Анализ технических параметров, конструктивных и эксплуатационных особенностей существующих типов и аналогов авиационных химических источников тока

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Аннотация

Введение

Раздел 1. Авиационные свинцовые аккумуляторные батареи

1.1 Принцип действия аккумулятора

1.2 Устройство аккумулятора

1.3 Электротехнические характеристики

Раздел 2. Авиационные никель-кадмиевые аккумуляторные батареи

2.1 Принцип действия аккумулятора

2.2 Устройство аккумулятора

2.3 Электротехнические характеристики

Раздел 3. Авиационные никель-кадмиевые аккумуляторные батареи VARTA

3.1 Устройство аккумулятора

3.2 Принцип действия аккумулятора

3.3 Электротехнические характеристики

Раздел 4. Авиационные серебряно-цинковые аккумуляторные батареи

Раздел 5. Эксплуатация авиационных аккумуляторных батарей и сравнение их основных характеристик

5.1 Особенности эксплуатации аккумуляторных батарей

5.2 Хранение аккумуляторных батарей

5.3 Установка аккумуляторных батарей на самолет

5.4 Сравнение основных характеристик аккумуляторных батарей

Раздел 6 Явление «теплового разгона» в аккумуляторных батареях

6.1 Причины возникновения «теплового разгона»

6.2 Физический смысл и условия возникновения «теплового разгона»

Раздел 7 Выбор и обоснование конструкции и схемы устройства

7.1 Предлагаемое техническое устройство

7.2 Описание предлагаемого устройства

Аннотация

В данном дипломном проекте рассматриваются вопросы внедрения и разработка нового устройства - ограничения тока заряда авиационных аккумуляторных батарей на базе системы электроснабжения постоянного тока воздушного судна Ту-134А при использовании аккумуляторных батарей производства германии «VARTA» 20FP25H1CT-R.

Рассмотрены технические характеристики вводимого устройства, показан способ связи объекта с остальными элементами системы электроснабжения.

Произведен расчет нагрузок и элементов схемы устройства по его результатам которого определен необходимый объем оборудования и его размещение на воздушном судне. Затронуты вопросы технической эксплуатации устройства.

Введение

Химическими источниками тока называются устройства, в которых химическая энергия активных веществ, при протекании пространственно разделенных окислительно-восстановительных процессов, превращается в электрическую энергию. Процесс превращения химической энергии активных веществ в электрическую энергию с использованием ее во внешней цепи называется разрядом.

По характеру работы все разновидности химических источников тока подразделяются на гальванические элементы, или первичные источники тока, и электрические аккумуляторы, или вторичные источники тока. Первичные химические источники тока допускают лишь одноразовое использование заключенных в них активных материалов.

Вторичными химическими источниками тока или электрическими аккумуляторами называются источники электрической энергии многоразового действия, процессы в которых протекает обратимо.

Активные вещества, израсходованные в процессе протекания реакции, дающей электрическую энергию, могут восстанавливаться (регенерироваться) при пропускании через разряженный аккумулятор постоянного тока от другого источника энергии в направлении, противоположенном направлению разрядного тока.

При этом на отрицательном электроде вместо реакции окисления происходить реакция восстановления, а на положительном электроде наоборот.

Вне зависимости от конструктивного выполнения каждый химический источник тока состоит из двух электродов - проводников первого рода, разделен слоем электролита - проводника второго рода.

Несколько химических источников тока в едином конструктивном исполнении и электрически соединенных между собой называют батареей. Совокупность активных веществ, использованных для создания ХИТ, называется электрохимической системой, для обозначения которой принято между двумя вертикальными чертами писать химическую формулу электролита, а слева и справа - химические формулы активных веществ до разряда (справа отрицательного электрода, слева положительного) в соответствии с наименованием электрохимической системы.

Так, например, серебряно-цинковая электрохимическая система записывается следующим образом:

(+) AgO/KOH Zn(-)

На самолетах и вертолетах используется только вторичный химические источники тока - аккумуляторные батареи. Наиболее распространенные электрохимические системы аккумуляторов приведены в таблице.

Тип аккумулятора	Электрохимическая система	ЭДСВ	Теоретическая удельная Энергия
Свинцовый	(+)Рb02/H3SO4/Pb(-)	2,1	175
Никель -кадмиевый	(+)NiOOH/KOH/Cd(-)	1,36	220
Серебряно-цинковый	(+)AgO/ KOH /Zn(-)	1,85	450

Под теоретической удельной энергией понимается энергия, снимаемая с единицы массы активных веществ при коэффициенте использования их, равном единице. В теоретической удельной энергии следует стремиться при совершенствовании химических источников тока.

Назначение аккумуляторных батарей

По назначению аккумуляторные батареи разделяются на два типа: бортовые (для использования на борту ЛА) и аэродромные (для использования при обслуживании ЛА).

На самолетах дальних и средних магистральных воздушных линий бортовые аккумуляторные батареи используются как аварийные источники электрической энергии, обеспечивая кратковременное питание потребителей первой категории от момента отказа всех основных каналов системы электроснабжения до перевода их па питание от ВСУ или аварийного источника с ветряными двигателями. Аккумуляторная батарея используется и для запуска ВСУ.

На других ЛА ботовые аккумуляторные батареи предназначены для питания электрических стартеров и другой аппаратуры при автономном запуске авиационных двигателей; для питания потребителей первой категории при отказе основных каналов системы электроснабжения и для кратковременной проверки работы электрооборудования на земле.

В качестве бортовых аккумуляторных батарей на ЛА гражданской авиации используются свинцовые и никель-кадмиевые аккумуляторные батареи. Благодаря ряду преимуществ последние находят все большее распространение.

Аэродромные аккумуляторные батареи предназначены для питания приемников электрической энергии ЛА на земле при проверках, проведении ТО и запуске авиационных двигателей. В качестве аэродромных аккумуляторных батарей используются только свинцовые батареи.

Основные характеристики

Электродвижущая сила, т.е. разность электродных потенциалов при разомкнутой внешней цепи:

Е=ц₊- ц_-,

где ц ₊ и ц_- - потенциалы положительного и отрицательного электродов.

