Тема 26. Аккумуляторная батарея

Основные сведения об аккумуляторных батареях.

Аккумуляторные батареи - предназначены для питания энергией генераторов, работающих в режиме электродвигателей или стартер-генераторов при пуске дизелей, питания цепей управления дизелей и освещения, а также некоторых вспомогательных цепей при неработающем дизеле.

Аккумуляторами - называются химические источники электрической энергии, принцип действия которых основан на использовании обратимых химических реакций. Аккумулятор представляет собой - накопитель энергии, характеризующийся такими параметрами как ЭДС, напряжение, сопротивление, емкость, отдача, саморазряд и срок службы.

Электродвижущей силой (ЭДС) аккумулятора – называют разность его электродных потенциалов при разомкнутой внешней цепи. Измеряется ЭДС в вольтах. При разряде аккумулятора во внешней цепи используется не вся ЭДС, а только ее часть; другая часть ЭДС расходуется на преодоление внутреннего сопротивления аккумулятора.

Напряжением аккумулятора – называется значение ЭДС, используемой во внешней цепи. Напряжение как часть ЭДС измеряется в вольтах.

Сопротивление аккумулятора - суммируется из сопротивления электродов, электролита и сепараторов.

Емкость аккумулятора - понимается количество электричества в ампер-часах, которое можно получить при разрядке аккумулятора до конечного напряжения по заданному режиму. Емкость аккумулятора зависит:

- от толщины электрода;

- пористости активной массы;

- концентрации и количества электролита;

- температуры и значения разрядного тока.

Емкость аккумулятора равна - произведению разрядного тока на время разряда и выражается в ампер-часах.

Отдачей аккумулятора - называются величины, характеризующие степень использования электричества и энергии, выраженные в процентах. Количество электричества и энергии, затрачиваемое при заряде, всегда значительно больше количества электричества и энергии, получаемого во время разряда.

Если величина определяет степень использования количества электричества, то она называется ампер-часовой отдачей, а если величина определяет использование энергии, то она называется ватт-часовой отдачей, или коэффициентом полезного действия (КПД) аккумулятора.

Саморазрядом - принято называть такие потери емкости, которые происходят при хранении аккумуляторов с электролитом, а также потери емкости при работе аккумулятора приходящиеся на вредные побочные процессы, такие как утечка тока через случайные замыкания, саморастворение электродов и т.д.

На тепловозах ЧМЭ3 установлена щелочная аккумуляторная батарея типа NKS150, служащая для пуска дизеля и питания всех вспомогательных цепей при неработающем дизеле. Батарея состоит из 75-ти последовательно соединенных никель-кадмиевых аккумуляторов. Емкость батареи при пятичасовом режиме разряда 150 А-ч, напряжение 90 В.

На тепловозах первых выпусков применены щелочные батареи с железоникелевыми аккумуляторами, не отличающиеся по конструкции и своим техническим данным от описанных. В таких аккумуляторах активная масса отрицательного электрода состоит из губчатого железа (Fe); по концам пакета установлены отрицательные пластины, т.е. число положительных пластин на одну меньше, чем отрицательных.

Аккумуляторная батарея при пуске подключается к тяговому генератору или стартер-генератору без каких-либо пусковых сопротивлений. Поскольку пусковая цепь имеет малое сопротивление, в момент включения пусковых контакторов ток бывает большим, но затем быстро уменьшается по мере увеличения частоты вращения вала дизеля. Частота вращения вала якоря тягового генератора или стартер-генератора в режиме электродвигателя прямо пропорциональна подведенному напряжению. Поэтому основное требование, предъявляемое к тепловозной аккумуляторной батарее, это поддержание достаточно высокого напряжения при прокрутке, необходимого для достижения валом дизеля пусковой частоты вращения.

В электрическую схему тепловоза аккумуляторная батарея включается таким образом, чтобы разряд ее происходил только при пуске дизеля и питании ограниченного ряда нагрузок при неработающем дизеле. Во время работы дизеля батарея находится в автоматическом режиме постоянного подзаряда. При этом должна поддерживаться в допустимых пределах температура электролита, иначе емкость батареи резко снижается. От перегрузок и коротких замыканий во внешней цепи батарея защищена предохранителями и автоматами.

Типы аккумуляторов.

На тепловозах применяют два типа аккумуляторных батарей: кислотные и щелочные.

Кислотные аккумуляторы - по сравнению с щелочными батареями имеют в 1,5 раза большее напряжение и, следовательно, большую удельную емкость и мощность на единицу объема и массы. Кислотные аккумуляторы работоспособны при низких температурах. Коэффициент полезного действия (КПД) кислотных батарей, определяемый по энергии как произведение отдачи по емкости на отношение средней ЭДС при разряде и заряде, в 1,5 раза больше, чем у щелочных батарей.

Свинцовокислотный аккумулятор типа ТН-450. (Рис. 14.1) состоит из эбонитового сосуда (бака) 2, на дне которого имеются специальные выступы, на которые опираются ножки пластин. Сверху сосуд закрывается эбонитовой крышкой 5. Крышка имеет четыре отверстия для борнов 4 положительного и отрицательного полублоков. В центре крышки имеется отверстие для заливки электролита. Центральное отверстие закрывается пробкой 6 с вертикальными и горизонтальными каналами для выхода газов и отражательным щитком 7 для предотвращения выплескивания электролита.

