Расчет элементов аккумулятора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Характеристики аккумулятора

Если аккумулятор находится в покое, то его э.д.с. почти не зависит от степени разряда пластин, но изменяется с изменением плотности электролита.

Э.д.с. покоя E₀ свинцового аккумулятора можно вычислить по эмпирической формуле

Е о = у + 0,84,

где у - плотность электролита, приведенная к 15° С.

Для автомобильных аккумуляторов, в которых плотность электролита изменяется от 1,09-1,15 до 1,25-1,31 г./см⁸, э.д.с. покоя будет изменяться соответственно от 1,93-1,99 до 2,09 - 2,15 В.

В процессе разряда напряжение аккумулятора меньше с. на величину падения (потери) напряжения внутри аккумулятора (I_рг_акк). При заряде напряжение аккумулятора больше э.д.с. на величину I_зарг_а1{К.

Характеристикой разряда аккумулятора называют зависимость изменения плотности электролита, э.д.с. и напряжения аккумулятора при постоянной силе разрядного тока от времени разряда. Характеристики разряда снимают при непрерывном разряде полностью заряженного аккумулятора силой тока, равной 0,05 его номинальной емкости, до конечного напряжения 1,75 В. Во время разряда при помощи реостата поддерживают постоянную силу разрядного тока I_р и измеряют напряжение Up и E_акк на зажимах аккумулятора, а также плотность электролита у.

Э.д.с. аккумулятора измеряют при разомкнутой внешней цепи; э.д.с. покоя Е₀ подсчитывают по эмпирической формуле. По замеренным величинам строят кривые - характеристики разряда аккумулятора.

Причины изменения у, Е₀, E_аКК и Up при разряде аккумулятора следующие.

В процессе разряда аккумулятора постоянной силой тока количество серной кислоты H₂S0₄, затрачиваемой на преобразование РbO₂ и РЬ активной массы пластин в PbS0₄ и образование воды, в каждую единицу времени будет постоянным, поэтому плотность электролита у в баке будет уменьшаться равномерно.

Э.д.с. покоя E_0,зависящая только от плотности электролита в баке, будет также изменяться равномерно, поэтому прямая, характеризующая снижение э.д.с. покоя, будет параллельна прямой снижения плотности электролита.

Пользуясь формулой подсчета э.д.с. покоя Е₀ аккумулятора, определяем, что в период разряда она уменьшилась с 2,11 В в начале разряда до 1,95 В в конце разряда.

При разряде аккумулятора в порах активной массы положительных пластин образуется вода, вследствие чего плотность электролита в них будет меньше плотности электролита в баке вокруг пластин. На величину уменьшения плотности электролита в порах пластин соответственно уменьшится и э.д.с. аккумулятора. Следовательно, в период разряда э.д.с. аккумулятора E_акк всегда меньше э.д.с. покоя Е₀ на величину ДE.

В начале разряда за счет образования воды в порах положительных пластин э.д.с. аккумулятора E_акк быстро снижается. При дальнейшем же разряде вследствие неодинаковой плотности электролита в порах активной массы пластин и электролита, окружающего пластины, происходит диффузия электролита внутрь пластин.

Как только установится равновесие образования новой воды в порах пластин с притоком более плотного электролита в поры, разность плотностей электролита в порах активной массы и снаружи пластин будет неизменной. При этом в течение большого отрезка времени разряда уменьшение э. д. с. ДE будет также почти постоянным.

По мере разряда аккумулятора на поверхности стенок пор активной массы пластин отлагаются кристаллы PbS0₄, что вызывает уменьшение проходных сечений пор и снижение скорости диффузии электролита в поры.

По этой причине плотность электролита в порах активной массы положительных пластин в конце разряда аккумулятора быстро понижается и вместе с этим быстро снижается э.д.с. и напряжение аккумулятора.

Напряжение Up на зажимах разряжаемого аккумулятора меньше э.д.с. аккумулятора E_акк на величину падения напряжения внутри аккумулятора (I_рг_акк).

Таким образом, при разряде аккумулятора напряжение U_p на его зажимах будет меньше э.д.с. покоя Е₀ на величину падения напряжения внутри аккумулятора (Iр^га_Кк) и величину падения э.д.с. (ДE), т.е.

U р = Е о I_рг _акк ДЕ,

Разряд аккумулятора прекращают при напряжении 1,75В, когда почти вся активная масса будет преобразована в сернокислый свинец. При дальнейшем разряде аккумулятора напряжение во внешней цепи резко падает, что нарушает нормальную работу потребителей. Кроме того, дальнейший разряд вреден, так как реакция при недостатке серной кислоты идет по уравнению

Pb0₂ + Pb + 2НР == 2РЬ (ОН),

и является необратимой реакцией, а получающаяся гидроокись свинца РЬ (ОН)₂ при доступе серной кислоты в поры после окончания разряда превращается в свинцовый сульфат (PbS0₄) крупнокристаллического строения, который плохо восстанавливается в РbO₂ и РЬ при заряде и имеет малую электропроводность. Следовательно, конец нормального разряда аккумулятора определяется по величине напряжения и величине плотности электролита.

