Аккумуляторные батареи

Аккумуляторная батарея служит для питания током потребителей, когда двигатель не работает или работает на малой частоте вращения коленчатого вала. Аккумуляторная батарея состоит из нескольких одинаковых по устройству аккумуляторов, соединенных между собой последовательно.

Действие аккумулятора основано на последовательном превращении электрической энергии в химическую (зарядка) и, наоборот, химической энергии в электрическую (разрядка). На изучаемых тракторах и автомобилях устанавливают свинцовые кислотные аккумуляторные батареи.

Простейший свинцовый аккумулятор (рис. 4.6) состоит из пластмассовой банки, в которую залит электролит (раствор серной кислоты в дистиллированной воде) и двух свинцовых пластин. Поверхности пластин, находящиеся в электролите, покрываются тонким слоем сернокислого свинца, иначе называемым сульфатом свинца.

Рис. 4.6. Схема простейшего аккумулятора: а - в начале разрядки, б - в конце разрядки; 1 - губчатый свинец, 2 - раствор серной кислоты, 3 - перекись свинца, 4 - сернокислый свинец, 5 - слабый раствор серной кислоты.

Обязательное условие для работы аккумулятора - зарядка, т. е. через него пропускают электрический ток. При прохождении постоянного электрического тока от постороннего источника через аккумулятор в результате химической реакции на пластине образуется перекись свинца 3, а на пластине, соединенной с отрицательным полюсом источника тока - металлический свинец в виде рыхлой губчатой массы. При этом в электролит выделяется серная кислота, которая увеличивает его плотность. Лампочка, присоединенная к пластинам, после зарядки загорается. Следовательно, накопившаяся в аккумуляторе при зарядке химическая энергия при разрядке превращается в электрическую.

Пластины аккумулятора изготовляют в виде решеток, заполненных активной массой - порошкообразным свинцом. Для увеличения запаса энергии число парных пластин увеличивают. Количество электричества которое отдает полностью заряженный аккумулятор при непрерывном разряде постоянной силой тока до определенного конечного напряжения, называют емкостью аккумулятора. Емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах.

Аккумуляторная батарея (рис. 4.7) состоит из бака 4, разделенного внутри перегородками на отделения. В каждом отделении (банке) помещается один аккумулятор. Бак изготовляют из кислотостойкой пластмассы или эбонита Он имеет на дне ребра, на которые опираются пластины. В каждую банку помещен набор положительных 2 и отрицательных 1 пластин.

Положительные пластины соединяют, с полюсным штырем, имеющим знак плюс, а отрицательные соединяют с полюсным штырем со знаком минус. Положительная пластина расположена между отрицательными, поэтому отрицательных пластин на одну больше, чем положительных. Пластины отделены друг от друга пористыми перегородками - сепараторами 9. Они изготовлены из специально обработанного дерева микропористой пластмассы или стекловолокна Сепараторы предупреждают короткое замыкание пластин и свободно пропускают через себя электролит. Банку закрывают крышкой б, в которой предусмотрено отверстие для заполнения банки электролитом.

Заливное отверстие закрывается пробкой 5. В пробке имеется вентиляционное отверстие, сообщающее полость аккумулятора с атмосферой, что необходимо для выхода газов, выделяющихся при химических реакциях. После сборки батареи края крышек аккумуляторов заливают специальной кислотостойкой мастикой.

Рис. 4.7. Аккумуляторная батарея: а - общий вид, б - блок пластин; 1 – отрицательные пластины, 2 – положительные пластины, 3 - ребра, 4 - бак, 5 – пробка, 6 – крышка, 7 – соединительная перемычка, 8 - полюсный штырь, 9 – сепараторы.

На перемычках, соединяющих отдельные аккумуляторы, указываются дата изготовления и марка батареи.

