представлен на рис. 2.

Основой «Капель-2» служит автоматическое универсальное зарядное устройство АУЗУ-5А-12/24В, которое осуществляет автоматизированный трёхступенчатый заряд свинцово-кислотных стартерных батарей.

На первой ступени происходит заряд батареи постоянным током до достижения величины напряжения 14,4 В на выводах 12 Вольтовой батареи. При достижении верхнего предела напряжения 14,4 В заряд продолжается при постоянном напряжении 14,4 В падающим током, величина которого соответствует способности активной массы электродов принимать заряд.

При снижении величины тока заряда до 1 А зарядное устройство переходит на третью безопасную ступень - компенсационную (заряд при постоянном напряжении икомп=13,38 В), предназначенную для достижения полного заряда, компенсации тока саморазряда, обеспечения электропитанием электрооборудования транспортного средства во время его бездействия.

Рис. 2. Системы поддержания в оперативной готовности свинцово-кислотных стартерных

батарей «Капель-2»

Проверка режима заряда, реализованного в системе «Капель-2», проводилась на стартерных батареях торговой марки «ПОДОЛЬСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ» типов: 6СТ-55 (12 В; 55 Ач; 420 А ССА), 6СТ90 (12 В; 90 Ач; 670 А ССА) и 6СТ190 (12 В; 190 Ач; 1150 А ССА). Измерение эксплуатационных параметров батарей перед постановкой на заряд проводились анализатором «ЭДА» типа КПП-РЬ-12В-300Ач. Результаты измерений приведены в табл. 1.

Таблица 1. Эксплуатационные параметры аккумуляторов при Т=23 °С

Тип Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ), В Степень заряжен-ности 80С, % Ёмкость Одост, Ач Ток холодной прокрутки 1хп, (ССА), А Rом, мОм Плотность электролита рэл, г/см3

расчётная (анализатором «ЭДА») измеренная ареометром

6СТ55 12,93 98 55 315 7,6 1,295 1,31

6СТ90 12,98 100 91 516 3,9 1,305 1,31

6СТ190 12,86 95 175 940 3,03 1,290 1,31

В равновесном состоянии электрохимической системы свинцового аккумулятора на границе электрод-электролит существуют два тока: ток обмена 1о и ток саморазряда батареи 1самор.

Расчёт потери ёмкости в сутки проводился по формуле:

ло

самор

' Ач л

V

сутк.

Лд

У

Он. 100

где Он - номинальная ёмкость батареи, Ач; Лд - среднесуточный саморазряд, %/сут.

(значения Лд определялись на основании результатов испытаний ОАО «НИИСТА»

(г. Подольск) [3]);

ток саморазряда по формуле:

1 самор А = 3600ЛОсамор =ло

самор

24ч *3600с 24ч

Значения среднесуточного саморазряда и среднего значения тока саморазряда приведены в табл. 2.

Таблица 2. Среднесуточный саморазряд АКБ

Тип батареи Состояние батареи Потеря ёмкости в сутки, Л О сам оР Ач Среднесуточный саморазряд, ( % ^ Л % Лд - V сутк. У Средний ток т самор саморазряда, I , мА

для батареи на 100 Ач

6СТ55 новая 0,08 0,15 3,44 6,25

в середине срока службы 0,22 0,4 9,17 16,67

в конце срока службы 0,39 0,75 16,04 29,17

6СТ90 новая 0,14 0,15 5,63 6,25

в середине срока службы 0,36 0,4 15,00 16,67

в конце срока службы 0,63 0,75 26,25 29,17

6СТ190 новая 0,29 0,15 11,88 6,25

в середине срока службы 0,76 0,4 31,67 16,67

в конце срока службы 1,33 0,75 55,42 29,17

Расчёт тока обмена ^ на поверхности отрицательного электрода в равновесном состоянии электрохимической системы в среде 5М И2504, плотности электролита

р — 1,28 \—т I производился по формуле:

см

10 = ) 5,

где ] - плотность тока обмена [4]; ^ 5 представлена в табл. 3.

Таблица 3. Геометрические размеры пластин аккумуляторных батарей

Тип батареи Кол-во (+) пластин, шт. Кол-во (-) пластин, шт. Одност. §(-), см2 Число однст., 8(-) шт. 2 см Порист., % Ев(-), 2 см

6СТ55 6 7 170 12 2040 50 3060

6СТ90 7 7 191 12 2292 50 3438

6СТ190 14 15 191 28 5348 50 8022

Результирующий ток обмена, протекающий на поверхности отрицательного электрода при заряде икомп=13,38 В и п=0,4 В, рассчитывается по формуле [5]:

I

г

зар

0

г

V

КТзм

-а?

ИТ

_ 0 изм

(1_а)? ^

У

где Я=8,3145, Дж моль-1 град-1 (универсальная газовая постоянная); Тизм - температура

электролита, К; 2=2 - величина заряда иона; Б=96 485, Кл моль-1 (число Фарадея); 1зар, А - амплитудное значение тока заряда; п - значение отклонения напряжения на выводах батареи от равновесного значения при заряде; а=0,5 - коэффициент симметрии.

В табл. 4 приведены рассчитанные по формуле (1) значения результирующего тока обмена на поверхности отрицательного электрода и измеренные экспериментально значения тока заряда при постоянном напряжении 13,38 В.

На рис. 3, 4 показана зависимость изменения тока заряда от времени при заряде постоянным напряжением 13,38+0,01 В на третьей ступени заряда.

