МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

В.Ю. Гумелёв, Н.Л. Пузевич, А.В. Писарчук, В.Д. Рогачёв

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ АВТОМОБИЛЕЙ СЕМЕЙСТВА

«МОТОВОЗ-1». АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ И ЭНЕРГОБЛОК:

УСТРОЙСТВО, ОБСЛУЖИВАНИЕ, ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ И УСТРАНЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ

Учебное пособие

Рязань

2011

МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ.

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ АВТОМОБИЛЕЙ СЕМЕЙСТВА

«МОТОВОЗ-1».

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ И ЭНЕРГОБЛОК:

УСТРОЙСТВО, ОБСЛУЖИВАНИЕ, ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

И УСТРАНЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ

Учебное пособие

Рекомендуется государственным образовательным учреждением высшего

профессионального образования – военным учебно-научным центром Сухопутных войск «Общевойсковая академия Вооруженных сил Российской Федерации» – в качестве учебного пособия для курсантов Рязанского высшего воздушно-десантного командного училища (военного института) имени генерала армии В. Ф. Маргелова (филиала) федерального государственного военного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Военный учебно-научный центр Сухопутных войск «Общевойсковая академия Вооруженных сил Российской Федерации», обучающихся по специальности «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта».

Регистрационный номер рецензии 239 от «25» сентября 2011 г. Департамента образования Министерства обороны Российской Федерации

Рязань

2011

1

УДК 629.113.066 ББК 39.33-041 Э45

Рецензент

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры тылового и технического обеспечения войск

Военного учебно-научного центра Сухопутных войск «Общевойсковая академия Вооружённых сил Российской Федерации»

заслуженный специалист Вооружённых сил Ю.П. Павлов

Э45 Электрооборудование автомобилей семейства «Мотовоз-1». Акку-

муляторные батареи и энергоблок: устройство, обслуживание, предупрежде-

ние и устранение неисправностей: учеб. пособие (издание дополненное и пере-

работанное) / В.Ю. Гумелёв, Н.Л. Пузевич, А.В. Писарчук, В.Д. Рогачёв. –

Рязань: Ряз. высш. возд.-дес. ком. уч-ще (воен. ин-т), 2011. – 153 с.

В учебном пособии рассмотрены устройство, обслуживание, преду-преждение и устранение неисправностей аккумуляторных батарей и энергоблока автомобилей семейства «Мотовоз-1».

Учебное пособие предназначено для подготовки специалистов ав-томобильной службы в военно-учебных заведениях, обучающихся по специальности «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта».

Компьютерный набор, оформление и верстка Шилеева Н.М.

УДК 629.113.066 ББК 39.33-041 РВВДКУ, 2011

3

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………….…………….………………………. 6 1 Назначение, состав и характеристика электрооборудования автомобиля

Урал-4320-31………………………………………………………………… 9 1.1 Назначение и состав системы электрооборудования……………….. 9 1.2 Характеристика схемы системы электрооборудования………….. 11 2 Аккумуляторные батареи………………….…………………....................... 12 2.1 Общие положения……………………………………………………… 12 2.1.1 Назначение, классификация и требования к стартерным

аккумуляторным батареям………………………………….... 12 2.1.2 Батареи, устанавливаемые на автомобиле Урал-4320-31..… 18 2.1.3 Устройство и работа простейшего свинцового

аккумулятора………………………………………………….. 19 2.1.4 Электрические характеристики аккумулятора……………… 22 2.1.5 Основные характеристики свинцовых стартерных батарей

и методы их испытаний на соответствие заявленным изготовителем характеристикам……………….…………… 28

2.1.6 Общие характеристики батарей и молекулярных накопителей энергии…………………………………………. 31

2.1.7 Маркировка отечественных батарей…………….…………... 31 2.1.8 Маркировка молекулярных накопителей энергии………….. 38 2.1.9 Маркировка батарей иностранных изготовителей……… 38 2.2 Устройство аккумуляторной батареи………………………………… 43 2.2.1 Аккумуляторные батареи с ячеечными крышками типа

6СТ-190………………………………………………………... 43 2.2.2 Аккумуляторные батареи с общей крышкой типа

6СТ-190…………………………………………….……..….… 56 2.2.3 Аккумуляторные батареи-модули 6ТСТС-100А и

6ТСТС-100АЗ необслуживаемые……………………...……… 60 2.3 Энергоблок с молекулярным накопителем энергии……………….… 63 2.3.1 Молекулярный накопитель энергии…………….…………… 63 2.3.2 Состав, назначение и принцип действия энергоблока….….. 62 2.4 Приведение сухозаряженных аккумуляторных батарей в рабочее

состояние…………………………………………………………….… 67 2.4.1 Общие указания………………………………………………. 67 2.4.2 Требования безопасности…………………………………….. 72 2.4.3 Приведение сухозаряженных аккумуляторных батарей

в рабочее состояние обычным способом………..………… 76

4

2.4.4 Приведение сухозаряженных аккумуляторных батарей в рабочее состояние ускоренным способом…………………..

81

2.5 Особенности установки аккумуляторных батарей на автомобиль Урал-4320-31……………….……………………………………….…. 83

2.5.1 Размещение контейнера аккумуляторных батарей на автомобиле и его устройство…………………………….…... 83

2.5.2 Особенности установки и подключения аккумуляторных батарей типа 6СТ-190………………………………………… 86

2.5.3 Особенности установки и подключения батарей-модулей 6ТСТС-100А…………………………………………………... 87

2.5.4 Особенности установки и подключения энергоблока с молекулярным накопителем энергии……………………... 89

2.5.5 Установка трофейных аккумуляторных батарей в особых случаях……………………………………………………….… 91

2.6 Порядок эксплуатации и техническое обслуживание аккумуляторных батарей…………….………………………………... 94

2.6.1 Общие указания. Объём и периодичность технического обслуживания аккумуляторных батарей………………………. 94

2.6.2 Устройства, приборы и принадлежности для технического обслуживания батарей………………………………………... 98

