Способ определения степени разряженности свинцового кислотного аккумулятора

Изобретение относится к химическим источникам тока и может быть использовано для определения степени разряженности свинцовых кислотных аккумуляторов (СКА) при эксплуатации. Техническим результатом изобретения является повышение точности оценки степени разряженности СКА в эксплуатации. Согласно изобретению способ определения степени разряженности СКА заключается в том, что предварительно до начала испытаний определяют эмпирическую формулу, устанавливающую функциональную зависимость степени разряженности СКА ΔС от изменения плотности электролита Δρ в нем при разряде, величины удельного показателя разряженности аккумулятора ΔС_уд, температуры электролита t, номинальной емкости аккумулятора С_н

в ходе испытаний измеряют плотность ρ и температуру электролита t в аккумуляторе и по функциональной зависимости (1) вычисляют степень разряженности аккумулятора, для определения величины удельного показателя разряженности аккумулятора дополнительно до начала испытаний определяют эмпирическую формулу, устанавливающую с учетом индивидуальных характеристик испытуемого СКА зависимость изменения величины удельного показателя его разряженности ΔС_уд от величины теоретического удельного показателя разряженности СКА ΔС_{уд min}

поправочный коэффициент K_v на индивидуальные характеристики испытуемого аккумулятора, устанавливающий соотношение между значениями фактического удельного объема электролита в нем V_{эл уд} и теоретического минимального удельного объема электролита в свинцовом аккумуляторе V_{уд min}

на основании которых по функциональной зависимости (1) определяют степень разряженности АС испытуемого свинцового аккумулятора. 4 ил.

 

Изобретение относится к химическим источникам тока и может быть использовано для определения степени разряженности свинцовых кислотных аккумуляторов при эксплуатации.

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/см³ при изменении степени заряженности аккумулятора от 100% до нуля. При этом расчетная величина снижения емкости аккумулятора при падении плотности электролита на 0,01 г/см³ составляет ΔС=6, 25%.

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_уд, температуры электролита t, номинальной емкости аккумулятора C_н

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_уд принимают равным (5-6)% от номинальной емкости C_н при снижении плотности электролита на величину 0,01 г/см³.

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_уд, равный потере емкости на (5-6)% или 6,25% от номинальной при снижении плотности электролита в нем на величину Δρ=0,01 г/см³, 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.

На фиг.1 в таблице представлены результаты выполненных авторами расчетов значений величин удельных объемов электролита V_эл.уд для аккумуляторных батарей разных типов.

Анализ результатов расчетов показал, что для перечисленных типов свинцовых аккумуляторов значения удельных объемов электролита V_эл.уд изменяются в достаточно широком диапазоне от 10,19 см³/(А·ч) до 12,25 см³/(А·ч), что оказывает существенное влияние на количественные характеристики расхода кислоты из состава электролита аккумуляторов при разряде.

На фиг.2 представлены графики изменения удельных показателей расхода кислоты m_{к уд} в свинцовых аккумуляторах разных типов при их разряде для принятых в существующей практике значений ΔC_уд.

Графики 1, 2 изменения фактических удельных показателей расхода кислоты m_{к уд}, соответственно в аккумуляторах 6СТ-90 и 6СТ-190, построены для значения ΔC_уд=5%. График 3 отражает зависимость теоретического электрохимического эквивалента расхода кислоты в аккумуляторе m_{к теор} от плотности электролита. Графики 4, 5, 6 изменения фактических удельных показателей расхода кислоты m_{к уд}, соответственно в аккумуляторах 6СТ-90, 6СТ-190 и 6МТС-9, построены для значения ΔС_уд=6%.

Анализ представленных зависимостей показывает, что значения фактического удельного расхода кислоты m_{к уд} при разряде свинцовых аккумуляторов близки к его теоретическому значению m_{к теор}=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_эл, в пересчете на единицу емкости аккумулятора C_н, которое можно оценить величиной удельного объема электролита аккумулятора V_эл.уд

V_эл.уд=V_эл/C_н.

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).