Маркировка отечественных батарей состоит из цифр и букв, расположенных в следующем порядке:

• Цифра, указывающая количество последовательно соединенных 2-х вольтовых аккумуляторов в батарее и обозначающая таким образом ее номинальное напряжение (6 или 3 – для аккумуляторных батарей напряжением соответственно 12 или 6 В)
• Буква, обозначающая тип применяемой в аккумуляторной батарее электрохимической системы (С-свинцовая)
• Буква, обозначающая назначение аккумуляторной батареи (Т – стартерная), т.е. обеспечивающая получение высоких разрядных токов, необходимых для пуска двигателя стартером
• Число, отделенное от предыдущей части обозначения дефисом, и указывающее номинальную емкость аккумуляторной батареи в ампер-часах (А*ч)
• Буквы, обозначающие материал и конструктивное исполнение корпуса батареи (Э – эбонитовый, Т – из термопластичной пластмассы, А – пластмассовый с общей крышкой (рис. 8)), материал сепараторов (М – минпласт, Р – мипор), необходимость заливки электролита и заряда батареи (З – залитая и заряженная, Н – несухозаряженная, Л – необслуживаемая)

Например, марка батареи 6СТ-55 АЗЛ означает, что батарея состоит из 6 последовательно соединенных 2-х вольтовых аккумуляторов (следовательно, ее напряжение 12 В) со свинцовой электрохимической системой (буква С). Батарея предназначена для стартерного пуска двигателя (буква Т), и имеет номинальную емкость 55 Ач. Батарея имеет пластмассовый корпус с общей крышкой (буква А), залита электролитом и заряжена (буква З) и является необслуживаемой (буква Л).

Термин «необслуживаемая» является условным, поскольку обслуживать такие батареи все же нужно, хотя и в значительно меньшем объеме. Буква Л в маркировке может отсутствовать (например, 6СТ-55А, 6СТ-66А и т.д.).

В настоящее время аккумуляторные батареи производятся в основном в необслуживаемом исполнении и в продажу поступают обычно залитые электролитом и заряженные.

Например, 6 ТСТ-50 ЭМС. Марка батареи расшифровывается следующим образом. Первая цифра (6) указывает на число последовательно соединенных аккумуляторов, определяющее номинальное напряжение батареи (12 В). Буквы, следующие за первой цифрой, означают, что батарея «тяжелая» стартерная. Такая батарея отличается особой прочностью.

Ее применяют для тракторов, комбайнов и автомобилей тяжелой службы. Цифра 50 указывает на номинальную емкость батареи в ампер-часах при двадцатичасовой разрядке. Первая буква (Э) после цифр характеризует материал бака - эбонит, вторая - материал сепараторов: микропористая пластмасса (М) со стекловолокном (С). Сухозаряженные батареи в конце марки имеют букву 3.

Рис. 4.8. АКБ с пластмассовым корпусом с общей крышкой

Электролит приготовляют из химически чистой серной кислоты и дистиллированной воды. Кислоту и воду смешивают в кислотоупорных сосудах, приливая кислоту тонкой струйкой в воду. Если же вливать воду в кислоту, произойдет бурная реакция; кислота разбрызгивается и выплескивается из сосуда, а попав на тело, может вызвать ожоги. Соотношение кислоты и воды в электролите определяют по его плотности.

Электролит составляют с учетом климатических условий. Для центральных районов с зимней температурой до -30°С плотность электролита у полностью заряженного аккумулятора должна быть круглый год 1,27. В условиях низких температур плотность электролита должна быть выше, а при высокой температуре - ниже.

Проверяют плотность электролита ареометром (рис. 4.9). По мере разрядки аккумулятора плотность электролита уменьшается.

Рис. 4.9. Проверка аккумуляторной батареи: а - уровня электролита, б - напряжения аккумулятора, в - плотности электролита; 1 - стеклянная трубка, 2- нагрузочная вилка с вольтметром, 3 -ареометр.

Уровень и плотность электролита проверяют в каждом элементе батареи. Уровень электролита должен быть на 12- 14 мм выше верхнего края пластин.

При испарении электролита нужно доливать дистиллированную воду, так как испаряется только вода, а при утечке электролита в аккумулятор добавляют раствор серной кислоты. По плотности электролита определяют степень заряженности аккумуляторной батареи. С большей точностью степень заряженности батареи под нагрузкой определяют нагрузочной вилкой с включенным сопротивлением (рис. 4.9, 6).

Наконечники нагрузочной вилки поочередно плотно прижимают к зажимам аккумулятора на 5 с и смотрят показания вольтметра. Напряжение полностью заряженного аккумулятора не должно падать ниже 1,7 В на каждую секцию (для аккумулятора без верхней приваренной крышки).

Для аккумуляторов с верхней приваренной крышкой проверку напряжения проводят подключением нагрузочной вилки к клеммам «+» и «-». В этом случае суммарное напряжение должно быть не ниже 10,5 В.