2.6.3 Выполнение работ по техническому обслуживанию без снятия батарей с машины…………………………………….. 102

2.6.4 Выполнение работ по техническому обслуживанию при снятых батареях с машины…………………………………… 104

2.6.5 Проверка технического состояния аккумуляторных батарей аккумуляторными пробниками…………………..… 118

2.7 Основные неисправности аккумуляторных батарей и способы их устранения……………………………………………………………… 126

2.7.1 Общие положения…………………………………………….. 126 2.7.2 Трещины моноблоков и крышек аккумуляторов. Трещины

заливочной мастике и ее отслоение…………………………. 126 2.7.3 Повреждение и износ полюсных выводов и перемычек…… 128 2.7.4 Коррозия токоотводов положительных электродов………… 130 2.7.5 Сульфатация электродов……………………………………… 134 2.7.6 Повышенный саморазряд…………………………………….. 135 2.7.7 Отстающие аккумуляторы…………………………………… 137 2.7.8 Короткое замыкание внутри аккумулятора…………………. 138 2.7.9 Нарушение электрической цепи аккумуляторной батареи… 138 2.7.10 Причины взрыва батарей при их эксплуатации

на автомобиле…......................................................................... 139

5

2.7.11 Причины замерзания электролита в аккумуляторах батареи………………………………………………………… 140

2.7.12 Причины возгорания батарей………………………….…….. 142 2.7.13 Недопустимость слива электролита путём

переворачивания батареи…………………………………….. 142 2.7.14 Разборка и сборка аккумуляторных батарей в моноблоке

с ячеечными крышками и межэлементными перемычками над крышками………………………………………….….…... 143

2.7.15 Ремонт в особых условиях с полной разборкой и заменой отдельных аккумуляторов батареи в моноблоке с общей крышкой……………………………………………………….. 144

2.8 Гарантийный срок, срок службы и наработка…………..…..………. 146 Заключение…………………….………………………………………….………. 149 Список литературы…………………………………….……………………..………. 150 Приложение А Виды и периодичность технического обслуживания

автомобиля Урал-4320-31...…………………………………… 153

6

ВВЕДЕНИЕ

Автомобили «Урал» с колесной формулой (6х6), трехместной цельноме-таллической кабиной, расположенной за двигателем, предназначены для пере-возки грузов, людей и буксирования прицепов по всем видам дорог и местности образуют семейство автомобилей «Мотовоз-1».

Базовыми моделями семейства являются автомобили многоцелевого на-значения Урал-4320-10, представленный в соответствии с рисунком 1, и Урал-4320-31, представленный согласно рисунку 2. Числа с дефисами «-10» и «-31» (или «-30») показывают модель дизеля ЯМЗ-236М2 и ЯМЗ-238М2, соот-ветственно.

Схемы электрооборудования базовых моделей одинаковые, но имеют два исполнения: для Министерства Обороны и для народного хозяйства.

Рисунок 1 – Автомобиль многоцелевого назначения Урал-4320-10

Рисунок 2 – Автомобиль многоцелевого назначения Урал-4320-31

7

На базе автомобилей Урал-4320-31 и Урал-4320-10 завод в г. Миасс вы-пускает следующие модификации автомобилей Урал [1]: бортовой автомобиль Урал-43202-0351-31 общетранспортного назначения с деревянной платформой; седельные тягачи Урал-4420-10 и Урал-4420-31 – для буксирования специаль-ных полуприцепов по всем видам дорог и местности; седельный тягач Урал-44202-0311-31 – для буксирования полуприцепов по всем видам дорог (рисунок 3); седельный тягач Урал-44202-0612-30 – для буксирования полу-прицепов по аэродромам и ровным площадкам; бортовой автомобиль Урал-4320-0911-30 (рисунок 4) с увеличенной базой – для перевозки грузов и людей по всем видам дорог и местности; бортовые автомобили Урал-4320-0611-10 и Урал-4320-0611-31 с деревянной платформой и тентом – для перевозки грузов, Урал-4320-06-10 (рисунок 5) с металлической платфор-мой и тентом (колесная формула 4×4) – для перевозки грузов и людей по всем видам дорог и местности.

Рисунок 3 – Седельный тягач Урал-44202-0311-31

Рисунок 4 – Бортовой автомобиль Урал-4320-0911-30 с увеличенной базой

8

Рисунок 5 – Бортовой автомобиль Урал-4320-06-10

Автомобиль Урал-4320-31 – одна из основных базовых марок военной ав-

томобильной техники (ВАТ), используемой в Вооружённых Силах Российской Федерации. Эти автомобили используются для перевозки личного состава, раз-личных грузов военного назначения (боеприпасы, ГСМ, военное имущество и продовольствие), а также как шасси для монтажа вооружения и военной техни-ки. Практически боевое и материальное обеспечение личного состава участ-вующих в боевых действиях подразделений осуществляется машинами данной марки.

Готовность к использованию указанных автомобилей в значительной ме-ре определяется техническим состоянием электрооборудования, и в первую очередь таких систем, как система электроснабжения. Система электроснабже-ния включает в себя источники электрической энергии: основной – генератор-ная установка; дополнительный – аккумуляторные батареи. Все остальные сис-темы выступают в роли приёмников электрической энергии, которые в зависимости от режимов работы двигателя питаются от генератора или от бата-рей. Все связи между приборами электрооборудования и их взаимное располо-жение отражаются на электрических схемах, которые разрабатываются как для отдельных систем, так и для электрооборудования автомобиля в целом.

Настоящее учебное пособие содержит описание принципа действия, уст-ройства, установки на автомобиль, технического обслуживания, предупрежде-ния и устранения неисправностей аккумуляторных батарей и энергоблока базо-вой модели автомобилей семейства «Мотовоз-1» бортового автомобиля Урал-4320-31. Пособие предназначено для учреждений среднего профессио-нального образования и может быть полезно для лиц всех категорий, занимаю-щихся эксплуатацией автомобильного транспорта.