Подлое внутреннее сопротивление - сопротивление протекающему постоянному току:

R=r+r_n=r-E_n/I

Омическое сопротивление г представляет собой сумму сопротивлений электролита, электродов, соединительных элементов и переходного сопротивления электрод - электролит, основную долю этого сопротивления составляет сопротивление электролита, значение которого зависит от плотности и температуры (при уменьшении плотности и температуры сопротивление электролита увеличивается).

Сопротивление поляризации r_п обусловлено изменением электродных потенциалов ц₊ и ц при протекании тока. Оно зависит от значения тока.

Напряжение

U=E-U_R

где U_R - падение напряжения внутри самого источника ток на его полном внутреннем сопротивлении.

При разряде источника

U_P=E-R I_p

а при заряде:

U₃=E-R I₃

где U_P и U₃ - разрядное и зарядное напряжения на зажимах источника;

I_Р и I₃ - токи разряда и заряда.

Среднее значение напряжения за промежуток времени от 0 до t при заряде и разряде равно:



где t₃ и t_p - продолжительность заряда и разряда аккумулятора.

В процессе работы аккумулятора активные вещества электродов или электролита (иногда и те и другие) превращаются в новые химические вещества. При этом изменяется полное внутреннее сопротивление, так как вновь образовавшиеся вещества имеют другое удельное сопротивление, и потенциалы электродов.

Чем больше разряжена аккумуляторная батарея, тем сильнее изменяется состав ее активных веществ и тем значительнее ее ЭДС, полное внутреннее сопротивление и напряжение отличаются от первоначальных.

Разрядная емкость Q_p - количество электричества, которое можно получить от аккумулятора при определенных условиях его работы, т.е. при заданных значениях температуры, разрядного тока и конечного разрядного напряжения.

Или при i_p = i_p = const

разрядная емкость

Q_p=I_pt_p

при i_p = var

или

Q_p=U_pt_р/R

Емкость аккумуляторных батарей определяется количеством активных веществ и коэффициентом их использования.

Теоретическую емкость можно найти, учитывая, что расход активного вещества в граммах на 1А*ч определяется на основе закона Фарадея, согласно которому при израсходовании 1г - эквивалента активного вещества освобождается количество электричества, равное 26,8 А*ч (число Фарадея).

Практически же не все вещество используется полезно, и емкость, отдаваемая аккумуляторными батареями всегда меньше теоретической. Отношение практически получаемого количества электричества к теоретическому называют коэффициентом использования активных веществ

k_исп= (m Q_p)/M,

где m - расход активных веществ, г/А,

М - масса активных веществ источника, г.

Коэффициент использования активных веществ зависит режима разряда и конструкции источника тока. При использовании тонких электродов и более пористых масс, как правило, увеличивается k_исп.

Номинальная емкость Q_n - емкость, которую должен отдавать аккумуляторные батареи при оговоренных технических условиях режима разряда. Для анионных аккумуляторных батарей за такой режим принимают разряд током 5 или 10 - часового режима разряда (I_р = Q_р/ 5 или I_p = Q_р/ 10), Удельная емкость - отношение емкости Q_p к полной массе источника М_u:

с = Q_p)/M_u

По удельной емкости сравнивают ХИТ одной и той же системы, так как характеризует, насколько рационально используется их масса.

Зарядная емкость - количество электричества, поглощенное аккумулятором при его заряде.



Или

Удельная энергия аккумуляторной батареи представляет собой отношение даваемой энергии к его массе:

где U_p - напряжение источника в процессе разряда

Коэффициент отдачи аккумуляторной батареи по емкости характеризуется отношением его разрядной емкости к зарядной:

Коэффициент отдачи по энергии - отношение отдаваемой энергии ХИТ к энергии, затрачиваемой для его полного заряда:



Саморазряд, т.е. потеря емкости, обусловленная протеканием самопроизвольных процессов при разомкнутой внешней цепи. Основной причиной саморазряда является взаимодействие активных масс электродов и электролита. Количественно саморазряд оценивается уменьшением емкости за сутки:

где Q₁ и Q₂ - емкости ХИТ до и после хранения;

ф - продолжительность хранения в сутках

Саморазряд увеличивается с повышением температуры и уменьшается с ее понижением.

Характеристики надежности: наработка, срок службы, срок годности и сохранность.

Циклом называется заряд аккумуляторной батареи с последующим разрядом.

Наработкой аккумулятора называется число циклов, которое аккумулятор работал к данному моменту времени.

Сроком службы называется наработка аккумуляторной батареи, при которой разрядная емкость становится меньше некоторой нормированной величины.

Сохранностью называется календарный срок от момента изготовления до завода аккумуляторной батареи в эксплуатацию, в течение которого, находясь в определенных условиях, она сохраняет свои эксплуатационно-технические характеристики.

Экономические и эксплуатационные характеристики.

К экономическим характеристикам относят первоначальную стоимость с учетом срока службы и сохранности, степень дефицитности материалов и стоимость эксплуатации в тех или иных условиях применения.

Эксплуатационными характеристиками являются: надежность, степень металлической прочности, климатическая устойчивость и температурный интервал работоспособности, стабильность напряжения, простота в обслуживании, степень вредности для другого оборудования.

Классификация аккумуляторных батарей

по странам производителям.

Отечественного производства:

свинцовые- 12А-30; 12САМ-28; 12САМ-55; 12АСАМ-23:

никель-кадмиевые: 20НКБН-25;

серебряно-цинковые: 15СЦС-45. Зарубежного производства:

никель-кадмиевые VARTA (Германия): 20FP25H1C-R, 20FP38H1C- R, F20/27H1CM1, F20/22H1C-1 и F20/22H1C-2;

никель-кадмиевые SAFT (Франция) 2506А-2 и 26108

Цель дипломного проекта

Целью данного дипломного проекта является:

1. Путем анализа технических параметров, конструктивных и эксплуатационных особенностей существующих типов и аналогов авиационных химических источников тока выбрать для воздушных судов 2-3 классов наиболее приемлемый тип аккумуляторных батарей, удовлетворяющий нормам: технических параметров, нормам летной годности, безопасности полетов воздушных судов.

2. Разработать техническое устройство, которое бы позволило снизить до минимума вероятность возможных отказов аккумуляторных батарей в процессе летной и технической эксплуатации воздушных судов.