Разность напряжения отдельных аккумуляторов батареи не должна превышать 0,1 В. Если разность больше этого значения или батарея разряжена более чем на 50% летом и более чем на 25% зимой, ее необходимо отправить на зарядку. Нельзя допускать длительного пребывания батареи в полузаряженном состоянии во избежание ее порчи. Чтобы не допускать разрушения пластин, запрещается на продолжительное время и несколько раз подряд включать стартер

Табл.4.1. Плотность электролита при 15ºС, г/см3

В зависимости от климатического района, в котором эксплуатируется автомобиль, плотность электролита должна соответствовать, указанной в таблице 4.1.

При установке на автомобиль выводной штырь батареи со знаком минус присоединяется к «массе» через выключатель «массы». Выключатель «массы» (рис. 4.10) служит для отключения аккумуляторной батареи при неработающем двигателе и во время стоянки в целях уменьшения саморазрядки батареи, возможного замыкания электропроводки и противопожарной безопасности. Выключатель «массы» установлен в кабине. «Масса» включается нажатием руки или ноги на большой шток 3. При этом подвижные 8 и неподвижные 1 контакты замыкаются и удерживаются в замкнутом положении стопорной пластиной 6, которая запирает большой шток пружиной 7.

Отключают аккумуляторную батарею от электрической цепи малым штоком 2. Если нажать на малый шток, стопорная пластина переместится и освободит большой шток, который вместе с подвижными контактами под действием пружин 9 возвратится в исходное (выключенное) положение.

Таким устройством (выключателем «массы») оборудуют в основном тяжелые грузовые автомобили. Легковой автомобиль может не иметь выключателя «массы», например, из-за сигнализации.

Рис. 4.10. Выключатель «массы»: А - устройство, б, в - схема работы; 1 – неподвижные контакты, 2 - малый шток, 3 - большой шток, 4 – корпус, 5 - изолирующая шайба, 6 - стопорная пластина, 7, 9 - пружины, 8 - неподвижный контакт

4.2.2. Генераторы Генератор служит для питания током всех потребителей электрооборудования и для заряда аккумуляторной батареи при средней и большой частоте вращения коленчатого вала двигателя.

В последнее время на автомобилях устанавливают трехфазные генераторы переменного тока с возбуждением от электромагнитов. Магнитный поток в таком генераторе создается обмоткой возбуждения, по которой пропускается постоянный электрический ток. При пуске двигателя постоянный ток используется от аккумуляторной батареи, а при работе двигателя вырабатываемый генератором переменный ток преобразуется выпрямителями в постоянный.

Генератор переменного тока трехфазный, синхронный, с электромагнитным возбуждением, по сравнению с генератором постоянного тока имеет меньшие металлоемкость и габаритные размеры. При той же мощности он проще по конструкции и отличается большим сроком службы.

Синхронным генератор называется потому, что частота вырабатываемого им тока пропорциональна частоте вращения ротора генератора. Удельная мощность генератора переменного тока, т.е. мощность генератора, приходящаяся на единицу его массы, примерно в 2 раза больше, чем у генератора постоянного тока. Это позволяет в 2-3 раза увеличить передаточное число привода генератора, вследствие чего, при частоте вращения на режиме холостого хода двигателя генераторы переменного тока развивают до 40% номинальной мощности, что обеспечивает лучшие условия заряда аккумуляторных батарей и, как следствие, повышение их срока службы.

Для нормальной работы имеющихся на автомобиле потребителей тока должно быть стабильное напряжение питания, поэтому независимо от частоты вращения ротора генератора и числа подключенных потребителей, напряжение генератора должно быть постоянным.

Поддержание постоянства напряжения и защита генератора от перегрузки обеспечиваются прибором, называемым регулятором напряжения или реле-регулятором.

В зависимости от дорожно-климатических условий и режимов эксплуатации автомобилей напряжение генератора, питающее потребителей, рассчитанных на номинальное напряжение 12 В, должно быть в пределах 13, 2 – 15.5 В.

Генератор 37.3701 автомобиля ВАЗ-2109. На автомобилях ВАЗ устанавливаются трехфазные генераторы переменного тока с выпрямителями на кремниевых диодах. Принципиальная схема работы трехфазного генератора переменного тока показана на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Схема устройства трехфазного генератора переменного тока: 1 — статор; 2 — ротор; О — нулевая точка

.