В связи с этим не представляет труда рассчитать количество серной кислоты m_к, соответствующее плотности электролита, для любого аккумулятора при его разряде по зависимости

m_к=V_{эл. аб}·ρ_эл·К_к, г

где V_{эл. аб} - объем электролита в одном аккумуляторе батареи, см³;

ρ_эл - замеренная плотность электролита в аккумуляторе, приведенная к 25°C, г/см³;

К_к - коэффициент, соответствующий весовому проценту содержания кислоты в объеме электролита заданной плотности (определяется по справочным таблицам).

Зная количество кислоты в электролите заданной плотности и принимая тот факт, что при снижении плотности электролита в процессе разряда аккумулятора на величину, равную Δρ_уд=0,01 г/см³, 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:

m_{к уд}=Δm_{к 1,2}/ΔС_1,2 или

m_{к уд}=Δm_{к 1,2}·ρ_уд/(С_ном·К_с·Δρ_1,2), г/(А·ч),

где ΔC_1,2 - величина изменения емкости аккумулятора при его разряде, А·ч;

Δm_{к 1,2} - изменение количества кислоты в электролите при разряде аккумулятора, г;

К_с - коэффициент, учитывающий относительную величину снижения емкости аккумулятора от номинального значения при снижении плотности электролита в нем на величину Δρ_уд=0,01 г/см³.

На фиг.3 представлены зависимости изменения величины удельного расхода кислоты Δm_{к уд} от величины удельного объема электролита в аккумуляторе V_{эл уд}.

График 1 построен при условии использования величины удельного показателя разряженности аккумулятора ΔC_уд,=5% от номинальной емкости (К_с=0,05), а график 2 - при ΔC_уд,=6% от номинальной емкости (К_с=0,06), при снижении плотности электролита в нем на величину Δρ_уд=0,01 г/см³, рекомендуемых в известных способах.

Характер изменения зависимостей 1 и 2 показывает, что при возрастании значения удельного объема электролита в аккумуляторе V_{эл уд} увеличивается и удельный расход кислоты m_{к уд} в нем. Вместе с тем, природа токообразующих процессов в аккумуляторах одинакова, в связи с чем и величина удельного расхода кислоты m_{к уд} в них должна быть также одинаковой.

Учитывая, что значение теоретического электрохимического эквивалента расхода кислоты в аккумуляторе m_{к теор}=3,66 г/(А·ч) занимает промежуточное положение между значениями удельных расходов кислоты m_{к уд}, рассчитанных при условии потери емкости аккумулятором на 5% или 6% при снижении плотности электролита в нем в процессе разряда на величину Δρ_уд=0,01 г/см³ (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_эл.уд, приходящимся на единицу номинальной емкости аккумулятора.

Для этих целей можно использовать зависимость определения объема электролита V_н, необходимого для получения заданной номинальной емкости С_н 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

где ρ_к - плотность электролита в разряженном аккумуляторе, г/см³;

ρ_н - плотность электролита в заряженном аккумуляторе, г/см³.

Преобразовав данное выражение, получим

где V_{уд min} - удельный минимальный объем электролита, теоретически достаточный для получения 1А·ч емкости от аккумулятора, см³/(А·ч).

Величина V_н зависит от значений плотности электролита ρ_н и ρ_к. Так, при условии ограничения ρ_к значением 1,05 г/см³ для аккумулятора, плотность электролита в котором в заряженном состоянии ρ_н=1,28 г/см³, величина V_н≈8,4 C_ном.

Из этого следует, что теоретический удельный минимальный объем электролита, достаточный для обеспечения 1А·ч емкости аккумулятором, составит V_{уд min}=8,4 см³/(А·ч) для принятого значения ρ_н.

В этом случае, используя значения К_к из таблицы содержания кислоты в растворах электролитов различной плотности, представляется возможным определить значение теоретического удельного показателя разряженности свинцового аккумулятора ΔC_min, при снижении плотности электролита в нем на величину Δρ_уд=0,01 г/см³.

Так, для аккумуляторных батарей, значение удельного объема электролита в которых равно V_эл.уд.=V_{уд min}=8,4 см³/(А·ч), значение теоретического удельного показателя разряженности свинцового аккумулятора ΔC_min составит 4,2%.

Тогда расчетную величину фактического показателя разряженности аккумулятора любого типа ΔC_уд можно определить по зависимости

ΔС_уд=ΔС_min·K_v, %,

где К_V=V_эл.уд/V_{уд min} - коэффициент, определяющий соотношение между значениями фактического и минимального удельных объемов электролита в аккумуляторах.