Раздел 1. Авиационные свинцовые аккумуляторные батареи

1.1 Принцип действия аккумулятора

аккумуляторный батарея свинцовый разрядный

Свинцовые аккумуляторы основаны на электрохимической системе

(+)Pb0₂/H₂SO₄/Pb(-)

Активным веществом положительного электрода является перекись свинца PbО₂ а отрицательного -- свинец.

Электролитом служит водный раствор серной кислоты плотностью г=1,285 г/см³.

Для обоснования процессов, происходящих в свинцовых аккумуляторах, общепринята теория двойной сульфитации, согласно которой при разряде (>) на отрицательном электроде происходит реакция окисления свинца.

Pb+H₂SQ₄->PbSО₄+2e+H⁺ (1.2)

а на положительном - реакция восстановления двуокиси свинца:

PbO₂+3H⁺+HSO₄+2e>PbSO₄+2H₂O (1.3)

Суммарная реакция имеет вид:

Pb+PbO₂ +2H₂SO₄ - PbSO₄-2H₂O-PbSO₄ (1.4)

«Двойная сульфитация» означает, что при разряде на положительном и на отрицательном электродах образуется сульфат свинца.

Процессы при заряде кислотного аккумулятора показаны в формуле (1.4) стрелкой (<). По мере разряда аккумулятора плотность (концентрация) электролита уменьшается, так как сульфитация электродов сопровождается образованием воды.

1.2 Устройство аккумулятора

В качестве бортовых аккумуляторных батарей используются батареи следующих типов 12А-30. 12САМ-28, 12САМ-55 и 12АСАМ-23, в качестве аэродромных - 12АО- 50, 12АО-52. 12АСА-140.

Первые цифры в обозначении указывают число аккумуляторов, соединенных последовательно, последние -- номинальную емкость в ампер-часах.

Буквы в обозначении определяют вид, некоторые свойства и область применения батареи А -- авиационная, САМ -- стартерная авиационная моноблочная, АСАМ -- авиационная стартерная с абсорбированным электролитом, АО -- аэродромного обслуживания, АСА -- аэродромный стартерный аккумулятор

Авиационная свинцовая аккумуляторная батарея 12САМ-28 (рис 1.1) состоит из двенадцати аккумуляторов, расположенных в ячейках эбонитового моноблока.

Рис. 1.1 Детали аккумуляторной батареи 12САМ-28.

Каждый из аккумуляторов состоит из электродов в виде нескольких положительных 1 и отрицательных 3 пластин, сепараторов 2, пробок и других вспомогательных элементов. Пластины электродов представляют собой свинцовые решетки, отверстия которой заполняются активной массой. Для увеличения ороч мости и улучшения литейных свойств решетки к свинцу добавляется 6-8 % сурьмы.

Пластины одной полярности спаиваются с борном 6, образуя полублоки из отрицательных 17 и положительных - 4 пластин. Пластины разноименных порочностей разделяются сепараторами из микропористого эбонита (мипора).

Одна из сторон сепаратора ребристая. Этой стороной сепаратор обращен к положительной пластине, так как для нормального протекания электрохимических процессов у ее поверхности требуется более свободный доступ электролита.

Блоки пластин вместе с сепараторами помещают в отдельные эбонитовые ячейки моноблока 14 Днище ячейки имеет трапецеидальные выступы 15 в виде призм, на которые опираются выступы положительных пластин.

Отрицательные пластины устанавливают на специальные эбонитовые башмачки 18.

Такое устройство предохраняет пластины от короткого замыкания, которое может произойти от постепенного выпадения в процессе эксплуатации на дно сосуда частиц активной массы положительных пластин.

В верхней части блока пластин прокладывается тонкий перфорированный винипластовый предохранительный щиток 5, а над ним устанавливается отражательный эбонитовый щиток 7, предохраняющий электролит от выплескивания. В центре щитка имеется отверстие для измерения уровня и плотности электролита.

Сверху ячейки закрываются крышкой 8с тремя отверстиями одно для забивки электролита и выпуска газов, а два других для вывода штырей борнов.

Места соприкосновения крышки ячейки с ее стенками уплотняют резиной 1 1 или асбестовым шнуром и заливают специальной мастикой. Среднее отверстие крышки 9 закрывают пробкой 10.

При хранении авиационных аккумуляторных батарей применяют глухие пробки, препятствующие поступлению воздуха внутрь аккумулятора и предохраняющие активные вещества от окисления. Верхнюю часть глухих пробок окрашивают в красный цвет.

Рабочие пробки (рис. 1.2) аккумуляторных батарей обеспечивают отвод газов, образующихся при протекании электрохимических процессов, и предотвращают выливание электролита при эволюциях

Рис. 1.2 Рабочая пробка аккумулятора 12САМ- 28.

Для аккумуляторных батарей типа 12А и 12САМ применяют золотниковые, состоящие из эбонитового корпуса 3, резинового золотника 4. укрепленного в конусообразном свинцовом грузике 1. и крышки 2 с двумя отверстиями.

В нормальном положении грузик давит на стержень золотника, конусообразная головка которого отходит от гнезда и открывает выход газам через кольцеобразный канал между стержнем и стенками корпуса. Низ грузика имеет крестообразную шлифовку, что позволяет свободно проходить газам в верхнюю камеру, откуда они выходят наружу через отверстие в крышке. При наклоне грузик падает на боковую стенку и вытягивает золотник, который своей головкой закрывает нижнее отверстие.

Все двенадцать аккумуляторов батареи соединены между собой последовательно межэлементными перемычками 12. Клеммы 13 крайних аккумуляторов служат для подключения батареи к внешней цепи. Сверху батарея закрывается крышкой.

Принципиальных различий между конструкцией элементов аэродромных и бортовых аккумуляторных батарей нет.

Элементы аэродромных аккумуляторных батарей 12АО-50 и 12AO-52 имеют лишь большие габаритные размеры и смонтированы в двух эбонитовых шестикамерных блоках, установленных в общем деревянном ящике с крышкой и переносными ручками.

В таблице 1.1 приведены основные характеристики авиационных свинцовых аккумуляторных батарей.

Характеристики разряда указаны при температуре электролита +25° С. Масса авиационных аккумуляторных батарей с электролитом (в килограммах) соответствует приблизительно числу указывающему кость.