На стальном статоре 1 (рис. 4.11) с внутренней стороны под углом 120° расположены три катушки Kl, К2 и КЗ с обмотками, которые между собой соединяются звездой, т. е. одни концы обмоток катушек соединяются в одну точку 0, а другие выводятся в общую цепь потребителей (Л1, Л2 и ЛЗ). Катушка с включенным в нее потребителем образует фазу. Внутри статора вращается магнитный ротор 2.

При вращении ротора к катушкам за каждые 120° попеременно подходят северный и южный полюсы. При этом обмотки катушек статора пересекаются магнитными линиями, в которых индуктируется переменная по направлению ЭДС, создающая переменный ток в цепи каждой фазы. Магнитный поток (показан на рис. прерывистыми стрелками) замыкается через корпус 1 статора. При этом ток, созданный в одной любой фазе, обязательно проходит в цепи двух других фаз. За один оборот ротора через равные промежутки времени в каждой цепи фазы меняется направление тока в зависимости от количества пар полюсов и частоты вращения ротора.

Однако переменный ток не может быть использован для заряда аккумуляторной батареи, поэтому в генераторе установлен блок выпрямителей, состоящий из шести кремниевых диодов, преобразующих переменный ток в постоянный (диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, который проводит ток только в одном направлении). Кремниевые диоды имеют большой срок службы, пропускают весьма малый обратный ток, надежно работают в широком диапазоне температур (от — 60 до + 125°С), а также имеют малые габариты и массу, что позволяет устанавливать их в крышке генератора автомобиля.

Устройство генератора. Генератор (рис.4.12) состоит из статора, ротора, щеток 11 и 13, выпрямительного блока, электронного регулятора напряжения двух крышек, которые стягиваются при помощи стяжных болтов 26, а также приводного шкива с вентилятором и конденсатора. Рис. 4.12. Генератор 37.3701 автомобиля ВАЗ 2109: а - регулятор напряжения и щеточный узел генераторов выпуска с 1996 г. 1 - крышка генератора со стороны контактных колец; 2 - болт крепления выпрямительного блока; 3 – контакт-ные кольца; 4 - шариковый подшип-ник вала ротора со сторон» контакт-ных колец; 5 - конденсатор 2,2 мкФ ±20% для подавления радиопомех; 6 - вал ротора; 7 - провод общего вывода дополнительных диодов; 8 - зажим «30» генератора для подключения потребителей; 9 - штекер «61» генератора (общий вывод дополни-тельных диодов); 10 - провод вывода «Б» регулятора напряжения; 11 - щетка, соединенная с выводом «В» регулятора напряжения; 12 – регуля-тор напряжения; 13 - щетка, соединен-ная с выводом «Ш» регулятора напряжения; 14 - шпилька для креп-ления генератора к натяжному устрой-ству; 15 - крышка генератора со стороны контактных колец; 16 – крыльчатка вентилятора со шкивом привода генератора; 17 - полюсный наконечник ротора; 18 - шайбы крепления подшипника; 19 – дистан-ционное кольцо; 20 - шариковый подшипник вала ротора со стороны привода; 21 - стальная втулка; 22 - обмотка ротора (обмотка возбужде-ния); 23 - сердечник статора; 24 - обмотка статора; 25 – выпрямитель-ный блок; 26 - стяжной болт генерато-ра; 27 - буферная втулка; 28 - втулка; 29 - поджимная втулка; 30 - вывод «В» регулятора напряжения; 31 - щеткодержатель

Статор состоит из сердечника и катушек обмотки (рис. 4.12). Сердечник 23 статора изготавливают в виде кольца из отдельных стальных пластин, изолированных друг от друга лаком. На его внутренней поверхности имеются зубцы, на которых надеты катушки. Катушки образуют обмотку 24 статора, которая разделена на три фазы, расположенные под углом 120° по отношению друг к другу. Одни концы каждой фазы соединены между собой в одну точку называемую нулевой, а другие выводятся в цепь.

Ротор состоит из вала 6, на котором напрессована втулка 21 с обмоткой возбуждения 22, и шести пар электромагнитных полюсных наконечников 17, создающих под действием обмотки возбуждения 22 магнитное поле. На валу ротора установлены два контактных кольца, через которые в обмотку возбуждения подается электрический ток. По контактным кольцам скользят графитовые щетки 11 и 13, соединенные с выводами В и Ш регулятора напряжения 12. Ротор вращается в шариковых подшипниках, установленных в передней и задней крышках. Они заполнены специальной смазкой, рассчитанной на весь срок службы генератора. В связи с тем, что для заряда аккумуляторной батареи необходим постоянный ток, внутри задней крышки 1 генератора помещен выпрямительный блок 25, преобразующий переменный ток в постоянный.