9

1 НАЗНАЧЕНИЕ, СОСТАВ И ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ АВТОМОБИЛЯ УРАЛ-4320-31

1.1 Назначение и состав системы электрооборудования Электрооборудование автомобиля представляет собой сложный комплекс

электротехнических и электронных устройств, обеспечивающих работу двига-теля и автомобиля в целом, безопасность движения и эргономические требова-ния.

Электрооборудование автомобиля Урал-4320-31 включает в себя сле-дующие системы и устройства [1]:

− электроснабжения; − электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания и устройст-

ва для облегчения пуска двигателя при низких температурах; − освещения, световой и звуковой сигнализации; − информации и контроля; − электропривод; − коммутационные и защитные устройства, электропроводку. Структурная схема электрооборудования автомобиля Урал-4320-31 пред-

ставлена в соответствии с рисунком 1.1. Система электроснабжения предназначена для питания электрической

энергией всех приёмников электрической энергии на автомобиле. Она состоит из двух соединённых между собой последовательно аккумуляторных батарей (АКБ) и генераторной установки, соединённой с батареями параллельно.

Система электростартерного пуска предназначена для проворачивания коленчатого вала двигателя с частотой, превышающей минимальную пусковую частоту. К системе электростартерного пуска относятся: стартер, реле включе-ния стартера, реле блокировки стартера, выключатель стартера и приборов, а так же устройства для облегчения пуска двигателя при низких температурах.

Система освещения обеспечивает безопасность движения автомобиля в тёмное время суток и в условиях недостаточной видимости, а также улучшает условия работы водителя. В систему освещения входят осветительные приборы (фары головного освещения, фара-прожектор, плафон кабины и др.), переклю-чатели, выключатели, розетки.

Система световой сигнализации предназначена для оповещения других участников дорожного движения об аварийной остановке и о предстоящем ма-неврировании автомобиля. В систему световой сигнализации входят: светосиг-нальные фонари (габаритные огни, указатели поворота, сигналы торможения, фонари заднего хода и др.) и управляющие ими реле, переключатели и выклю-чатели.

10

Рисунок 1.1 – Структурная схема электрооборудования автомобиля Урал-4320-31

Система звуковой сигнализации предназначена для предупреждения уча-

стников дорожного движения при возникновении опасности, а также для осу-ществления сигнализации из кузова автомобиля. В систему звуковой сигнали-зации входят: сигналы звуковые низкого и высокого тона, реле звуковых сигналов и выключатель звуковых сигналов.

Система информации и контроля предназначена для контроля и диагно-стирования состояния электрооборудования и двигателя, наличия топлива, ха-рактеристики движения автомобиля. Она включает в себя датчики и указатели давления, температуры, уровня топлива в баке, спидометр, тахометр, сигналь-ные (контрольные) лампы, датчики предельного состояния и пр.

Электропривод применяется в системах стеклоочистки (предназначена для повышения обзорности в сложных погодных условиях), отопления и венти-ляции (предназначена для отопления и вентиляции воздуха внутри кабины), а так же в предпусковом подогревателе двигателя.

11

1.2 Характеристика схемы системы электрооборудования Система электрооборудования автомобиля Урал-4320-31 однопроводная,

отрицательный полюс источников электроэнергии и отрицательные выводы приёмников электроэнергии соединены с «массой» автомобиля. Отрицательный вывод аккумуляторных батарей (АКБ) соединяется с «массой» (корпусом) ав-томобиля дистанционным выключателем. Источниками электроэнергии служат две АКБ, соединённые последовательно, и генератор, работающий совместно с регулятором напряжения. АКБ и генератор соединены между собой параллель-но. Все приёмники электрической энергии на автомобиле также соединены ме-жду собой параллельно.

Соединение агрегатов и приборов электрооборудования осуществлено проводами с полихлорвиниловой изоляцией различного сечения. Провода, вхо-дящие в пучки, выполнены цветными для облегчения их нахождения и удобст-ва при монтаже. Одинарные провода могут выполняться любой расцветки. Рас-цветка провода может быть указана на манжетах, устанавливаемых на обоих концах провода, первой буквой цвета. Соединение проводов между собой и подсоединение к приборам осуществляется штекерными разъёмами. Для на-дёжной работы приёмников электрической энергии необходимо следить за со-стоянием предохранителей, установленных в блоках. Запрещено применять не-стандартные предохранители (проволока, болты, шайбы), так как при коротком замыкании в электрической цепи это приведет к немедленному выводу из строя приборов и устройств, выполненных на базе электроники. Перегоревший пре-дохранитель следует немедленно заменить другим, таким же по значению ве-личины рабочего тока.

12

2 АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ 2.1 Общие положения 2.1.1 Назначение, классификация и требования к стартерным

аккумуляторным батареям

Аккумулятор (лат. accumulator – собиратель), устройство для накопления энергии с целью её последующего использования. Электрический аккумулятор служит для накопления электрической энергии путём превращения её в хими-ческую энергию (при заряде), с обратным преобразованием по мере надобности (при разряде).

Аккумулятор – химический источник тока многоразового пользования, работоспособность которого может быть восстановлена путём заряда, то есть пропускания тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Ак-кумулятор состоит из положительных и отрицательных электродов и электро-лита. Аккумуляторы бывают кислотными (свинцовыми) и щелочными. В ки-слотных (свинцовых) аккумуляторах в качестве электролита применяется водный раствор серной кислоты.

Аккумуляторы соединяются последовательно в аккумуляторную бата-рею, чтобы получить требуемое напряжение. Для получения требуемых силы тока или ёмкости аккумуляторы соединяются в батарею параллельно.

Аккумуляторной батареей называют аккумуляторы, соединенные между собой, чтобы получить напряжение (последовательное соединение), силу тока или ёмкость (параллельное соединение) источника большие, чем может дать один аккумулятор [2]. Наибольшее распространение получили свинцовые ак-кумуляторные батареи из-за их относительной дешевизны и простоты зарядно-го режима [3]. Свинцовые аккумуляторные батареи бывают по своему назначе-нию и, соответственно, устройству стартерными, тяговыми, авиационными, стационарными и др.

Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи конструктивно выпол-нены так, что способны в течение короткого промежутка времени (до 20 се-кунд) отдать большой ток (до тысяч ампер) для работы системы электростар-терного пуска и одновременно выдерживать вибрационные нагрузки, возникающие при эксплуатации транспортного средства. Стартерная аккумуля-торная батарея состоит из нескольких (3, 6 или 12) одинаковых аккумуляторов, соединенных между собой последовательно. Количество последовательно со-единенных аккумуляторов определяет величину номинального напряжения UH батареи, которое может быть 6, 12 или 24 В.

Аккумуляторные батареи, установленные на машинах, могут работать как

13

самостоятельный источник тока, так и параллельно с генератором. Аккумуля-торные батареи предназначены для питания системы электростартерного пуска двигателя машины и других приемников (потребителей) электроэнергии при неработающем генераторе или недостатке развиваемой им мощности.

Основным режимом работы батарей является стартерный режим разряда, когда батарея должна кратковременно обеспечить отдачу больших разрядных токов [4, 5]. В этом режиме батарея работает как самостоятельный источник тока. При совместной работе с генератором батарее устраняет или уменьшает его перегрузку и сглаживает пульсации напряжения генератора в бортовой сети машины.

Классификация свинцовых стартерных аккумуляторных батарей пред-ставлена в соответствии с рисунком 2.1.

Заводами-изготовителями батареи поставляются пользователям сухоза-ряженными (без электролита) и залитыми электролитом.

Сухозаряженной батареей (или батареей с сохраняющимся зарядом) в соответствии с [6] называется аккумуляторная батарея, хранящаяся без элек-тролита, электроды которой находятся в сухом заряженном состоянии. Сухоза-ряженная батарея не содержит электролита, но активная масса электродов ак-кумуляторов в такой батарее заряжена перед сборкой на заводе-изготовителе в процессе производства при их «формовке» (электроды заряжают, промывают, а затем сушат в потоке горячего воздуха). Пробки аккумуляторов герметично за-крыты и предохраняют электроды аккумулятора от коррозии под воздействием влаги и кислорода воздуха, что позволяет обеспечить длительное хранение ба-тареи до пяти и более лет. Транспортировка таких батарей дешевле и безопас-ней – они легче и не содержат вредного и опасного для здоровья человека элек-тролита. Но сухозаряженные батареи не готовы к немедленному использованию и их нельзя проверить на работоспособность без заливки элек-тролита. Основным заказчиком и покупателем сухозаряженных стартерных ба-тарей является Министерство Обороны. Необходимость их закупки определена особенностями служебной деятельности министерства.

Приведение в рабочее состояние сухозаряженных аккумуляторных батарей проводится специалистами автомобильной службы согласно раз-делу 4 руководства [4].

Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи подразделяются на тан-ковые, автотракторные (автомобильные) и мотоциклетные [4, 6]. Их прин-ципиальное устройство одинаковое, но в зависимости от предназначения бата-реи имеют конструкционные отличия. Например, танковые обладают более высоким сопротивлением вибрации, чем другие батареи.

Сопротивление вибрации – способность батареи сохранять работоспособ-ность при периодических и нерегулярных воздействиях сил ускорения [6]. Эта

14

способность является важной характеристикой надежности работы батареи на бронетанковой технике.

Рисунок 2.1 – Классификация свинцовых стартерных аккумуляторных батарей

15

Танковые, автотракторные (автомобильные) и мотоциклетные аккумуля-торные батареи представлены в соответствии с рисунком 2.2.

а б в а – танковая батарея 12СТ-85Р1; б – автотракторная (автомобильная) батарея 6СТ-190ТР; в – мотоциклетная батарея 3MTC-18

Рисунок 2.2 – Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи Для классификации аккумуляторных батарей в соответствии с [6] приме-

няется термин «безуходность», согласно которого по конструкторско-технологическому исполнению (именно оно определяет расход воды при пере-заряде батарей при постоянном напряжении величиной (14,4±0,05) В в течение 500 часов) батареи делятся на три группы. Чем меньше расход воды при пере-заряде, тем выше сохранность заряда батареи при бездействии и, поэтому необ-ходим меньший объем технического обслуживания при ее эксплуатации. Зна-чит безуходность батареи выше.

Но классификация по расходу воды при перезаряде батарей мало инфор-мативна для обычных пользователей. Наиболее удобна классификация батарей непосредственно по объему работ, выполняемых при техническом обслужива-нии (по обслуживанию). Поэтому в настоящее время изготовителями и пользо-вателями стартерных батарей широко применяется следующая классификация их конструкционных и потребительских свойств:

– обслуживаемые батареи (обычной конструкции) – в моноблоке с яче-ечными крышками и межэлементными перемычками над крышками (ремонто-пригодные), представленные согласно рисунку 2.2, а, б, или в моноблоке с об-щей крышкой и межэлементными перемычками под крышкой (рисунок 2.3). Такие батареи требуют постоянного ухода – в первую очередь проверок уровня электролита и степени разряженности батареи по плотности электролита ее ак-кумуляторов, а также контроля других электрических параметров. Поставляют-ся сухозаряженными (без электролита) или залитыми электролитом. Эти бата-

16

реи на сегодняшний день считаются устаревшими. Они в основном производят-ся лишь на российских заводах и заводах стран СНГ и дешевле других;

а б в а – танковая батарея 12СТ-85АП; б – автотракторная батарея 6СТ-190А; в – автомобильная необслуживаемая батарея ECO.R 44B19 (изготовитель GS YUASA ECO.R, Япония) напря-жением 12 В и емкостью 44 А∙ч

Рисунок 2.3 – Аккумуляторные батареи с общей крышкой – малообслуживаемые батареи – в моноблоке с общей крышкой и межэ-

лементными перемычками под крышкой (батареи с общей крышкой при ре-монте не подлежат полной разборке). Они требуют значительно меньшего ухода (проверки уровня электролита и степени разряженности батареи по плот-ности электролита ее аккумуляторов производятся существенно реже), но име-ют пробки для контроля уровня электролита в аккумуляторах и доливки при необходимости дистиллированной воды. Поставляются сухозаряженными или залитыми электролитом. На малообслуживаемые аккумуляторные батареи це-ны несколько выше, чем на обслуживаемые;