При выключении цепи разряда напряжение аккумулятора скачком увеличивается на величину I_рг_акк, достигая величины его э.д.с. Е_акк, затем вследствие продолжающейся диффузии электролита из бака в поры пластин его плотность внутри пор повышается, поэтому постепенно возрастает и э.д. с. аккумулятора E_акК до значения э.д.с. покоя E₀, равного 1,95 В. Этот процесс роста э. д. с. аккумулятора после выключения цепи разряда называется «отдыхом» аккумулятора.

Количество электричества, отдаваемое заряженным аккумулятором при его разряде до допустимого предела (в нашем примере до 1,75 В) называют емкостью аккумулятора. Емкость аккумулятора С_р измеряется в ампер - часах и выражается произведением силы разрядного тока I_р на время разряда т.е.

^Ср ⁼ Iptp

В нашем примере емкость аккумулятора составит С_р= I_ptp =4А*20 ч=80А * ч. емкость гкжрана заштрихованным прямоугольником.

2. Система зажигания

Какова бы ни была система зажигания, ей не обойтись без датчика, сигнализирующего о моменте искрообразования.

В обычных или контактных системах зажигания эту функцию выполняет прерыватель. Что же касается бесконтактных электронных систем зажигания, то в них для датчиков могут применятся: магнитоэлектрические, на эффекте Холла, высокочастотные, оптоэлектронные, токовихревые и фотоэлектрические.

Из этого ряда выжил и используются сегодня тип датчиков на эффекте Холла. Это, который применяется на автомобилях, ЗИЛ - 130, ЗИЛ - 131, ГАЗ -2410, ГАЗ - 3110, ГАЗ - 3302, «Газель», ГАЗ - 2705, «Соболь», ВАЗ -2108, ВАЗ -2109, ВАЗ -2110, ВАЗ - 2131 «НИВА», ВАЗ - 11113 «ОКА», ЗАЗ -1102 «Таврия».

Бесконтактная система зажигания с элементом Холла

Еще в 1879 году американский физик Э. Холл, работавший в Балтиморском университете, открыл интересное явление, суть которого состояла в следующем.

Если в магнитное поле поместить поместит прямоугольную полупроводниковую пластину и к узким граням подвести электрический ток, то на широких гранях пластины возникает напряжение от десятков микровольт до сотен милливольт.

Эффект Холла заключается в том, что при пропускании тока через клеммы! «а» полупроводниковой пластины, помещенной в поле магнита, на боковых клеммах «б» появляется напряжение.

Принцип работы элемента Холла

Когда металлической лопастью ротора перекрывается наполовину зазор между постоянным магнитом и микросхемой, в микросхеме образуется электрический сигнал от 0,4-9В. При этом напряжение питания микросхемы от 6 до 16В.

> если этот зазор полностью перекрывается лопастью ротора, то напряжение на микросхеме равно напряжению питания.

> если через зазор проходит вырез ротора, то напряжение на микросхеме не менее 0,4 В

Параметры работы элемента Холла.

а) рабочее напряжение питания, на красном проводе -6-16В

б) максимальный потребляемый ток - 13 мА

в) максимальный ток нагрузки, на зеленом проводе - 20 мА

г) рабочая температура - от 40 до+125 С

Преимущества и недостатки БСЗ с элементом Холла Преимущества

а) электрический сигнал в элементе Холла имеет прямоугольную форму; т.е. практически не зависит от частоты вращения коленчатого вала рис…

б) стабильность выходных характеристик: мощносшых, экономических, по содержанию вредных веществ в отработавших газах.

в) в двигателе применяется более обедненная топливом смесь.

г) лучше запуск двигателя - больше мощность искры на свечах.

Недостатки:

а) микросхемы в элементе Холла и в коммутаторах более чувствительны к электромагнитным излучениям и перепадам напряжения в бортовой сети автомобиля.