Положительный полублок содержит 19 электродов, отрицательный полублок содержит 20 электродов. Электроды 1 представляют собой литые решетки из сплава свинца (95%) и сурьмы (5%), ячейки которых заполнены активной массой. В заряженном состоянии аккумулятора активной массой положительных электродов является двуокись свинца РbO₂, отрицательных – губчатый свинец Рb. Электроды разной полярности разделены сепараторами 3 из ребристого мипласта и стекловолокна.

 

 

Рис. 14.1. Свинцово-кислотный аккумулятор типа ТН-450:

1 – электроды; 2 – сосуд (бак); 3 – сепараторы; 4 – борн; 5 – крышка, 6 – пробка; 7 – отражательный щиток.

Электролитом аккумулятора - является раствор серной кислоты в дистиллированной воде, залитый в аккумулятор до уровня на 15 мм выше предохранительного изоляционного щитка.

При нормальной эксплуатации максимальная разряженность аккумуляторной батарей на тепловозе не превышает 4-6% номинальной (10-часовой) емкости. Для удобства транспортировки, монтажа и предохранения от повреждений баков аккумуляторы комплектуются в секции по 4 шт. для батареи 32ТН-450 и по 3 шт. для батареи 48ТН-450. Аккумуляторы в батарее соединены медными, покрытыми свинцом перемычками. (по схеме на рис. 14.2)

а)

 

 

 

  )

Рис. 14.2. Схема соединения свинцово-кислотных аккумуляторов в батареях:

а) – 32ТН-450; б) – 48ТН-450

Щелочные железоникелевые батареи - не содержат дефицитного и вредного для здоровья свинца, более стойки к динамическим воздействиям (вибрации, тряске) на транспортных установках, менее чувствительны к перезарядам и коротким замыканиям, более просты в обслуживании и имеют
в 2,5 - 3 раза больший срок службы как по циклам заряд-разряд, так и по времени работы.

 

Рис 14.3. Щелочной железоникелевый аккумулятор типа ТПЖН-550:

1 – борн; 2 – трубка для заливки электролита; 3 – пробка-клапан; 4 – пластины; 5 – втулка;
6 – крышка; 7 – сосуд (бак); 8 – винипластовая пластинка.

Щелочной железоникелевый аккумулятор (Рис. 14.3) состоит из двух блоков положительных и отрицательных пластин 4. Оба блока помещены в стальной сосуд 7. Положительные и отрицательные пластины состоят из ламелей (коробочек), соединенных между собой в замок и укрепленных с обеих сторон стальными ребрами, к которым приварены контактные планки. Пластины отделены друг от друга перфорированными волнистыми сепараторами или резиновыми шнурами. От стенок сосуда блок пластин изолирован вставленной по периметру винипластовой пластиной 8. Каждый блок имеет по два борна 1. Борны выведены через отверстия крышки 6 в сосуде и изолированы от нее винипластовыми и резиновыми кольцами, собранными в герметичный узел, который препятствует вытеканию электролита из аккумулятора. Для заливки аккумулятора электролитом в крышке сосуда имеется трубка 2, в которую ввинчена пластмассовая пробка-клапан 3. Аккумуляторный сосуд окрашен снаружи эпоксидной эмалью и защищен резиновым чехлом с целью изоляции аккумуляторов друг от друга и от батарейного ящика. Активной массой положительных пластин в заряженном состоянии является двуокись никеля NiO₂, а отрицательных – восстановленная смесь руды Fe.

Электролитом щелочных аккумуляторов - служит раствор гидроксида калия КОН в дистиллированной воде с добавлением 20 г/л гидроксида лития LiOH (для увеличения срока службы аккумулятора), залитый в аккумулятор до уровня 40 - 50 мм выше верхних кромок сепараторов.

Особенностью щелочных аккумуляторов является то, что концентрация раствора КОН при разряде остается неизменной, вследствие чего напряжение щелочных аккумуляторов почти не зависит от плотности электролита. Аккумуляторы в батарее соединены между собой медными никелированными перемычками (шинами) по схеме, приведенной на рис.14.4.

 

Рис. 14.4. Схема соединения щелочных железоникелевых аккумуляторов

типа 48ТПЖН-550 в батареях.

Аккумуляторные батареи на магистральных тепловозах размещаются в специальных отсеках под главной рамой по обе стороны топливного бака, что обеспечивает удобство их монтажа и обслуживания из кузова тепловоза или прямо с земли. На маневровых тепловозах аккумуляторная батарея размещается в специальном отсеке за кабиной машиниста.

Таблица 1. Основные типы и технические данные аккумуляторных

батарей, применяемых на тепловозах.

Марка	Тип батареи	Число аккумуляторов	Масса с электролитом, кг	Серия тепловоза
32ТН-450	Кислотная	32	1272	ТЭМ2, 2ТЭП60, М62, ТЭ3, 2М62, 2ТЭ116
48ТН-450	Кислотная	48	1926	2ТЭ116
48ТН-350	Кислотная	48	1472	ТЭП70, 2ТЭ121
48ТПЖ-550	Щелочная	46	2100	2ТЭ10В, 2ТЭ10Л, 2ТЭ10М