Таблица 1.1

Тип аккумуляторной батареи	Параметры режима разряда
	номинального	минутного	максимальный ток А.
	емкость А*ч	Ток А.	конечное напряжение на элементе, В.	Ток,А.	конечное напряжение на элементе, В.
12А-30	26	3	1,7	107	1,2	210
12САМ-28	28	5,6	1,7	100	1,1	750
12САМ-55	55	11	1,7	300	1,1	1500
12АО-50	48	4,8	1,7	225	1,2	360
12АО-52	52	5,2	1,7	225	1,2	360
12АСА-145	145	25	1,75	-	1,2	1500

1.3 Электрические характеристики

Э.д.с.

Э.д.с. свинцового аккумулятора зависит от плотности и в очень малой степени - от температуры электролита.

Значение э.д.с. при плотности электролита =1,285 г/см³ и температуре 15°С равно 2,125 В.

С повышением плотности электролита э.д.с. возрастает. Зависимость э.д.с. от плотности серной кислоты (г=1.06-1.3 г/см³) может быть с достаточным приближением выражена уравнением Е=0.84+г. Температурный коэффициент кислотного аккумулятора весьма мал, его максимальное значение не превышает 0,4 мВ/° С.

При разряде аккумулятора плотность электролита и э.д.с. уменьшаются. Когда э.д.с. достигает 1.82-1,85 В, аккумулятор считается разряженным.

Однако по э.д.с. нельзя точно судить о степени разреженности аккумулятора, так как э.д.с. разряженного аккумулятора с большей плотностью электролита может быть выше, чем э.д.с. заряженного аккумулятора с меньшей плотностью электролита.

Полное внутренне сопротивление.

Большую часть этого сопротивления составляет сопротивление раствора электролита как в самом аккумуляторе, так и внутри пор активной массы.

Сопротивление электролита зависит от его плотности и температуры (риc.1. 3.). Удельное сопротивление веществ, из которых выполнены другие части аккумулятора, по сравнению с удельным сопротивлением электролита невелико: для губчатого свинца оно равно 0.00018 Ом-см, а для перекиси свинца равна 0,25 Ом*см.

Рис. 1.3 Зависимость удельного сопротивления р и температурного коэффициента сопротивления б электролита от плотности г.

В процессе разряда и заряда удельное сопротивление электролита и активной массы изменяется, вследствие чего изменяется и полное внутреннее сопротивление аккумулятора Сопротивление аккумулятора уменьшается во время заряда и увеличивается при разряде.

Это происходит потому, что во время разряда аккумулятора сопротивление пластин из-за образования на них сульфата свинца, плохо проводящего ток, и сопротивление электролита при понижении плотности возрастают.

При разряде большими токами, когда плотность электролита в порах и вблизи пластин вследствие малой скорости диффузии уменьшается сильнее, внутреннее сопротивление аккумулятора резко увеличивается.

При прекращении разряда сопротивление аккумулятора начинает постепенно уменьшаться, как концентрация электролита в порах пластин выравнивается.

При заряде аккумулятора внутреннее сопротивление уменьшается. Однако в конце заряда, когда наступает интенсивное газовыделение, сопротивление аккумулятора начинает возрастать, так как пузырьки газа заполняют часть пор сепаратора и активного вещества и уменьшают его проводимость. После выключения аккумулятора пузырьки газа поднимаются на поверхность и внутреннее сопротивление уменьшается.

Внутреннее сопротивление кислотных авиационных аккумуляторов весьма мало и составляет тысячные доли Ома. Это ценное свойство позволяет получать от аккумуляторов большие токи при сравнительно малых потерях внутри аккумулятора.

Внутреннее сопротивление аккумулятора будет тем меньше, чем больше площадь пластин и число их включенных параллельно, и чем меньше стояние между ними.

Напряжение.

При включении аккумулятора на заряд в первый момент (участок I, рис 1.4.), резко возрастает напряжение на зажимах аккумулятора, компенсирующее падение напряжения на его внутреннем сопротивлении.



Рис 1.4 Изменение напряжения свинцового аккумулятора при заряде и разряде.

Кроме того, это повышение объясняется тем, что в результате химической реакции вблизи пластин образуется серная кислота, плотность электролита повышается, увеличивается э.д.с, а следовательно, и напряжение.

Напряжение на участке I будет расти до тех пор, пока не установится равновесие между процессами образования кислоты у пластин и перемешивания ее в результате диффузии с более слабым раствором в сосуде аккумулятора.

Дальнейшее более медленное повышение кривой напряжения (участок II) при заряде связано с ростом плотности электролита, а следовательно, и э.д.с.

В конце заряда, когда почти вся активная масса пластин окажется восстановленной (напряжение на элементе 2.35--2,4 В) энергия, подводимая к аккумулятору от зарядного устройства, расходуется сначала частично, а затем и полностью на электролиз воды, который сопровождается бурным выделением пузырьков газа.

Так как внутреннее сопротивление аккумулятора при газовыделении вследствие обволакивания поверхности пластин пузырьками газа увеличится, то напряжение на участке III резко возрастет. На этом участке наблюдается также более быстрое увеличение э.д.с, так как к концу заряда процесс активных веществ проникает в глубь пластин, процесс диффузии затрудняется, и плотность электролита в порах повышается в большой степени. Далее рост напряжения прекращается, так как процесс заряда здесь заканчивается, а процесс электролиза воды стабилизируется.

Таким образом, окончание заряда аккумулятора определяется по постоянству напряжения и плотности электролита в течение определенного времени обычно 2 ч).

Напряжение на элементе в конце заряда должно быть 2,55-2,65 В.

После прекращения заряда выравнивается плотность электролита в порах пластин и в сосуде, э.д.с. снижается до 2.13 - 2.18 В. на элементе или 25,5--26 В. на батарее (участок IV).

При включении аккумулятора на разряд в порах пластин и в результате химической реакции плотность электролита уменьшается, так как свежий электролит не успевает проникнуть из междуэлектродного пространства в глубь пластин. Поэтому на участке IV наблюдается резкое снижение э.д.с., а следовательно, и напряжения аккумулятора.

В дальнейшем происходит интенсивное перемешивание электролита, в результате чего понижение его плотности у поверхности пластин и в порах замедляется, стремясь к равновесному состоянию э.д.с. и напряжение на участке V понижаются более плавно, чем на участке IV.

По мере приближения разряда к концу сечения пор в активном веществе пластин уменьшаются, вследствие образования сульфата конца выравнивание плотности электролита затрудняется. В порах пластин плотность электролита будет отличаться от плотности электролита в сосуде.

