ЗАРЯДНО-ДЕСУЛЬФАТИРУЮЩИЙ АВТОМАТ ДЛЯ СВИНЦОВОСТАРТЕРНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
творческая работа учащихся по технологии (11 класс) по теме

ДНЕВНИК

ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ГРУППЫ УЧАЩИХСЯ: Доценко Д, Ершов П, Харюшин Н

Класс 11                                                  Школа №5

Руководитель проекта: КОЛПАКОВ Д.С.

Тема:

ЗАРЯДНО-ДЕСУЛЬФАТИРУЮЩИЙ АВТОМАТ ДЛЯ СВИНЦОВОСТАРТЕРНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Используемые материалы:

1. Сталь листовая
2. Текстолит
3. Радиодетали
4. Контрольные приборы
5. Соединительные провода

Литература:

1. Батарейки и Аккумуляторы. Серия “Информационное издание”. Выпуск 1
2.  “Наука и Техника”, Киев, 1995 г,
3.  Деордиев С. С. Аккумуляторы и уход за ними. Техника, Киев, 1985 г

ПРОБЛЕМА

Соблюдение режима эксплуатации аккумуляторных батарей, и в частности режима зарядки, гарантирует их безотказную работу в течение всего срока службы. Зарядку аккумуляторных батарей производят вполне определенным током, значение которого можно определить по формуле I=0,1Q для кислотных батарей, где Q - паспортная электрическая емкость аккумуляторной батареи, А-ч; I - средний зарядный ток, А.

Установлено, что зарядка чрезмерно большим током приводит к деформации пластин аккумуляторов и даже разрушению их; зарядка малым током вызывает сульфатацию пластин и снижение емкости аккумуляторной батареи. Зарядный ток, рекомендуемый в инструкции по эксплуатации аккумуляторной батареи, обеспечивает оптимальное протекание электрохимических процессов в ней и нормальную работу в течение длительного времени. Степень заряженности аккумуляторной батареи можно контролировать как по значению плотности электролита и напряжению (для кислотных), так и по напряжению (для щелочных) на полюсных выводах. Окончание зарядки кислотной аккумуляторной батареи определяют по следующим признакам: напряжение на каждом аккумуляторе батареи достигает 2,5...2,6 В; плотность электролита достигает определенного значения и больше не изменяется; происходит обильное газовыделение - электролит "кипит"; электрическая емкость, сообщенная батарее, на 15...20% больше емкости, отданной в процессе разрядки. Кислотные аккумуляторные батареи чувствительны к недозарядке и перезарядке, поэтому их зарядку надо заканчивать своевременно. Также кислотные аккумуляторы "не любят длительного пребывания без работы". Глубокий саморазряд бывает губителен для них. Если автомобиль ставится на долгосрочную стоянку, то возникает проблема: что делать с аккумулятором. Его либо отдают кому-нибудь в работу, либо продают, что одинаково неудобно. Однако основное “заболевание”  батарей - сульфатация, вызывающая повышение внутреннего сопротивления и снижение емкости батареи . Один из наиболее известных методов борьбы с сульфатацией заключается в периодической (1-2 раза в год) разрядке батареи малым током (не более 0,05 ее емкости) и последующей зарядке ее таким же током .  Менее известен способ десульфатации, предусматривающий зарядку аккумуляторной батареи циклами: 6...8 ч зарядки током 0,04...0,06 от значения емкости с перерывом не менее 8 ч, В течение перерыва электродные потенциалы на поверхности и в глубине активной массы пластин аккумуляторов выравниваются, более плотный электролит из пор пластин диффундирует в межэлектродное пространство, при этом напряжение аккумулятора понижается, а плотность электролита увеличивается

Как устранить сульфатацию?

В процессе эксплуатации пластины автомобильных аккумуляторов постепенно сульфатируются, это все больше снижает емкость батареи. Наиболее эффективные способы борьбы с сульфатацией — поочередный заряд-разряд аккумулятора или пропускание через него так называемого «асимметричного» зарядного тока, у которого отношение зарядной и разрядной составляющих равно 10:1, а длительностей импульсов - 1:2. Причем второй способ позволяет не только восстанавливать работоспособность засульфатированных аккумуляторных батарей, но и проводить профилактическую обработку исправных.