3. Система пуска

Стартеры с дополнительными встроенными редукторами и постоянными магнитами

Редукторы, встраиваемые в стартеры, разделяются на три основных типа: цилиндрический с внешним зацеплением, цилиндрический с внутренним зацеплением и планетарный. Редукторы выполняются одноступенчатыми с прямозубыми шестернями. На автомобилях семейства ваз21102-2112 используются стартера с планетарным редуктором. Планетарный редуктор между приводом и валом электродвигателя (рис. 4.23) состоит из внешнего зубчатого колеса, закрепленного в корпусе 9 редуктора, в котором в подшипнике вращается водило 10 с зубчатыми колесами (сателлитами) 11. Планетарный редуктор обеспечивает соосность осей электродвигателя и привода, чем упрощается компоновка стартера на двигателе взамен стартеров без дополнительного редуктора. Планетарный редуктор не создает радиальную нагрузку на вал электродвигателя, что дает возможность применять для вала якоря подшипники скольжения. Технология изготовления деталей таких редукторов сложнее, однако сборка проще благодаря соосности основных узлов стартера. Внешнее зубчатое колесо изготавливается из пластмассы типа Полиамид-66, иногда с добавками графита или методом порошковой металлургии. Сателлиты, прессованные из порошкового материала, вращаются на осях в подшипниках скольжения или в игольчатых подшипниках. Последние предпочтительнее, так как обеспечивают больший КПД редуктора. Ось сателита одновременно является внутренней обоймой игольчатого подшипника. Это предъявляет высокие требования с материалу и точности изготовления осей. Центральное зубчатое колесо выполняется как одно целое с валом якоря или может быть съемным. Для получения минимальных механических потерь и обеспечения высокого срока службы предъявляются повышенные требования к точности изготовления зубчатых колес и других деталей редуктора. С той же целью применяют высококачественные смазочные материалы. Передаточное отношение редуктора обычно составляет 3-5.

Якорь стартера с редуктором имеет конструктивные особенности. Обмотка якоря пропитана компаундом, уменьшающим вероятность его разноса. В связи с повышенной частотой вращения якорь обязательно подвергается динамической балансировке. Для снижения потерь на гистерезис и вихревые токи пакет якоря собирают из пластин тонколистовой (толщина 0,5 мм) электротехнической стали.

В связи с уменьшенной металлоемкостью и повышенной удельной мощностью стартеры с редуктором обладают большей тепловой напряженностью по сравнению со стартерами без редуктора.

Наиболее ответственным в стартерах с редуктором является щеточного-коллекторный узел. Плотность тока на щетках из-за увеличения быстроходности и уменьшенной длины якоря в режиме максимальной мощности в 1,5-2,5 раза превышает плотность тока у обычных стартеров. В таких условиях требуется применение специальных щеток, имеющих на сбегающем крае повышенное содержание графита. Это увеличивает сопротивление коммутируемой цепи, улучшает коммутацию. Кроме того, применяется сдвиг щеток против направления вращения на 0,3-0,5 коллекторного деления. В итоге обеспечивается уменьшение изнашивания щеток и коллектора до уровня стартеров без редукторов. Стартep на рис. 4.23 имеет электромагнитное возбуждение, а некоторые современные стартеры мощностью 1-2 кВт - возбуждение от постоянных магнитов. Используются постоянные магниты из феррита стронция, которые имеют повышенную коэрцитивную силу по сравнению с магнитами из феррита бария. Повышенная коэрцитивная сила увеличивает стойкость магнитов против размагничивания реакцией якоря в момент включения стартера, когда действует сила тока короткого замыкания. Для повышения стойкости к размагничиванию применяют специальную обработку сбегающего участка магнита, приводящую к дополнительному местному повышению коэрцитивной силы, увеличивают число полюсов до шести или применяют экранирование сбегающей части полюса магнитным шунтом, замыкающим часть магнитного потока якоря.

Стартер имеет массу на 30-50% меньшую, чем стартеры обычной конструкции, за счет повышения частоты вращения вала электродвигателя в 3-5 раз. Однако встраиваемый редуктор несколько увеличивает длину по оси стартера. Для ограничения длины применяют укороченный привод, в котором функцию буферной пружины выполняет пружинный рычаг, или располагают буферную пружину в тяговом реле стартера. Кроме того, длину стартеров мощностью 2-2,5 кВт уменьшают за счет углубления ступицы крышки со стороны коллектора и размещения вкладыша вала в цилиндрической выемке в торце коллектора.

Стартер с редуктором, особенно планетарным, более сложен. Он имеет большее количество деталей и более трудоемок в изготовлении. Снижение трудоемкости достигается автоматизацией изготовления ряда деталей, сборки узлов и всего стартера.

При мощности до 1 кВт редуктор в стартер встраивают редко, так как усложнение конструкции не компенсируется малым снижением металлоемкости. Стартеры такой мощности выполняются с возбуждением от постоянных ферро - стронциевых магнитов. Появились стартеры с возбуждением от постоянных магнитов высокой энергии, изготовленных из сплава железо-неодим-бор. Такие магниты называются «Магнаквенч». Стартер без редуктора с магнитами железо-неодим-бор существенно меньше по массе и объему стартера с электромагнитным возбуждением. Энергия магнитов «Магнаквенч» лежит в пределах 100 - 290 кДж/м³, тогда как у магнитов из феррита стронция - 22-30 кДж/м³. Сплав железо-неодим-бор дорог, кроме того, он окисляется на воздухе и восприимчив к воздействию температуры. Для предотвращения окисления изготавливают эпоксидно-клееные магниты, в которых зерна сплава обволакиваются компаундом, герметически изолирующим их от воздействия окружающей среды.

стартер зажигание аккумулятор редуктор

Электрическая схема стартера

Размещено на Allbest.ru