– необслуживаемые батареи – в моноблоке с общей крышкой и межэле-ментными перемычками под крышкой незначительно теряют емкость при глу-боких разрядах и расход воды у них так мал, что батареи изготовлены полно-стью герметичными (без пробок) или с регулирующими (предохранительными) клапанами. При нормальных условиях работы клапан закрыт, но сбрасывает избыточное давление газа внутри аккумулятора, если оно превышает заданную величину. В эти батареи нельзя доливать воду или электролит в процессе экс-плуатации. Электролит в них находится в связанном состоянии в виде геля [6]. У необслуживаемых батарей малый саморазряд, поэтому отпадает необходи-мость проверки их степени разряженности при хранении. Нормальная работа гарантируется изготовителем в течение всего срока службы. Необслуживаемые батареи – самые дорогие.

17

Элемент конструкции аккумулятора, определяющий является ли батарея необслуживаемой, малообслуживаемой или обслуживаемой – токоотводы его электродов.

Если токоотводы отлиты из сплава свинца и сурьмы (сурьмы от 4 до 6%) – то батареи являются обслуживаемыми. Если сурьмы в сплаве меньше 2% или в качестве легирующей присадки применяют кальций, олово и некоторые дру-гие присадки – то батареи малообслуживаемые.

Необслуживаемые батареи производятся с токоотводами из свинцово-кальциевого сплава с многокомпонентными добавками (олово, серебро, мышь-як и др.).

Наибольшее влияние на работу аккумуляторных батарей при установке на машину оказывают: их место размещения и способ крепления; среднесуточ-ный пробег и условия эксплуатации: климатический район, время года и суток; предназначение автомобиля; соответствие характеристик генераторной уста-новки аккумуляторной батарее и приемникам электроэнергии.

Стартерные батареи должны удовлетворять следующим требованиям [3, 5, 7, 8]:

– обладать малым внутренним сопротивлением для обеспечения стартер-ного режима разряда. Быть размещенными как можно ближе к стартеру для уменьшения длины стартерного провода и падения напряжения на нём;

– иметь высокую емкость, чтобы обеспечивать необходимое количество попыток пуска двигателя с установленной продолжительностью, а также пита-ние приемников (потребителей) электроэнергии при неработающем двигателе;

– принимать заряд для восстановления израсходованной емкости от гене-ратора машины при работающем двигателе;

– сохранять высокие характеристики при низких температурах; – обладать минимальным объемом технического обслуживания, не тре-

бующего от персонала специальной подготовки и использования сложного и дорогостоящего оборудования;

– иметь высокие механическую прочность и сопротивление вибрации. Для их обеспечения посадочные места батарей должны иметь амортизаци-онные прокладки, а сами батареи должны быть надёжно закреплены;

– иметь срок службы близкий или кратный срокам службы или межре-монтного периода машин;

– обладать незначительным саморазрядом – при хранении в батареях не должны происходить необратимые процессы, ухудшающие их основные пока-затели;

– сохранять герметичность на выводах и в стыках между моноблоком и крышками, чтобы не допускать при преодолении брода или движении машины на плаву попадания воды внутрь аккумуляторов;

18

– иметь низкую стоимость. Доступ к батареям на машинах должен быть максимально свобод-

ным, резьбовые соединения наконечников проводов должны быть надёжно затянутыми, выводы батарей и наконечники соединительных проводов очищенными от окислов.

2.1.2 Батареи, устанавливаемые на автомобиле Урал-4320-31 На автомобиле Урал-4320-31 устанавливаются две последовательно со-

единенные свинцовые стартерные аккумуляторные батареи типа 6СТ-190 в ис-полнении 6СТ-190А, 6СТ-190ТМ или 6СТ-190ТР [1]. Напряжение последова-тельно соединенных батарей равно 24 В, а емкость – 190 А∙ч. Для обеспечения работоспособности системы электростартерного пуска двигателя при низких температурах окружающего воздуха на автомобиль могут устанавливаться две батареи 6СТ-190ТРН с электронагревательными элементами. Кроме того, на автомобиль возможна установка двух батарей 6СТ-190АП.

На автомобиль Урал-4320-31 также могут устанавливаться четыре парал-лельно-последовательно соединенные батареи-модуля 6ТСТС-100А (6ТСТС-100АЗ). Напряжение четырех параллельно-последовательно соединенных бата-рей-модулей 24 В, а их емкость – 200 А∙ч.

Для обеспечения электростартерного пуска двигателя при температурах до минус 50°С на автомобиль устанавливается энергоблок, который включает в себя молекулярный накопитель энергии, две последовательно соединённых ба-тареи-модуля 6ТСТС-100А и коммутирующую аппаратуру. Молекулярный на-копитель энергии подключается параллельно к батареям только при электро-стартерном пуске двигателя, а после пуска автоматически отключается. При неработающем генераторе автомобиля все приемники электрической энергии запитаны от аккумуляторных батарей.

По габаритным и присоединительным размерам батареи типа 6СТ-190 взаимозаменяемы с серийными танковыми батареями типа 6СТ-140 и 12СТ-70 [4]. Батареи типа 6СТ-140 при установке на автомобиль Урал-4320-31 соединя-ются между собой последовательно, а батареи типа 12СТ-70 – параллельно. Напряжение как последовательно, так и параллельно соединенных батарей рав-но 24 В, а емкость – 140 А∙ч. Аккумуляторные батареи, предназначенные для питания системы электростартерного пуска двигателя ЯМЗ-238М2 автомобиля Урал-4320-31, должны иметь суммарную емкость не менее 182 А∙ч. Поэтому при установке вместо батарей типа 6СТ-190 батарей типа 6СТ-140 или 12СТ-70 следует уменьшить продолжительность попыток электростартерного пуска двигателя или их количество или увеличить продолжительность времени между попытками по сравнению с установленным.