Напряжение электросети переменного тока представляет собой осциллограмму в виде синусоиды с положительными и отрицательными полупериодами. При зарядке аккумуляторов используется положительная часть синусоиды в однополупериодных и двухполупериодных выпрямителях постоянного тока.  Ускорить процесс восстановления пластин аккумулятора без ухудшения состояния возможно, если использовать дополнительно отрицательный полупериод тока небольшой мощности.

   Ввиду низкой скорости химического процесса в электролите не все электроны достигают кристаллов сульфата свинца за отведенное время в десять миллисекунд, к тому же исходя из формы синусоиды напряжение в начале равно нулю, а затем растет и достигает максимума через пять миллисекунд, в последующие 5 мс оно падает и переходит через нуль в отрицательный полупериод синусоиды. Электроны средней части синусоиды обладают наибольшим энергетическим потенциалом и в состоянии расплавить кристалл сульфата свинца с переводом его в аморфное состояние. Электроны остальной части синусоиды, имея недостаточную энергию, не достигают поверхности пластин аккумулятора, или неэффективно воздействуют на их восстановление. Накапливаясь в молекулярных соединениях на поверхности пластин, они' препятствуют восстановлению, переводя химический процесс в электролиз воды.

   Отрицательный полупериод синусоиды "отводит" электроны от поверхности пластин на исходные позиции с суммарной энергией, неиспользованной при первоначальной попытке расплавления кристалла сульфата свинца и энергии возврата. Идет раскачивание энергетической мощности с ее ростом, что в конечном результате позволяет расплавить нерастворимые кристаллы.

   Значение амплитуды напряжения отрицательного полупериода не превышает 1 /10... 1 /20 от тока эаряда и является достаточной для возврата электронов перед следующим циклом подачи положительного импульса, направленного на расплавление кристалла сульфата свинца. При таком токе отсутствует вероятность переполюсовки пластин аккумулятора при отрицательной полярности.

   В практике используется несколько технологий восстановления, в зависимости от технического состояния аккумуляторов и условий предшествующей эксплуатации. Техническое состояние можно определить с помощью диагностического прибора или простой нагрузочной вилкой, при высоком внутреннем сопротивлении напряжение под нагрузкой заметно ниже,' чем без нее - это означает, что поверхность пластин и внутренняя губчатая структура покрыты кристаллами сульфата свинца, который препятствует току разряда.

Ранее используемые технологии восстановления имеют положительные и отрицательные качества: длительное время восстановления, большое энергопотребление, работа с кислотой, большие выделения газа, в состав которого входит взрывчатая смесь водорода с кислородом, необходимость мощной принудительной вентиляции и средств защиты при переливании кислоты при восстановительных работах. Положительным является конечный результат.

   Технология восстановления аккумуляторов длительным зарядом малым током была разработана в прошлом веке и применялась при незначительной сульфитации электродов, заряд проводился до начала газообразования, ток снижался ступенчато с небольшими перерывами. Такой метод и сейчас используется для восстановления пластин мощных промышленных аккумуляторов на низкое напряжение и ток до десятков тысяч ампер. Время восстановления составляет не менее пятнадцати суток.

   Второй метод представляет собой восстановление пластин в дистиллированной воде, он также длителен по времени и связан с заменой кислоты на воду с последующим зарядом, как в первом варианте. По окончании восстановления плотность выравнивается добавкой электролита.

   Возможно восстановление пластин кратковременной подачей большого зарядного тока в течении 1...3 ч. Недостаток такого метода состоит в резком сокращении срока эксплуатации аккумулятора, чрезмерном нагреве пластин и их коробление, повышенном саморазряде, обильном газовыделении кислорода и водорода.

   Технология восстановления свинцовых аккумуляторов переменным током позволяет в кратчайшее время снизить внутреннее сопротивление до заводского значения, при незначительном нагреве электролита.

