CC BY
39УДК 621.317.004.5
ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ОБСЛУЖИВАНИЯ АВТОТРАКТОРНЫХ
АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Шаманов Роман Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, Лахно Александр Викторович, кандидат технических наук, доцент; Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Пенза,
Российская Федерация Новиков Евгений Валерьевич, кандидат технических наук, доцент; ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, Москва, Российская Федерация
Аннотация: Рассмотрены проблемы эксплуатации и обслуживания автотракторных аккумуляторных батарей. Предложен модернизированный способ заряда ассиме-тричным током.
Ключевые слова: аккумуляторная батарея; сульфатация; восстановление емкости.
PROBLEMS OF OPERATION AND MAINTENANCE OF TRACTOR BATTERIES
Shamanov Roman Sergeevich, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Lahno Aleksandr Viktorovich, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor,
Penza State University of Architecture and Construction, Penza, Russia; Novikov Evgenij Valer'evich, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Timiryazev Russian State Agrarian University, Moscow, Russia
Abstract: The problems of operation and maintenance of automotive batteries are considered. An upgraded method of charging with an asymmetric current is proposed. Keywords: battery; sulfation; capacity recovery.
Для цитирования: Шаманов Р.С., Лахно А.В., Новиков Е.В. Проблемы эксплуатации и обслуживания автотракторных аккумуляторных батарей // Наука без границ. 2020. № 4(44). С. 61-67. For citation: Shamanov R.S., Lahno A.V., Novikov E.V. Problems of operation and maintenance of tractor batteries // Scince without borders, 2020, no. 4(44), pp. 61-67.
Автотракторная аккумуляторная батарея (АКБ) — это гальванический источник электрической энергии второго рода (многократно заряжаемый).
При разряде АКБ внешняя поверхность положительного (PbO2) и отрицательного ^Ь) электрода соединяется с электролитом (H2SO4), в результате чего образует сульфат свинца (PbSO4) и выделяется электрическая энергия.
При заряде аккумулятора от внешнего источника электрической энергии
происходят обратные электрохимические процессы, идет восстановление чистого свинца на отрицательном и оксида свинца на положительном электроде. Сульфатация пластин при работе аккумулятора в определенных пределах является нормальным явлением и происходит всегда [1-5].
Однако при длительном нахождении батареи в разряженном (частично разряженном) состоянии сульфат свинца на поверхности электродов об-
разует слаборастворимые кристаллы. Длительная сульфатация электродов АКБ обусловлена условиями эксплуатации автотракторной техники, такими как увеличение количества потребителей электрической энергии и емкости аккумуляторов при прежней мощности генератора, а так же длительная работа двигателя на холостом ходу, что приводит к хроническому недозаряду батареи.
Кристаллизация сульфата свинца приводит к тому, что площадь поверхности и объем электродов снижаются, остаточная емкость батареи уменьшается, внутреннее сопротивление увеличивается, максимальный пусковой ток также уменьшается [6].
Для решения рассмотренной проблемы авторами проанализированы и исследованы различные способы заряда и десульфатации автотракторных аккумуляторных батарей.
Известен заряд батареи при постоянном токе, который производится при постоянной величине зарядного тока. Рекомендуемый ток заряда равен 0,^ (0,1 от номинальной ёмкости при 20-часовом режиме разряда), где Q - паспортная емкость аккумулятора.
Недостатками такого способа являются необходимость постоянного регулирования и контроля зарядного тока, а также интенсивное газовыделение в конце заряда. Данный способ не позволяет снять глубокую сульфа-тацию пластин и восстановить утерянную емкость.
Известен заряд при постоянном напряжении, при таком заряде напряжение на выводах батареи постепенно приближается к напряжению зарядного устройства, а величина зарядного тока, соответственно, снижается и
приближается к нулю в конце заряда.
Для нормального (на 90-95 %) заряда современных необслуживаемых батарей с помощью выпускаемых промышленностью зарядных устройств, имеющих максимальное зарядное напряжение 14,5 В, потребуется более суток.
Зарядить батарею полностью этим способом нельзя. Так же в связи с тем, что плотность зарядного тока по мере заряда снижается, снижается и интенсивность распада кристаллического сульфата, что и делает этот способ малоэффективным для восстановления емкости АКБ.