Поэтому э.д.с. и напряжение будут понижаться все в большей степени (участок IV). Когда поры станут настолько малы, что проникновение электролита внутрь пластин окажется почти невозможным, дальнейший разряд аккумулятора будет вызывать порчу пластин.

Разряд аккумулятора следует вести до определенного предела, обусловленного минимальным допустимым напряжением разряда (так вызываемым конечным напряжением разряда). При разряде аккумулятора нормальным током конечное напряжение на элементе составляет 1,7 В.

Увеличение тока разряда ведет к ускорению электрохимических процессе кривые разряда располагаются ниже. Так как при кратковременных режимах разряда в реакцию вступают только верхние слои активных веществ, то разряд можно проводить до меньшего значения конечного напряжения.

Температура электролита оказывает существенное влияние на напряжение во время заряда и разряда аккумулятора.

При понижении температуры вязкость электролита возрастает и, следовательно, выравнивание плотности электролита замедляется, внутреннее сопротивление аккумулятора также возрастает, вызывая увеличение падения напряжения при прохождении тока.

В результате этого напряжение на зажимах аккумулятора для одного и того же разрядного тока при пониженной температуре несколько меньше и падает быстрее, чем при более высокой температуре (рис. 1 5).

Рис. 1.5. Зависимость напряжения свинцового аккумулятора при разрядах от температуры

Разрядная емкость

Емкость аккумулятора зависит от количества активных веществ, коэффициента их использования и температуры электролита.

На коэффициент использования активных веществ существенное влияние оказывают толщина и площадь пластин, их пористость и режим разряда аккумулятора.

При одинаковом количестве активных веществ аккумулятор с тонкими пластинами имеет большую разрядную емкость, чем с толстыми, так как при тонких пластинах кислота легче проникает в поры активных масс, а также непосредственно омывает большее количество активных веществ, что обеспечивает лучшее их использование.

По той же причине чем пористее активное вещество, тем большую емкость можно от него получить.

При разряде аккумулятора токами, значительно превышающими номинальный, вследствие отставания процесса диффузии от процесса разряда используются главным образом активные вещества поверхностного слоя пластин. Образующийся сульфат свинца на поверхности препятствует проникновению электролита в поры пластин.

Количество активного вещества, используемого в процессе разряда, уменьшается, а, следовательно, уменьшается разрядная емкость.

В авиационных аккумуляторах используют только тонкие пластины с большой общей площадью поверхности в одном элементе.

В аккумуляторах серии А. толщина пластин составляет 2--3 мм, а в аккумулятора серии САМ 1 -1,2 мм. Это позволяет увеличить коэффициент использования активных веществ.

Зависимость разрядной емкости Q_p от разрядного тока I_р (рис. 1.6), можно определить по эмпирической формуле Пейкерта:



где Q_н, I_n - номинальные значения разрядной емкости и тока разряда; n = 1,2-1,4.

Рис. 1.6 Зависимость разрядной емкости свинцового аккумулятора от разрядного тока

За номинальную емкость авиационных кислотных аккумуляторов принимают емкость при 10-часовом режиме разряда до напряжения на зажимах элемента 1Л В при начальной плотности электролита 1.285 г/см³ при температуре - 20°С.

Влияние температуры электролита на емкость аккумулятора велико: с понижением температуры вязкость электролита увеличивается, диффузия его ухудшается и коэффициент использования активного материала снижается удельное сопротивление электролита возрастает.

Это приводит к тому, что у аккумулятора, разряженного при низкой температуре, быстрее достигается минимальное допустимое напряжение и, следовательно, его емкость уменьшается.

Особенно сильно сказывается понижение температуры при разряде аккумулятора токами. Так, например, аккумуляторная батарея 12САМ-28 при температуре - 20°С обеспечивает четыре запуска авиадвигателя, при температуре -5 С - два запуска, а при температуре -15°С только один запуск.

Изменение емкости аккумулятора в зависимости от температуры электролита учитывается так называемым температурным коэффициентом емкости, характеризующим изменение емкости аккумулятора, при изменении температуры на 1°С.

Температурный коэффициент емкости увеличивается с ростом разрядного тока и с понижением температуры электролита.

Емкость аккумулятора при различных температурах х определяется по формуле:

Q_х= Q₂₅[1+б_х(х-25)]

Где Q₂₅ -емкость при температуре 25°С;

б_х- температурный коэффициент емкости.

Учитывая столь большое влияние температуры на емкость, аккумуляторные батареи на ЛА устанавливаю в утепленных контейнерах. Бортовые аккумуляторные батареи целесообразно эксплуатировать, при температуре не ниже 5°С, так как при более низких температурах их емкость значительно уменьшается.

При продолжительных полета на большой высоте контейнеры не дают желаемого эффекта, поэтому аккумуляторы приходится обогревать. Следует отметить, что на разрядную емкость некоторое влияние оказывает также плотность электролита, с повышением ее емкость аккумулятора увеличивается.

Однако выбор плотности электролита 1,285 г/см³ обусловлен главным образом требованиями, связанными работой аккумулятора при низких температурах, сроком службы и саморазрядом, а не получением максимальной емкости. Отдача аккумуляторов зависит от полноты заряда, температуры электролита, при которой производится заряд и разряд, и от режима разряда.

Для свинцовых аккумуляторов коэффициенты отдачи по емкости и энергии равны х=85-0,9; з_w=0,65-0,75.

Саморазряд аккумулятора

Определяется природными свойствами активных веществ. Причины его следующие:

неодинаковая плотность электролита по высоте пластин (внизу электролит более плотный, чем вверху), в результате чего нижние части пластин имеют больший потенциал, чем верхние, и между ними протекают уравнительные токи;

электрохимические процессы, происходящие между электролитом активной массой положительных и особенно отрицательных пластин;

самопроизвольное восстановление двуокиси свинца в сульфат свинца (для положительных пластин) и реакция саморастворения свинца (для отрицательных).

Органические примеси и примеси других кислот в электролите вызывают увеличение саморазряда, поэтому для. заливки аккумулятора используется только серная кислота (ГОСТ 667-53). а для приготовления электролита - только дистиллированная вода.