19

2.1.3 Устройство и работа простейшего свинцового аккумулятора В простейшем виде аккумулятор состоит из двух свинцовых электродов,

погруженных в сосуд с электролитом (раствор химически чистой серной кисло-ты Н2SO4 в дистиллированной воде). Каждый электрод состоит из токоотвода (решетки из сплава свинца) и пористой активной массы, намазанной на эту ре-шетку. Токоотводы нужны для придания прочности электродам.

Под действием серной кислоты, содержащейся в электролите, на поверх-ности обеих электродов образуется сульфат свинца PbSO4. Если к выводам электродов подключить амперметр, то прибор не будет показывать ток (рисунок 2.4, а). Если электроды аккумулятора соединить с полюсами генера-тора постоянного тока и пропускать через него ток, то в аккумуляторе будет происходить химическая реакция. В результате этой реакции на поверхности электрода, соединенной с положительным полюсом источника тока, образуется тонкий слой двуокиси свинца PbO2, а на поверхности электрода, соединенной с отрицательным полюсом, – тонкий слой пористого или губчатого свинца Pb. Этот процесс называется зарядом аккумулятора (рисунок 2.4, б).

а б в г

а – простейший свинцовый аккумулятор; б – заряд аккумулятора; в – разряд аккумулятора; г – аккумулятор после полного разряда

Рисунок 2.4 – Заряд и разряд простейшего аккумулятора

Если по окончании заряда электроды аккумулятора соединить с какой-

либо внешней цепью, например с лампой накаливания, то химическая реакция в аккумуляторе будет происходить в обратном порядке: двуокись свинца одного электрода и губчатый свинец другого будут превращаться в сульфат свинца. Пока продолжается эта реакция, во внешнюю цепь будет поступать ток из ак-кумулятора (рисунок 2.4, в). Такой процесс называется разрядом аккумулятора. После полного разряда (однако, практически аккумулятор не должен подвер-гаться полному разряду во избежание порчи его электродов) аккумулятор не

20

дает тока, так как на поверхности его обоих электродов вновь образуется суль-фат свинца, и его нужно вновь заряжать (рисунок 2.4, г) [9].

Рассмотренные химические процессы имеют место только в том случае, если электроды аккумулятора подключены к внешней электрической цепи – к источнику тока при заряде рисунок 2.4, б или к приемнику электрической энер-гии при разряде рисунок 2.4, в. Если внешняя цепь разомкнута, то такие про-цессы не имеют места. Поэтому эти реакции называются электрохимическими. Принцип действия аккумулятора основан на превращении электрической энер-гии в химическую (заряд), сохранении полученной энергии в течение некоторо-го времени и на обратном превращении химической энергии в электрическую (разряд). Это свойство аккумулятора называется обратимостью.

Во время разряда расходуется серная кислота из электролита и одновре-менно в электролит выделяется вода. Поэтому по мере разряда свинцового ак-кумулятора уменьшается концентрация серной кислоты, из-за чего плотность электролита понижается. При заряде происходят обратные химические реак-ции, в результате которых из сульфата свинца на положительном электроде вновь образуется двуокись свинца, на отрицательном электроде – губчатый свинец, а в электролит выделяется серная кислота и расходуется вода. При этом плотность электролита по мере заряда возрастает.

Значит, по величине плотности электролита можно судить о степени заряженности аккумулятора, чем и пользуются на практике. Процессы в свин-цовом аккумуляторе при его разряде и заряде, можно представить, в соответст-вии с теорией «двойной сульфатации», согласно которой при разряде аккуму-лятора на обоих его электродах образуется сульфат свинца, следующим уравнением [4, 10]:

Активные вещества аккумулятора сосредоточены в электролите, положи-тельных и отрицательных электродах, образующих электрохимическую систе-му.

Вышеописанное протекание электрохимических процессов в свинцовом аккумуляторе представлено в соответствии с рисунком 2.5.

21

ЗАРЯЖЕННЫЙ АККУМУЛЯТОР двуокись свинца (положительный электрод) +

губчатый свинец (отрицательный электрод) + серная кислота (в электролите)

РАЗРЯД ↓ ↑ ЗАРЯД

сульфат свинца (положительный электрод) + сульфат свинца (отрицательный электрод) + вода (в электролите)

РАЗРЯЖЕННЫЙ АККУМУЛЯТОР

а

б в

а – электрохимические процессы в свинцовом аккумуляторе при его разряде и заряде; б – разряд свинцового аккумулятора; в – заряд свинцового аккумулятора

Рисунок 2.5 – Протекание электрохимических процессов

в свинцовом аккумуляторе

22

2.1.4 Электрические характеристики аккумулятора 2.1.4.1 Основными электрическими характеристиками аккумулятора яв-

ляются [3, 4, 5, 8] электродвижущая сила, напряжение, внутреннее сопротив-ление, емкость и саморазряд.

Электродвижущей силой (ЭДС) аккумулятора называется разность по-тенциалов между его электродами при разомкнутой внешней цепи. ЭДС свин-цового аккумулятора ЕА, В, как и любого химического источника тока, зависит только от химических и физических свойств веществ, принимающих участие в токообразующем процессе, и не зависит от размеров и формы электродов, а также от количества активных масс и электролита. Величина ЭДС исправного аккумулятора зависит от плотности электролита (степени его заряженности) и изменяется в пределах от 1,92 до 2,15 В. Из промышленно выпускаемых хими-ческих источников тока у свинцового аккумулятора величина ЭДС одна из са-мых высоких.

Следует различать неравновесную ЭДС аккумулятора в течение времени от размыкания цепи до установления равновесного состояния (период протека-ния переходного процесса) и равновесную ЭДС, которая устанавливается ста-бильной через определенное время после отключения аккумулятора. Эти зна-чения ЭДС разные, что учитывается при его диагностировании. ЭДС измеряют высокоомным вольтметром (внутреннее сопротивление не менее 300 Ом/В). Для этого вольтметр подключают к выводам аккумулятора. При этом через ак-кумулятор не должен протекать зарядный или разрядный ток (рисунок 2.6). При заряде аккумулятора ЭДС и плотность электролита, зависящие от про-центного содержания кислоты в воде, возрастают. При разряде ЭДС аккумуля-тора и плотность электролита уменьшаются.