   Положительный полупериод тока используется полностью при зарядке аккумуляторов с незначительной рабочей сульфатацией, когда мощности зарядного импульса тока достаточно для восстановления пластин.

   При восстановлении аккумуляторов с длительным послегарантийным сроком необходимо использовать оба полупериода тока в соизмеримых величинах: при токе заряда в 0,05С (С - емкость), ток разряда рекомендуется в пределах 1/10... 1/20 оттока заряда. Интервал времени тока заряда не должен превышать 5 мс, то есть восстановление должно идти на максимально высоком уровне напряжения положительной синусоиды, при которой энергии импульса достаточно для перевода сульфата свинца в аморфное состояние. Освободившийся кислотный остаток SO4 повышает плотность электролита до тех пор, пока все кристаллы сульфата свинца не будут восстановлены и повышение плотности закончится, при этом из-за возникшего электролиза напряжение на аккумуляторе возрастет. При зарядно-восстановитель-ных работах необходимо использовать максимальную амплитуду тока при минимальном времени его действия. Крутой передний фронт импульса тока заряда свободно расплавляет кристаллы сульфата, когда другие методы не дают положительных результатов. Время между зарядом и разрядом дополнительно используется на охлаждение пластин и рекомбинацию электронов в электролите. Плавное снижение тока во второй половине синусоиды создает условия для торможения электронов в конце зарядного времени с дальнейшим реверсом при, переходе тока в отрицательный полупериод синусоиды через нуль.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Простейшее зарядное устройство для автомобильных и мотоциклетных аккумуляторных батарей, как правило, состоит из понижающего трансформатора и подключенного к его вторичной обмотке двухполупериодного выпрямителя. Последовательно с батареей включают мощный реостат для установки необходимого зарядного тока. Однако такая конструкция получается очень громоздкой и излишне энергоемкой, а другие способы регулирования зарядного тока обычно ее существенно усложняют. В промышленных зарядных устройствах для выпрямления зарядного тока и изменения его значения иногда применяют тринисторы КУ202Г. Здесь следует заметить, что прямое напряжение на включенных тринисторах при большом зарядном токе может достигать 1,5 В. Из-за этого они сильно нагреваются, а по паспорту температура корпуса тринистора не должна превышать +85°С. В таких устройствах приходится принимать меры по ограничению и температурной стабилизации зарядного тока, что приводит к дальнейшему их усложнению и удорожанию. Описываемое ниже сравнительно простое зарядное устройство имеет широкие пределы регулирования зарядного тока - практически от нуля до 10 А - и может быть использовано для зарядки различных стартерных батарей аккумуляторов на напряжение 12 В.

Предлагаем описание прибора дяя зарядки аккумуляторов «асимметричным» током, оснащенного устройствами защиты от коротких замыканий и автоматического отключения при полной зарядке аккумулятора.