Следует отметить, что полученная зависимость ΔС_уд от V_{эл уд}, рассчитанная для начальной плотности электролита ρ_н=1,28 г/см³, 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_уд свинцового кислотного аккумулятора любого типа.

На фиг.4 представлен график изменения удельного показателя разряженности ΔC_уд, в зависимости от величины удельного объема электролита в аккумуляторе V_эл.уд. Его анализ показывает, что величина фактического показателя разряженности аккумулятора ΔC_уд, в аккумуляторах разных типов, возрастает при увеличении величины удельного объема электролита в аккумуляторе V_эл.уд., 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.

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_уд, температуры электролита t, номинальной емкости аккумулятора С_н

ΔC = f(Δρ, ΔC_уд, t, C_н),

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_уд от величины теоретического удельного показателя разряженности свинцового аккумулятора ΔC_{уд min}

поправочный коэффициент К_v на индивидуальные характеристики испытуемого аккумулятора, устанавливающий соотношение между значениями фактического удельного объема электролита в нем V_{эл уд} и теоретического минимального удельного объема электролита в свинцовом аккумуляторе V_{уд min}

на основании которых по уравнению (1) определяют степень разряженности ΔC испытуемого свинцового аккумулятора.

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_уд от величины теоретического удельного показателя разряженности свинцового аккумулятора ΔC_{уд min}

ΔС_уд=ΔС_{уд min}·K_v,

поправочный коэффициент К_v на индивидуальные характеристики испытуемого аккумулятора, устанавливающий соотношение между значениями фактического удельного объема электролита в нем V_{эл уд} и теоретического минимального удельного объема электролита в свинцовом аккумуляторе V_{уд min}

K_v=V_{эл уд}/V_{уд min},

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.

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/см³ по сравнению с плотностью электролита полностью заряженной батареи соответствует разряженности аккумуляторной батареи на ΔC=25%.

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_эл.уд=9,52 см³/(А·ч), степень фактической разряженности аккумулятора ΔC при снижении плотности электролита в нем относительно плотности электролита заряженного аккумулятора на величину Δρ=0,04 г/см³ составит

ΔC=Δρ/Δρ_уд·ΔC_уд=Δρ/Δρ_уд·ΔС_{уд min}·K_v=

=Δρ/Δρ_уд·ΔС_{уд min}·V_эл.уд/V_{уд min}=0,04/0,01·4,2·9,52/8,4=19 (%),

а для аккумуляторной батареи 6СТ-68, величина удельного объема электролита в которой равна V_эл.уд=12,25 см³/(А·ч), степень фактической разряженности аккумулятора ΔC при снижении плотности электролита в нем относительно плотности электролита заряженного аккумулятора на величину Δρ=0,04 г/см³ 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.

Способ определения степени разряженности свинцового кислотного аккумулятора по величине снижения плотности электролита в нем, заключающийся в том, что предварительно до начала испытаний определяют эмпирическую формулу, устанавливающую функциональную зависимость изменения степени разряженности свинцового аккумулятора ΔС от изменения плотности электролита Δρ в нем при разряде, величины удельного показателя разряженности аккумулятора ΔС_уд, температуры электролита t, номинальной емкости аккумулятора С_н

в ходе испытаний измеряют плотность ρ и температуру электролита t в аккумуляторе и по функциональной зависимости (1) вычисляют степень разряженности аккумулятора, отличающийся тем, что дополнительно до начала испытаний определяют эмпирическую формулу, устанавливающую с учетом индивидуальных характеристик испытуемого свинцового аккумулятора зависимость изменения величины удельного показателя его разряженности ΔС_уд от величины теоретического удельного показателя разряженности свинцового аккумулятора ΔС_{уд min}

измеряют величину фактического объема электролита в аккумуляторе V_эл и определяют поправочный коэффициент K_v на индивидуальные характеристики испытуемого аккумулятора, устанавливающий соотношение между значениями фактического удельного объема электролита в нем V_{эл уд} и теоретического минимального удельного объема электролита в свинцовом аккумуляторе V_{уд min}

на основании которых по функциональной зависимости (1) определяют степень разряженности ΔС испытуемого свинцового аккумулятора.