При эксплуатации аккумуляторных батарей по величине ЭДС ориентиро-вочно определяют их состояние (в первую очередь заряженность), а также про-веряют на короткое замыкание между разноименными электродами и на обрыв внутренней цепи аккумулятора.

Изменение ЭДС аккумулятора от температуры мало и им пренебрегают. ЭДС батареи ЕБ, В, состоящей из n последовательно соединенных акку-

муляторов, равна:

ЕБ = n ЕА, где ЕА – ЭДС одного аккумулятора, В.

Напряжением аккумулятора называется разность потенциалов между вы-

водами аккумулятора под нагрузкой. За номинальное напряжение свинцового аккумулятора принимается величина, равная 2 В. Величина напряжения при

23

разряде аккумулятора зависит от величины разрядного тока, продолжительно-сти разряда и температуры электролита.

а б в а – подключение вольтметра для измерения ЭДС аккумулятора; б – измерение напряжения аккумулятора при разряде; в – измерение напряжения аккумулятора при заряде

Рисунок 2.6 – Подключение вольтметра для измерения ЭДС и напряжения

аккумулятора Разряжать аккумулятор ниже определенного предела, называемого ко-

нечным разрядным напряжением, недопустимо, так как это может привести к переполюсовке и разрушению активной массы электродов. Для разных величин разрядного тока принимается различное конечное разрядное напряжение. При разрядном токе 10-часового разрядного режима конечное разрядное напряже-ние составляет 1,7 В.

Измерение напряжения аккумулятора при разряде производится согласно рисунку 2.6, б.

Параллельно вольтметру подключается резистор R с малым (десятые до-ли Ома) сопротивлением. В приборах для измерения напряжения разряда акку-мулятора (батареи) вольтметр и резистор выполняются в одном корпусе. Вели-чина разрядного напряжения аккумулятора является наиболее достоверным параметром, характеризующим его реальное техническое состояние.

Величина напряжения при заряде зависит от конструкции аккумулятора, его степени заряженности и температуры электролита. Нагрузкой для генерато-ра (или любого другого зарядного устройства) является аккумулятор. Измере-ние напряжения аккумулятора при заряде производится в соответствии с ри-сунком 2.6, в. Наличие внутреннего сопротивления аккумулятора приводит к

24

тому, что напряжение при разряде всегда меньше его ЭДС, а при заряде – все-гда больше ЭДС.

Напряжение аккумулятора при разряде UАР, В, меньше его ЭДС ЕА на ве-личину падения напряжения на нем:

UАР=ЕА – IАР·rА,

где IРА – сила разрядного тока аккумулятора, А. rА – внутреннее сопротивление аккумулятора, Ом.

Напряжение аккумулятора при заряде UАЗ, В, определяется выражением:

UАЗ=ЕА + IАЗ·rА, где IЗА – сила зарядного тока, А.

Внутренним сопротивлением называется сопротивление, оказываемое ак-

кумулятором протекающему внутри него зарядному или разрядному току. Внутреннее сопротивление аккумулятора незначительно и в заряженном со-стоянии составляет несколько тысячных долей Ома. Однако в процессе разряда оно существенно изменяется. Электрическая проводимость активных масс электродов уменьшается из-за образования на их поверхности плохо проводя-щего ток сульфата свинца. Электропроводность электролита при разряде акку-мулятора снижается почти в 2,5 раза, так как серной кислоты в электролите становиться меньше, а концентрация воды возрастает. В результате в разря-женном состоянии внутреннее сопротивление аккумулятора более чем в 2 раза превышает его величину в заряженном состоянии.

Также существенно влияет на внутреннее сопротивление аккумулятора температура электролита. С понижением его температуры от плюс 30°С до ми-нус 40 °С сопротивление электролита возрастает примерно в 8 раз, так как рез-ко возрастает вязкость электролита, что затрудняет его проникновение в поры активной массы электродов. Сопротивление сепараторов по этой же причине также растет и с понижением температуры в том же интервале увеличивается в 4 раза. Поэтому при низких температурах внутреннее сопротивление аккумуля-тора значительно возрастает, а его разрядный (стартерный) ток уменьшается. Это также следует из выражения для расчета величины разрядного тока IАР, А:

IАР =ЕА /( Rн+ rА).

Значит, для повышения стартерного тока при низких температурах акку-

муляторы должны иметь более высокую степень заряженности. Также для по-вышения стартерного тока применяют внутренний электрообогрев аккумулято-

25

ра, теплоизолирующие контейнеры при установке батарей на машины и прово-дятся эксплуатационные мероприятия (содержание в отапливаемых помещени-ях) по поддержанию температуры электролита необходимой для надежного электростартерного пуска двигателя.

Емкостью аккумулятора называется количество электричества, отдавае-мое заряженным аккумулятором при его разряде в заданных условиях. Емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах (А∙ч) и является произведением вели-чины разрядного тока (в амперах) на продолжительность разряда (в часах). Она зависит от количества активной массы, величины разрядного тока, плотности и температуры электролита, срока службы аккумулятора и является его важней-шей эксплуатационной характеристикой. Чтобы увеличить емкость аккумуля-тора положительные и отрицательные электроды соединяют параллельно, соот-ветственно, в положительные и отрицательные полублоки электродов, которые вместе составляют блок электродов. С установкой каждой дополнительной па-ры разноименных электродов емкость аккумулятора возрастает на их величину (рисунок 2.7, а).

Размеры электродов стандартизированы и практически для всех аккуму-ляторов одинаковы. За номинальную емкость аккумулятора принимается ем-кость, которую должен отдавать аккумулятор при его разряде током 20-часового (С20) м разряда, т. е. при величине разрядного тока, численно рав-ной 0,05 величины номинальной емкости.