Саморазряд свинцовых аккумуляторов считается нормальным, если он не превышает 1% в сутки пли 30 % в месяц- считывая это, аккумуляторы необходимо периодически подзаряжать, если они длительное, время находятся в бездействии.

В противном случае пластины аккумулятора могут засульфитироваться, т. е. произойдет практически необратимый переход мелкозернистого сульфата свинца в крупнозернистый («необратимая сульфитация») и аккумулятор выйдет из строя.

Сохранность, срок службы.

Допустимый срок хранения свинцовых аккумуляторов в сухом виде не превышает 3 лет. Это объясняется окислением оставшегося металлического свинца в активной массе отрицательного электрода и решеток обеих полярностей кислородом воздуха.

В присутствии следов кислоты, воды и углекислого газа на поверхности электродов образуется продукт взаимодействия окисла свинца с этими веществами в виде белой массы, которая может прилипать к сепараторам.

Это способствует тому, что аккумулятор после длительного хранения в сухом виде практически выходит из строя.

Поэтому свежеизготовленные свинцовые аккумуляторы следует хранить в сухом закрытом помещении при температуре воздуха 5-30°С с плотно завернутыми глухими пробками.

Свинцовые аккумуляторы, уже бывшие в эксплуатации, можно хранить как без электролита, так и с электролитом. Без электролита их хранят только в заряженном состоянии, однако по причинам, изложенным выше, срок хранения таком виде не должен превышать трех месяцев.

Аккумуляторы с электролитом можно хранить только в заряженном состоянии во избежание вредной сульфитации. Для восстановления емкости утраченной в процессе саморазряда, аккумулятор не реже 1 раза в месяц подзаряжают.

При работе аккумуляторной батареи происходит старение, а также выпадение активного вещества из пластин. При этом емкость аккумулятора с течением времени уменьшается.

Для аэродромных аккумуляторных батарей срок службы соответствует двум годам непрерывной эксплуатации, или батарей 12AO-50 -- 50 циклам, 12АО-52 -- 70 циклам и для 12АСА-145 -- 75 циклам.

Срок службы бортовых аккумуляторных батарей составляет: для 12А-30 и 12САМ-28 -- 2 года, для 12САМ-55 -- 1,5 года и для 12АСАМ-23 -- 1 год.

К истечению срока службы емкость аккумуляторных батарей снижается до 75%. и расчетах надежности интенсивность отказов свинцовых аккумуляторных гарей л=(2,8 -- 21,4)*10^-6 1/ч.

Раздел 2. Авиационные никель-кадмиевые аккумуляторные батареи

2.1 Принцип действия аккумулятора

Никель-кадмиевые аккумуляторы основаны на электрохимической системе

(+)NiOOH|KOH|Cd(-)

Электрохимическим активным веществом положительного электрода является соединение NiOOH [4. 17]. имеющей определенное кристаллическое строение (так называемая в-форма).

Разряженный положительный электрод состоит из закиси никеля Ki (ОН)₂. Активным веществом отрицательного электрода является губчатый кадмин.

Электролитом служит водный калиеводитиевый составной раствор (г=1,19 1,21 г/см³) гидрата окиси калия (КОН) с добавлением 20 г на 1 л раствора моногидрата гидроокиси лития (LiOH*H₂O).

Во время заряда и разряда аккумулятора протекают следующие электрохимические реакции:

2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂ - 2Ni(OH) + Cd + 2Н₂О (2.1)

На положительном электроде происходит следующий процесс:

NiOOH+Н₂О+е-Ni(OH)₂+(ОН)^- (2.2)

а на отрицательном:

Cd + 2(ОН)^- -Cd(OH)₂ + 2e (2.3)

Следует отметить, что электролит, хотя его химическая формула и не фигурирует в уравнении, принимает самое активное участие в процессах, протекающих в аккумуляторе.

Средняя плотность электролита во время заряда и разряда остается неизменной, однако, при заряде концентрация электролита понижается у отрицательного электрода и повышается у положительного. При разряде имеет место обратное распределение.

2.2 Устройство аккумулятора

В качестве бортовых аккумуляторных батарей используются батареи типа 20НКБН-25. Первые цифры в обозначении указывают число аккумуляторов, соединенных последовательно, последние - номинальную емкость в ампер - часах.

Буквы НКБ в обозначении соответствуют - никель-кадмиевая батарея. Н - характеризует технологическую особенность изготовления электродов (с намазанными пластинами, в которых активная масса намазывается в виде пасты на металлическую решетку, а затем спрессовывается).

Батарею составляют 20 последовательно соединенных аккумуляторов. Электроды аккумулятора собраны из отдельных пластин намазанной конструкции.

Решетку отрицательных пластин электродов выполняют из кадмированной стали, а для намазки ее используют окись кадмия с соляровым маслом (4-9 %) и гидратом закиси никеля (6-9%).

Положительные пластины получают путем напрессовывания на никелированную стальную решетку мелко размельченный порошкообразной активной массы: смеси гидрата закиси никеля с графитом, который добавляют в активную массу для увеличения се электропроводности.

Аккумуляторы выпускаются заводом-изготовителем в разряженном состоянии с отформированными электродами.

Процесс электрохимического формирования осуществляется путем заряда и разряда аккумулятора. При пропускании зарядного тока на отрицательных электродах окислы гидрата окиси кадмия превращаются в губчатую металлическою массу, а на положительном электроде окислы никеля обогащаются кислородом.

Пластины разноименной полярности разделяют комбинированной сепарацией положительные пластины аккумуляторной батареи помещают в мешочки из капроновой ткани, а отрицательные - из щелочной бумаги.

Доливают электролит в процессе эксплуатации через отверстие в крышке аккумулятора которое в рабочем состоянии закрыто пробкой. Рабочая пробка, (рис 2.1) имеет клапан 3 в виде резинового кольца, отпарированного на перепад давления (0,2 - 0,4)*10⁵ Па.

Клапанные пробки не позволяют электролиту проливаться при любом положении аккумулятора, исключают его испаряемость и выполняют роль редукционного клапана, сбрасывая избыточное давление внутри аккумулятора.

Сосуды аккумуляторов изготовлены из полиамидной смолы. Токоотводы батарей выведены на розетку штепсельного разъема. Конструкция контейнера обеспечивает изоляцию батареи от корпуса самолета снизу, по бокам, имеются изоляционные прокладки в виде уголков, а крышка контейнера изготовлена из изоляционного материала.