Регулирующим элементом является тринистор VS2, работающий в ключевом режиме. Он управляется импульсами, вырабатываемыми релаксационным генератором на однопереходном транзисторе VT1. Величина выходного тока определяется разностью фаз импульсов управляющего генератора и полуволн выпрямленного тока, зависящего, в свою очередь, от емкости зарядного конденсатора С1. Последний включен в коллекторную цепь транзистора VT3, выполняющего функции усилителя тока. С движка переменного резистора R8 на базу VT3 поступает часть напряжения со стабилитрона VD5. а на эмиттер подают через разделительный диод VD3 напряжение, снятое с резистора R4, являющегося датчиком тока. Параллельно соединенные резистор R5 и конденсатор С2 составляют цепь временной задержки в случае исчезновения напряжения обратной связи по току в период, когда тринистор VS2 закрыт. Постоянная времени цепи R5C2 равна 0,02 с. Диод VD4 служит для защиты перехода «база — эмиттер» транзистора VT3 от пробоя обратным напряжением. Когда на выходе происходит короткое замыкание, задающее напряжение на резисторе R8 исчезает, транзистор VT3 закрывается. В результате прекратится заряд конденсатора С1 и тринистор VS2 не откроется. Выпрямитель обеспечивает два режима заряда: ручной и автоматический. Первый служит для зарядки импульсами постоянной амплитуды от 0 до 5 А. В этом режиме можно заряжать отдельные аккумуляторы батареи. В автоматическом режиме одновременно с зарядкой происходит профилактическая обработка пластин для устранения их сульфитации. Для зарядки аккумулятор подсоединяют к выпрямителю, включают тумблер Q1, переключатель SA1 устанавливают в положении «Ручн.». При этом открывается тринистор VS1 и срабатывает реле К1. В автоматический режим прибор переводят установкой переключателя SA1 в положение «Авт.». В этом режиме амперметр РА1 показывает ток, равный одной третьей суммы импульсов тока заряда и тока, протекающего через зарядный резистор R10. Для устранения сульфатации пластин импульсный зарядный ток должен быть равен 5,5 А (заряд ведется в автоматическом режиме). Как только напряжение на аккумуляторе достигнет 14,4 В, зарядное устройство автоматически отключается.

Рис. 1. Принципиальная схема зарядного устройства.

Данную величину устанавливают с помощью делителя на резисторах R14 и R15. Напряжение на аккумуляторе измеряют на резисторе R10 в период разряда, поскольку питание поступает на устройство автоматического отключения в полупериоды, при которых тринистор VS2 закрыт. Этого достигают правильным фазироаанием обмоток 2 и 3 трансформатора Т1. Когда напряжение на аккумуляторной батарее становится равным 14,4 В, открывается транзистор VT2, шунтируя импульсы управяения тринистором VS1. Он будет закрыт, и через интервал, определяемый емкостью конденсатора СЗ и сопротивлением обмотки реле К1, зарядное устройство отключится.

ИДЕИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

Давно уже известен тот факт, что заряд электрохимических источников питания асимметричным током, при соотношении Iзар : Iразр = 10:1, в частности кислотных аккумуляторов, приводит к устранению сульфатации пластин в батарее, т.е. к восстановлению их емкости, что, в свою очередь, продлевает срок службы батареи.

Схема устройства зарядки, реализующая такой принцип, показана на рисунке.

При положительном полупериоде входного переменного напряжения ток протекает через элементы VD1, R1 и стабилизируется диодом VD2. Часть стабилизированного напряжения через переменный резистор R3 подается на базу транзистора VT2. Транзисторы VT2 и VT4 нижнего плеча устройства работают как генератор тока, величина которого зависит от сопротивления резистора R4 и напряжения на базе VT2. Зарядный ток в цепи аккумулятора протекает по элементам VD3, SA1.1, РА1, SA1.2, аккумулятор, коллекторный перепад транзистора VT4, R4. При отрицательном полупериоде переменного напряжения на диоде VD1 работа устройства аналогична, но работает верхнее плечо - VD1 стабилизирует отрицательное напряжение, которое регулирует протекающий по аккумулятору ток в обратном напряжении (ток разрядки). Показанный на схеме миллиамперметр РА1 используется при первоначальной настройке, в дальнейшем его можно отключить, переведя переключатель в другое положение.

Другое зарядное устройство предложено С. Абрамовым г. Москва
Рис. 1. Электрическая схема зарядного устройства.