На основании данных, представленных в табл. 2, 4 и на рис. 3, 4, очевидно, что через 43 ч заряда:

1. Величина тока заряда на третьей ступени (компенсационный заряд, заряд при постоянном напряжении икомп=3,38 В) уменьшилась более чем в 13 раз с 1 000 мА до 75 мА; ток на поверхности электрода так же уменьшается более чем в 13 раз с 522,56 мА до 38,67 мА.

2. Значение тока заряда на третьей ступени соизмеримо с током саморазряда батареи в конце срока службы и незначительно превышает ток утечки (саморазряда) для новой батареи.

3. Значения тока заряда батареи на третьей ступени заряда и результирующее значение тока обмена на поверхности электрода менее расчётного значения тока обмена

на поверхности электрода в равновесном состоянии электрохимической системы, что позволяет утверждать, что не более чем через 24 ч на 3 ступени заряда батарея выходит в равновесное состояние, безопасное для эксплуатации.

Таблица 4. Значения токов АКБ

Тип батареи Расчётный ток обмена на поверхности отрицательного электрода, 10 мА Измеренный ток заряда при заряде постоянным напряжением 13,38 В (отклонение 0,4 В), мА Результирующий ток обмена на поверхности отрицательного электрода при заряде постоянным напряжением 13,38 В (отклонение 0,4 В), 10(рез) мА

а первой секунде заряда

6СТ55 15,3 1 000 522,56

6СТ90 17,2 1 000 522,56

6СТ190 40,1 1 000 522,56

После двух часов заряда

6СТ55 15,3 63 32,92

6СТ90 17,2 82 42,85

6СТ190 40,1 313 165,13

После трёх часов заряда

6СТ55 15,3 50 26,13

6СТ90 17,2 69 36,06

6СТ190 40,1 173 90,40

После 43 ч заряда

6СТ55 15,3 11 5,75

6СТ90 17,2 31 16,20

6СТ190 40,1 75 38,67

Рис. 3. Зависимость изменения тока заряда от времени

Зависимость изменения тока заряда от времени |Щ

Ток заряда, мА

90

6СТ190

6СТ90

6СТ55

80 70 60 50 40 30 20 10

^ ¿^ ^ ^ ^ ¿^ ^ ¿Р

& & & & лУ .Р & & &

рР З РР РР РРР со Р Р да т Р Р

V

У

Время заряда X ч.мин.с

Рис. 4. Зависимость изменения тока заряда от времени

В результате проведённого исследования можно сделать следующие выводы:

1. Использовать серийно выпускаемые зарядные устройства для заряда батареи непосредственно на машиноместе автотранспортного средства недопустимо, так как в них заряд проводиться до напряжения изар> 14,40 В (при напряжении 14,4 В и выше при достижении приближения к состоянию полного заряда активных масс на поверхностях пластин начинается процесс газообразования).

2. Диапазон напряжения генератора транспортного средства находится в интервале 13,9-14,3 В, что не позволяет обеспечить полную зарядку АКБ, особенно в зимний период эксплуатации.

3. Автоматическое универсальное зарядное устройство АУЗУ-5А-12/24В в зависимости от степени заряженности АКБ не более чем через 24 ч на 3 ступени заряда выходит в равновесное состояние, безопасное для батареи, что позволяет рассмотреть возможность использования данной системы для зарядки АКБ в гараже пожарного депо.

ТК ПОГ-ТС прошёл ведомственные испытания в условиях холодного климата на базе 1 ПЧ ФГКУ «1 отряд ФПС по Мурманской области». Результаты испытания положительные. С 2012 г. данный комплекс эксплуатируется для поддержания в оперативной готовности свинцово-кислотных стартерных батарей пожарных автоцистерн 24 ПЧ ФГКУ «17 отряд ФПС по Санкт-Петербургу».

Литература

1. ГОСТ Р 53165-2008. Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия // StandartG0ST.ru (дата обращения: 05.05.2016).

2. Системный подход к проблеме повышения оперативной готовности пожарных автомобилей / М.В. Савин [и др.] // Пожарная безопасность. 2015. № 2. С. 102-106.

3. Курзуков Н.И., Ягнятинский В.М. Автомобильные аккумуляторные батареи. Основы устройства и практики эксплуатации. М.: Изд-во «Русские аккумуляторы», 2011. 26 с.

4. Сухотин А.М. Справочник по электрохимии. Л.: Химия, 1981. 176 с.

5. Эткинс П. Физическая химия. М.: МИР, 1980. 535 с.

References

1. GOST R 53165-2008. Batarei akkumuljatornye svincovye starternye dlja avtotraktornoj tehniki. Obshhie tehnicheskie uslovija // StandartGOST.ru (data obrashhenija: 05.05.2016).

2. Sistemnyj podhod k probleme povyshenija operativnoj gotovnosti pozharnyh avtomobilej / M.V. Savin [i dr.] // Pozharnaja bezopasnost'. 2015. № 2. S. 102-106.

3. Kurzukov N.I., Jagnjatinskij V.M. Avtomobil'nye akkumuljatornye batarei. Osnovy ustrojstva i praktiki jekspluatacii. M.: Izd-vo «Russkie akkumuljatory», 2011. 26 s.

4. Suhotin A.M. Spravochnik po jelektrohimii. L.: Himija, 1981. 176 s.

5. Jetkins P. Fizicheskaja himija. M.: MIR, 1980. 535 s.