Рис.2.1. Рабочая клапанная пробка.

1-корпус, 2 - перепускное отверстие, 3 - клапан, 4 - прокладка.

Батарея 20НКБН-25 имеет следующие данные: емкость батареи, заряженной при температуре +25 ±10°С при разряде в нормальных климатических условиях током 10 А до конечного напряжения на элементе 1 В не менее 25 А*ч; при разряде током 100 А - 19 А*ч. Максимальный разрядный ток более 670А.

При заряде аккумулятора происходит превращение электрической энергии в химическую за счет протекания электрохимических реакций с образованием следующих соединений:

Cd(OH)₂+2Ni(OH)₂ 2NiOiO (2.4)

После достижения примерно 70-80% заряженности аккумулятора параллельно с основной реакцией заряда на электродах начинает протекать процесс электрохимического разложения воды, входящей в состав электролита е образованием газообразного водорода и кислорода:

2Н₂О> 2Н₂ + O₂^ (2.5)

Этот процесс побочный и нежелательный, так как требует дополнительного расхода электрической энергии на заряд аккумуляторов, но он присущ аккумуляторам всех электрохимических систем.

При разряде химическая энергия активных материалов электродов преобразуется в электрическую с отдачей освобождающихся электронов во внешнюю цепь:

Cd + 2NiOOH + 2H₂O Cd(OH)₂ + 2Ni(OH)₂ (2.6)

Процессы при заряде и разряде обратимы, в связи с чем никель-кадмиевые аккумуляторы могут заряжаться и разряжаться многократно.

Однако, длительная эксплуатация аккумуляторных батарей приводит к старению активных масс, сепаратора и износу батарейных и аккумуляторных деталей, что вызывает потерю емкости батарей, а также снижает надежность работы батареи.

В связи с этим, аккумуляторные батареи имеют ограниченный срок службы и гарантийный срок эксплуатации.

2.3 Электрические характеристики

ЭДС никель-кадмиевого заряженного аккумулятора равна 1,45В. Спустя 120ч после заряда эдс становиться равной 1,36-1,38В, что объяснятся диффузией кислорода с поверхности нестойкого NiOOH. образующегося при заряде эдс никель-кадмиевого аккумулятора практически не зависит от температуры.

Полное внутреннее сопротивление никель - кадмиевого аккумулятора с намазанными пластинами сравнимо по величине с сопротивлением свинцовых аккумуляторов, что позволяет использовать их также в стартерном режиме. Существенное влияние на полное внутреннее сопротивление оказывает температура электролита, с уменьшением температуры оно возрастает.

Зависимость сопротивления от степени разреженности аккумуляторов незначительна.

Рис 2.2 Изменение напряжения при разряде аккумулятора (t=20 С) 1-8 часовой режим, 2-1 часовой режим.

Напряжение. Разрядное напряжение зависит от тока разряда и температуры (рис.2 2). С понижением температуры уменьшается емкость, отдаваемая аккумуляторами при разряде, до определенного конечного напряжения.

Емкость. Разрядная емкость Q_P батареи 20НКБН-25, рис.2.5 (кривая 1). в меньшей степени зависит от значения разрядного тока I_Р, чем батареи 12САМ-28 (кривая 2).

Q_р=f(I_р)

Раздел 3. Авиационные никель-кадмиевые аккумуляторные батареи VARTA

Рис 2.3 Зависимость разрядной емкости никель-кадмиевого аккумулятора от разрядного тока

Коэффициент использования активной массы составляет 60 -70%. Отдача по емкости у аккумуляторов с намазными пластинами достигает 80 - 85%. а отдача по энергии 65 - 70%

Саморазряд. Уменьшение емкости никель - кадмиевого аккумулятора происходит главным образом вследствие постепенной потери кислорода окисно-никелевым электродом Особенно интенсивна отдача кислорода в течение нескольких суток по окончании заряда, что связано с разложением высших окислов никеля В течение первых 15---20 суток саморазряд составляет 1,5% в сутки, а затем уменьшается до 0,5% Гарантийный срок годности никель - кадмиевого аккумулятора 2,5г (в этот срок входят хранение, транспортировка и работа его на самолете).

Назначение

Бортовые авиационные аккумуляторные батареи «VARTA» предназначаются для запуска авиадвигателей на земле и в полете, для обеспечения электроэнергией отдельных приемников на земле в случаях, когда отсутствует другое электроснабжение, а также для питания наиболее важных приемников в полете при аварийной работе основной системы электроснабжения.

Существует пять видов батарей «VARTA»:

20FP25HJC-R;

20FP38H1C-R;

F20/27H1CM1;

F20/22H1C-1;

F20/22H1C-2

3.1 Устройство аккумулятора

Общее строение.

Батарея состоит из 20 последовательно соединенных аккумуляторов, помещенных в контейнер батареи. Контейнер батареи и другие металлические детали контейнера изготовлены из листовой нержавеющей стали.

Во внутренней части контейнера батареи уложены устойчивые к тепловому воздействию пластмассовые пластины. Крышка снабжена мягкими резиновыми ребрами, которые служат для прижима аккумуляторов. Штепсельный разъем, расположенный на передней стенке контейнера, необходим для подключения батареи к бортовой системе питания. Все батареи могут дополнительно укомплектовываться термодатчиками для контроля теплового состояния

Аккумулятор.

Основным компонентом никель-кадмиевой батареи является аккумулятор.

Он состоит из:

положительных и отрицательных электродов;

сепаратора;

электролита;

сосуда;

клапана;

перемычки.

Электроды. Спеченная металлическая основа является композиционным носителем активной массы положительных и отрицательных электродов, состоящих из никелевого порошка пористостью, приблизительно, 80%. Эта основа становится прочими благодаря перфорированному металлу с никелевым покрытием в который она заключена.

Активный материал вносится в высокопористый композиционный носитель в жидком состоянии. Для этого положительные электроды погружаются в раствор никеля, а отрицательные электроды и раствор кадмия.

Сепараторы. Специальные, очень тонкие сепараторы отделяют друг от друга электроды различной полярности. Сепаратор располагается между положительными и отрицательными электродами, которые образуют блок пластин с соответствующими выводами.