На рис. 1 приведено простое зарядное устройство, рассчитанное на использование вышеописанного способа. Схема обеспечивает импульсный зарядный ток до 10 А (используется для ускоренного заряда). Для восстановления и тренировки аккумуляторов лучше устанавливать импульсный зарядный ток 5 А. При этом ток разряда будет 0,5 А. Разрядный ток определяется величиной номинала резистора R4Схема выполнена так, что заряд аккумулятора производится импульсами тока в течение одной половины периода сетевого напряжения, когда напряжение на выходе схемы превысит напряжение на аккумуляторе. В течение второго полупериода диоды VD1, VD2 закрыты и аккумулятор разряжается через нагрузочное сопротивление R4. Значение зарядного тока устанавливается регулятором R2 по амперметру. Учитывая, что при зарядке батареи часть тока протекает и через резистор R4 (10%), то показания амперметра РА1 должны соответствовать 1,8 А (для импульсного зарядного тока 5 А), так как амперметр показывает усредненное значение тока за период времени, а заряд производится в течение половины периода. В схеме предусмотрена защита аккумулятора от неконтролируемого разряда в случае случайного исчезновения сетевого напряжения. В этом случае реле К1 своими контактами разомкнет цепь подключения аккумулятора. Для устройства можно использовать трансформатор мощностью не менее 150 Вт с напряжением во вторичной обмотке 22...25 В.

Схема десульфатирующего зарядного устройства предложена Самунджи и Л. Симеоновым.

Зарядное устройство выполнено но схеме одпополупериодного выпрямителя на диоде VI с параметрической стабилизацией напряжения (V2) и усилителем тока (V3, V4). Сигнальная лампочка Н1 горит при включенном в сеть трансформаторе. Средний зарядный ток около 1,8 А регулируется подбором резистора R3. Разрядный ток задается резистором R1. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора равно 21 В (амплитудное значение 28 В). Напряжение на аккумуляторе при номинальном зарядном токе равно 14 В. Поэтому зарядный ток аккумулятора возникает лишь тогда, когда амплитуда выходного напряжения усилителя тока превысит напряжение аккумулятора. За время одного периода переменного напряжения формируется один импульс зарядного то-ка в течение времени Тi. Разряд аккумулятора происходит в течение времени Тз= 2Тi. Поэтому амперметр показывает среднее значение зарядного тока, равное примерно одной трети от амплитудного значения суммарного зарядного и разрядного токов.

ИТОГОВАЯ ИДЕЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ.

Восстановление пассивированных и сульфатираванных аккумуляторных батарей

В результате неправильной эксплуатации аккумуляторных батарей их пластины пассивируются , сульфатируются и выходят из строя. Предлагаю  способ восстановления таких батарей ассиметричным током (при соотношении зарядной и разрядной составляющих этого тока 10:1 и соотношении импульсов этих составляющих 1:2). Этот способ позволяет активизировать поверхности пластин старых аккумуляторов и производить профилактику исправных . кроме того данная схема проста в изготовлении и является относительно дешевой.

Рис. 1. Зарядка аккумуляторной батареи ассиметричным током. Схема принципиальная электрическая

На Рис. 1 представлена схема заряда аккумулятора ассиметричным током рассчитанная на работу с 12 В аккумуляторной батареей и обеспечивает импульсный зарядный ток 5 А и разрядный – 0,5 А. Она представляет собой регулятор тока, собранный на транзисторахVT1…VT3. Питается устройство переменным током напряжением 22 В (амплитудное значение 30 В). При номинальном зарядном токе напряжение на заряженной аккумуляторной батарее составляет 13…15 В (среднее напряжение 14 В).

За время одного периода переменного напряжения формируется один импульс зарядного тока (угол отсечки а = 60° ). В промежутке между зарядными импульсами формируется разрядный импульс через резисторR3, сопротивление которого подбирается по необходимой амплитуде разрядного тока. Необходимо учитывать, что суммарный ток зарядного устройства должен составлять 1,1 от тока заряда аккумулятора, так как при заряде резистор R3 подключен параллельно батарее и через него течёт ток. При использовании аналогового амперметра, он будет показывать около одной трети от амплитуды импульса зарядного тока. Схема защищена от короткого замыкания выхода.

Заряд аккумулятора ведут до тех пор, пока наступит обильное газовыделение (кипение) во всех банках, а напряжение и плотность электролита будут постоянными в течение двух часов подряд. Это является признаком окончания заряда. Затем следует произвести уравнивание плотности электролита во всех банках и продолжить заряд в течение примерно 30 минут для лучшего перемешивания электролита.