Выпрямительный блок 25 представляет собой две алюминиевые пластинки с запрессованными в них шестью диодами, пропускающими электрический ток только в одном направлении, т. е. создающими в цепи постоянный электрический ток (одного направления). На пластине выпрямительного блока установлены еще три дополнительных диода. Напряжение, снимаемое с этих дополнительных диодов, идет для питания постоянным током обмотки 22 ротора и цепи контроля исправности генератора с помощью контрольной лампы разряда аккумуляторной батареи, помещенной на щитке приборов.

Электронный регулятор 12 напряжения представляет собой неразборный и нерегулируемый узел, в котором нет обычных электромагнитных реле с контактами. В паз регулятора напряжения вставляется щеточный узел — пластмассовый щеткодержатель с двумя щетками. Приводной шкив с вентилятором установлен на переднем конце вала ротора.

Вентилятор служит для охлаждения статора, ротора и выпрямителя. Охлаждающий воздух засасывается через окна в задней крышке 1, проходит внутри генератора и выходит через окна передней крышки наружу.

Для подавления радиопомех и защиты электронного оборудования от импульсов напряжения в системе зажигания на генераторе устанавливается конденсатор 5.

Работа генератора осуществляется следующим образом. При включении зажигания загорается контрольная лампа на щитке приборов, сигнализирующая о том, что в обмотку возбуждения ротора поступает ток от аккумуляторной батареи. Протекающий по обмотке возбуждения ток создает вокруг полюсов ротора магнитный поток. После пуска двигателя, когда ротор генератора стал вращаться, под каждым зубцом статора проходит то южный, то северный полюс ротора. Поэтому магнитный поток, проходящий через зубцы статора, меняется по силе и направлению. Переменный магнитный поток пересекает витки обмотки статора, индуцируя в ней ЭДС.

Переменное напряжение и ток, индуцированные в обмотке статора, выпрямляются выпрямитель-ным блоком 25, и для питания потребителей идет уже постоянный ток, снимаемый с клеммы 30 (поз. 8 на рис. 4.12) генератора. Одновременно с общего вывода дополнительных диодов подается выпрямленное напряжение для питания обмотки возбуждения ротора.

У работающего исправного генератора напряжение на клемме 30 и на общем выводе дополнитель-ных диодов равны. Поэтому в контрольную лампу щитка ток не поступает, и она не горит. В этом случае обмотка возбуждения генератора питается от выпрямителя на трех дополнительных диодах, а аккумуляторная батарея заряжается от генератора. Если контрольная лампа будет гореть, то это указывает на неисправность генератора, когда он вообще не дает напряжения или оно ниже напряжения аккумуляторной батареи.

При увеличении частоты вращения ротора, когда напряжение генератора превысит 13,7... 14,5 В, при помощи регулятора напряжения прекращается поступление тока в обмотку возбуждения ротора. В результате этого напряжение генератора падает, регулятор снова пропускает ток в обмотку возбуждения и процесс повторяется. Благодаря большой частоте протекания этого процесса напряжение этого генератора остается практически постоянным в пределах 13,7... 14,5 В. Замыкание и размыкание цепи питания обмотки возбуждения генератора происходит за счет открытия и закрытия выходного транзистора в регуляторе в зависимости от управляющего напряжения на выводе регулятора напряжения 12.

Более точный контроль напряжения в цепи электрооборудования осуществляется вольтметром, расположенным на щитке приборов. Если при работе двигателя стрелка находится в начале шкалы красной зоны, напряжение тока, отдаваемого генератором, ниже нормы, а если в конце шкалы — выше нормы. При нормальном напряжении стрелка должна находиться в зеленой зоне шкалы в пределах 13,7... 14,5 В.

Крепление генератора к двигателю осуществляется подвижно на болтах, вставляемых в отверстие приливов крышек со втулками 21. С верхней стороны генератор крепится к двигателю через натяжную планку с прорезью, обеспечивающей перемещение генератора при регулировке натяжения или замене приводного ремня (ремня вентилятора).