Изготовитель указывает на батареях номинальную емкость С20 при разря-де током 20-часового режима разряда. При больших величинах разрядных то-ков, при низких температурах электролита, а также в конце срока службы фак-тическая емкость, отдаваемая аккумулятором, снижается. С увеличением заряженности при прочих равных условиях фактическая емкость увеличивается и достигает своего максимального значения при полном заряде батарей. Это обусловлено тем, что при неполном заряде количество активных материалов на обоих электродах, а также плотность электролита не достигают своих макси-мальных значений.

Фактическую емкость аккумулятора САФ, А∙ч, определяют при контроль-ном разряде полностью заряженного аккумулятора. Так, например, в соответст-вии с рисунком 2.7, б фактическая емкость аккумулятора должна быть равна произведению величины разрядного тока на время разряда tРФ до конечного разрядного напряжения 1,7 В при разряде током 10-часового режима разряда. Но при определении фактической емкости в реальных условиях температура электролита повышается, а концентрация серной кислоты в электролите по ме-ре разряда аккумулятора уменьшается. Поэтому на практике величина разряд-ного тока при 10-часовом режиме разряда принимается численно равной 0,09·С20, А, а фактическая емкость определяется по специальной таблице с уче-

26

том не только величины разрядного тока и времени разряда, но и температуры электролита во время разряда [4].

а

б

а – простейший свинцовый аккумулятор с электродами, соединенными в полублоки; б – оп-ределение фактической емкости аккумулятора при контрольном разряде

Рисунок 2.7 – Емкость аккумулятора

Саморазрядом называется снижение емкости аккумулятора при разомк-

нутой внешней цепи, то есть при бездействии. Саморазряд может происходить на поверхности батареи (наружный или поверхностный) или внутри ее.

Поверхностный саморазряд возможен, когда поверхность крышки акку-мулятора снаружи загрязнена или залита электролитом, водой или другими жидкостями, что создает возможность разряда через токопроводящую пленку.

27

Этот вид саморазряда легко устраняется очисткой поверхности аккумулятора. Применение общей крышки и скрытых межэлементных соединений в

конструкции аккумуляторной батареи значительно снижает скорость самораз-ряда аккумуляторов от токов утечки, так как уменьшается возможность гальва-нической связи между далеко отстоящими полюсными выводами.

Внутренний саморазряд обусловлен окислительно-восстановительными процессами, самопроизвольно протекающими на электродах аккумулятора. Он существенно возрастает при попаданиях посторонних химических элементов и частиц в электролит. Саморазряду особенно подвержен отрицательный элек-трод вследствие протекания растворения свинца в растворе серной кислоты. Саморазряд отрицательного электрода сопровождается выделением газообраз-ного водорода:

Pb+2H2SO4→PbSO4+H2↑

Саморазряда возрастает с ростом концентрации кислоты в электролите и

его температуры. Повышение плотности электролита от 1,27 до 1,32 г/см3 при-водит к росту скорости саморазряда электрода на 40%. С понижением темпера-туры саморазряд уменьшается и при температуре ниже нуля у новых батарей он прекращается. Поэтому хранение заряженных аккумуляторных батарей реко-мендуется при низких температурах (до минус 30°С).

Существенно влияют на саморазряд примеси различных металлов на по-верхности электрода. Особенно большое влияние оказывает сурьма, которая входит в состав токоотводов электродов. В процессе работы аккумулятора сурьма переходит в электролит и затем осаждается на поверхности отрицатель-ных электродов. В результате образования микрогальванических пар возникают местные токи, которые разряжают отрицательные электроды и преобразуют губчатый свинец в сернокислый. Замена сурьмы на кальций позволяет в не-сколько раз снизить скорость саморазряда.

Саморазряд положительной активной массы протекает в разы медленнее, чем отрицательной, сопровождается выделением газообразного кислорода и обусловлен протеканием реакции:

2PbO2+2H2SO4 → 2PbSO4+2Н2О+O2↑

Скорость данной реакции возрастает с уменьшением концентрации элек-

тролита (в допустимых пределах изменения его плотности при разряде) и рос-том температуры. При бездействии выделяющийся кислород разрушает поло-жительный электрод аккумулятора (коррозия положительного токоотвода). Активная масса положительного электрода, сурьма и свинец токоотвода также

28

создают гальванические пары, вызывающие саморазряд. Саморазряд аккумуля-тора к концу срока его срока службы увеличивается и порой делает аккумуля-тор не годным к эксплуатации.

Саморазряд бывает нормальным и повышенным. Саморазряд Х, %, выра-жают в процентах потери емкости за 1 сутки или за 14 суток:

Х=(САФ-САФ К)·100/к·САФК,

где САФ и САФК – емкости аккумулятора до и после хранения, А∙ч, приведенные к температуре плюс 25 °С; к – продолжительность хранения, сутки.

Для обслуживаемых батарей нормальный саморазряд после бездействия в

течение 14 суток при температуре плюс (20 ± 5)°С не должен превышать 7% (или 0,5% в сутки) [4].

В любом случае саморазряд − явление нежелательное. Его стремятся уменьшить конструкционными (оптимальный состав сплава токоотводов), тех-нологическими (чистота исходных материалов и производства аккумуляторов) и эксплуатационными (содержание аккумулятора в чистоте и предотвращение попадания внутрь его посторонних примесей, использование химически чистых дистиллированной воды и аккумуляторной серной кислоты, установленный температурный режим эксплуатации и хранения) мерами.

2.1.5 Основные характеристики свинцовых стартерных батарей и методы

их испытаний на соответствие заявленным изготовителем характеристикам Основные характеристики свинцовых стартерных батарей представлены в

соответствии с [6]. Со временем требования этого стандарта будут распростра-нены на все автомобильные свинцовые стартерные батареи, изготовляемые в нашей стране. Плотность электролита в аккумуляторах полностью заряженных открытых батарей с вентиляционными отверстиями должна быть при испыта-ниях от 1,27 до 1,30 г/см3 при температуре плюс 25 0С. В батареях с регули-рующим