Во время заряда аккумуляторной батареи следует следить за температурой электролита и не допускать её превышения: 45°С в умеренных и холодных зонах и 50°zar53_С в тёплых и жарких влажных зонах климата.

Так как при заряде кислотных аккумуляторов выделяется водород, следует проводить заряд аккумуляторов в хорошо проветриваемых помещениях, при этом не следует курить и пользоваться источниками открытого огня. Образовавшаяся гремучая смесь обладает большой разрушительной силой.

(Выделяющийся при кипении электролита газ переносит капельки кислоты, которые, попадая в органы дыхания, на слизистую оболочку глаз, кожу, разъедают их, так что зарядку аккумуляторных батарей лучше производить на открытом воздухе вне помещения ).

ОБОСНОВАНИЕ: Тема актуальна для всех, кто пользуется автономным питанием повышенной мощности, для передвижных (мобильных) радиостанций, участников радиоэкспедиций и “Полевых дней”. Для герметизированных аккумуляторов с гелевым электролитом, наряду с циклическим щадящим режимом зарядки током постоянного значения, используют режим плавающего тока зарядки при постоянном напряжении, при этом, необходимо устанавливать напряжение 2,23…2,3 В в расчёте на элемент батареи, что в пересчёте, например, на 12-вольтовую аккумуляторную батарею составит: 13,38…13,8 В. При изменении температуры от минус 30°С до плюс 50°С напряжение заряда может изменяться от 2,15 до 2,55 В на элемент. При температуре 20°С при использовании аккумуляторной батареи в буферном режиме, напряжение на ней должно находиться в пределах 2,3…2,35 В на элемент. Колебание напряжения (например, при изменении нагрузки на комбинированный источник питания с “буферной” батареей) не должно превышать плюс/минус 30 мВ на элемент. При зарядном напряжении более 2, 4 В на элемент следует применять меры для ограничения тока заряда до максимум 0,5 А на каждый ампер – час ёмкости.

При использовании батареи в буфере со стабилизатором напряжения, напряжение на выходе последнего следует выбирать таким образом, чтобы оно не превышало напряжения свежезаряженной батареи, например, 14,2 В для 12 – вольтовой с учётом падения напряжения на разделительном (между стабилизатором и батареей) диоде, который следует выбирать с запасом на максимальный ток нагрузки и зарядный ток аккумуляторной батареи (если не исключена возможность подключения разряженной батареи).

Изложенные выше принципы, в большинстве своём, приемлемы и для миниатюрных некислотных аккумуляторов, но там другие напряжения и токи.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ

ЦВЕТОВОЕ РЕШЕНИЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ

При выборе цвета изделия мы руководствовались тем, что изделие должно быть неброским, но приборная доска и управление контрастировали с корпусом. Вариант оформления приведен на русунке.

МАРШРУТНАЯ КАРТА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ

ЧЕРТЕЖ ИЗДЕЛИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА ИЗДЕЛИЯ

ЛИСТ – ЗАЯВКА

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ОЦЕНКА ЗАТРАТ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

Зачастую водители, при снижении емкости аккумуляторной батареи в результате сульфитации пластин, просто выбрасывают их на свалку. При этом происходит разлив электролита, содержащего серную кислоту, да и продукты окислов свинца не оказывают благоприятного действия на окружающую среду. Данное устройство позволяет продлить срок службы аккумуляторной батареи в 1,5-2 раза, что в конечном итоге уменьшает загрязнение окружающей среды.

В результате процесса зарядки аккумуляторной батареи, под воздействием силы тока, пластины аккумулятора нагреваются, происходит «кипение электролита» с выделением в атмосферу значительного количества водорода. При использовании данного устройства в результате процесса «заряд-разряд» температура электролита не превышает 400С, кипение электролита менее интенсивное, а значит меньше выделяется водород.

САМООЦЕНКА ПРОЕКТА

При выполнении данного проекта ставилось целью сделать устройство продлевающее «жизнь» свинцово стартерным аккумуляторным батареям. Проект реализовал себя полностью: устройство работоспособно, имеет небольшую себестоимость, просто в изготовлении.