Сосуд аккумулятора. Сосуд и крышка аккумулятора изготовлены из термоустойчивой пластмассы - полиамида. После установки блока пластин в аккумулятор, сосуд и крышка специальным методом герметично привариваются друг к другу.

Клапан. Каждый аккумулятор закрывается специальным клапаном, который обеспечивает удаление газов, образующихся в процессе заряда, при определенных величинах избыточного давления и в то же время предотвращает утечку электролита, если батарея перевернута вверх дном.

Электролит. В данной батарее в качестве электролита используется раствор гидроксида калия (КНО) и дистиллированной воды. Плотность электролита 1.25-1,30 кг/л. Состав и степень очистки электролита должны соответствовать инструкции производителя батарей.

Перемычки. Аккумуляторные соединены последовательно медными перемычками с никелевым покрытием, обладающие хорошей проводимостью.

Технические характеристики батареи.

Батареи предназначены для работы в следующих условиях:

при температурах окружающей среды от -40°С до +71°С с сохранением работоспособности;

при температурах от -18°С до +50°С с обеспечением оптимальных пусковых и зарядно-разрядных характеристик;

при пониженном атмосферном давлении 25 Мбар соответствующее высоте полета равной 25000 м;

при и после воздействия вибрации в диапазоне частот от 5 и до 2000 Гц с максимальным вибрационным ускорением равной 19 g;

при и после воздействия ударов при ускорении ударных нагрузок до 6 g с длительностью воздействия равной 20 мс;

при воздействии ускорений до 15 g в каждом направлении.

Основные характеристики батареи

Таблица 3

Обозначение типа аккумуляторов	Р38П1С	Р27Н1С	Р25Н1С	Р22Н1С	Р17Н1С
Количество аккумуляторов	20	20	20	20	20
Номинальная емкость Ач	38	27	25	22	17
Номинальное напряжение, В	24	24	24	24	24
Номинальный ток 1 часового разряда	38		25	22	17
Фактическая емкость в процессе эксплуатации	более 80 % номинальной емкости
емкость после 20 суток хранения при t=+5-20°С, не менее, А ч	34,2	24,3	22,5	19,8	15,3
Ток допустимой стартовойнагрузки, А	1700	1550	1550	1250	850
Ток допустимой длительной нагрузки. А	570	500	500	330	210
Номинальный ток заряда (0,2*I1)A	7.6	5,4	5	4,4	3.4
Ток ускоренного заряда(I1). А	38	27	25	22	17
Внутреннее сопротивлениемОм. при: t=-30°C t= 0°с t=+25°C	19 10,5 8,7	22 11 10,5	24 12.5 12	26 11 9,2	37 18 11,4
Сопротивление изоляции между элементами и корпусом батареи в межрегла- ментный период, не менее, мОм при 250В после чистки, не менее,Мом			15 10
Электролит	Раствор гидроксида калия №9 плотностью 1.25...1,3 кг/л
Номинальный уровень электролита измеренный при За 15 минут до конца заряда на режиме 0,2* I1	По нижнему краю указателя уровня электролита ±5мм
Давление срабатывания клапана	0,35±0,2бар (0,35±0.2кгс/см2)
момент затяжки Нижней полюсной гайки верхней полюсной гайки	7Нм (70кгс см) 10 Нм (100 кгс см)	4 Нм (40 кгс см) 5 Нм (30 кгс см)
Режимы заряда	Токи заряда (А)
1.режим заряда: а) Заряд током I1 до напряжения 31В на батарее. б) Дозаряд током 0.2* I1 в течение 120 мин.	38 7,6	27 5,4	25 5	22 4,4	17 3,4
2. режим заряда а) Заряд током 0,4* I1 в течение 180 мин. б) До заряд током 0,2*1, в течение 120мин.	15 7,6	10,8 5,4	10 5	8,8 4.4	6.8 3,4
3. режим заряда: Заряд током 0;2*1,; в течение 7 часов, А	7.6	5,4	5	4,4	3,4
Напряжение на аккумуля- торах в конце заряда	>1,56В

Правильная эксплуатация батареи и срок службы зависят от соблюдения оптимального напряжения заряда на борту летательного аппарата (ЛА), т. к. при повышенном напряжении и связанным с этим перезарядом происходит газоделение и выплескивание электролита. Оптимальное напряжение заряда зависит от температуры (рис.3.1.).

Рекомендуется устанавливать следующие значения напряжения

- при температуре от -10°С до -35°С оптимальное напряжение находится в пределах от 1,4 В до 1,425 В на одном аккумуляторе (28?28.5 В для батареи, состоящей из 20 аккумуляторов);

- при более высоких температурах оптимальное напряжение заряда должно уменьшаться до 1,36?1,37 В на одном аккумуляторе (27,2?27,5 В для аккумуляторной батареи).



Рис. 3.1. Пример приблизительной зависимости напряжения элемента от температуры

3.2 Принцип действия аккумулятора

Во время заряда и разряда аккумулятора протекают следующие электрохимические реакции:

пол.эл. отр. эл. пол. эл. отр. эл.

2Ni(OH)₂+Cd(OH)₂-2Ni(OH) +Cd + 2H₂O (3.1)

На положительном электроде происходит следующий процесс:

NiОOH+H₂О+е-Ni(OH)₂ +(OН )^- (3.2)

а на отрицательном:

Cd + 2(ОН)^- - Cd(OH)₂ + 2e (3.3)

Электролит, то есть едкий калий (КОН) в этих реакциях не участвует, а затем сложит проводником тока между положительными и отрицательными электродами. Поэтому удельная плотность электролита не изменяется (в отличие от кислотной батареи), что позволяет добиться прекрасных характеристик для низких температур.

Раздел 4. Авиационные серебряно-цинковые аккумуляторные батареи

Серебряно - цинковые аккумуляторные батареи основаны на электрохимической системе:

(+)Ag|KOH|Zn(-) (4.1)

Активным веществом положительного электрода является окись серебра AgO а отрицательного электрода - цинк Zn. Электролитом служит раствор гидрата окиси калия (КОН) плотностью л= 1,47.

На отри нагельном электроде при разряде происходит реакция окисления цинкa:

Zn + 2OH^- > Zn + H₂O + 2е (4.2)

В процессе разряда серебро восстанавливается в два этапа. На первом восстанавливается окись серебра:

AgO+2е+H₂О+2е> AgO+2ОH (4.3)