Наиболее эффективные способы сульфатациии - это попеременный заряд-разряд АКБ или заряд его так называемым «асимметричным» током [7-9].
Известен заряд пульсирующим током. Под пульсирующим зарядом подразумевают заряд током, который изменяет свою величину по какому-либо закону через определенные интервалы времени. Разделяют пульсирующий ток на два вида: импульсный (рис. 1) и ассиметричный (рис. 2).
Импульсным током называют такой, у которого величина меняется в пределах от нуля до максимального значения, сохраняя постоянной свою полярность.
Асимметричный ток определяется наличием обратной амплитуды, то есть в каждом цикле он меняет свою полярность.
Однако количество электричества, протекающего при прямой полярности, такое же как при обратной, что практически не обеспечивает заряд аккумулятора, а большое соотношение tр/tз приводит к очень медленной десульфатации.
/з Л
О ¡Р
Гз
¡3 .
Рис. 2. Заряд асимметричным током: 1з - ток заряда; tз - время заряда; 1р - ток разряда; - время разряда
Выявлено, что важным фактором, шая плотность зарядного тока дости-
влияющим на скорость разложения гается при заряде реверсивным (асси-
кристаллов сульфата свинца, является метричным) током [10-12].
плотность зарядного тока. Наиболь- Развитие микропроцессорной тех-
ники позволило реализовать модернизированный способ заряда ассиме-тричным током. При таком способе заряд производится током 0,1 от емкости АКБ в течении 0,5 секунды, а вре-
мя разряда пересчитывается в каждом цикле так, чтобы напряжение на АКБ стремилось к номинальному, например, 14,2 В (рис. 3).
Рис. 3. Заряд асимметричным током: 1з - ток заряда; tз - время заряда
В начальный момент времени, когда напряжение на АКБ ниже номинального, время разряда снижается до нуля. Когда напряжение на батарее становится равным номинальному, начинает увеличиваться время периода разряда и рост напряжения на аккумуляторе прекращается, а ток заряда остается прежним, при этом практически вся энергия зарядного тока идет на растворение кристаллов сульфата.
Такой способ позволяет быстро зарядить АКБ до номинального напряжения и интенсифицировать процесс
десульфатации батареи. Исследования на малосурьмянистых аккумуляторных батареях показали, что при таком способе аккумулятор восстанавливает 0,5 А-ч своей емкости за 1 час заряда.
Для реализации указанного способа заряда разработано зарядное устройство, позволяющее программными средствами, на основе микроконтроллера, задавать требуемые параметры заряда для конкретной АКБ [7, 13, 14]. Блок-схема устройства приведена на рис. 4.
Рис. 4. Устройство для заряда и восстановления аккумуляторных батарей
Напряжение переменного тока 220 В поступает через сетевой фильтр 1 на выпрямитель 2. С выхода выпрямителя 2 напряжение сглаживается с помощью первого сглаживающего фильтра 3 и поступает на вход преобразователя напряжения 4. На выходе преобразователя находится уровень низкого напряжения постоянного тока, который сглаживается через второй сглаживающий фильтр 5. Выходной ток второго сглаживающего фильтра 5 подается на зарядку аккумулятора через блок защиты 7 и резистивный токовый датчик 11, который соединен последовательно с заряжаемым аккумулятором 10.
Так же устройство содержит делитель напряжения 6 и 8, блок гальванической развязки 12, блок стабилизации 13, а так же блок индикации 15.
При заряде асимметричным током блок согласования и управления 14 поочередно открывает ключи в узлах защиты 7 и разряда 9 в соответствии с управляющей программой. Блок стабилизации реализован на базе широт-
но-импульсного модулятора.
При достижении на АКБ номинального напряжения батарея может сколько угодно долго быть подключена к устройству. Признаком окончания процессов заряда и десульфата-ции является отсутствие увеличения длительности периода разряда батареи в цикле десульфатации в течении длительного времени (приблизительно 1 час).
Разработанное зарядное устройство позволяет получить следующие технические результаты:
- разработано зарядное устройство на базе микроЭВМ, которое самостоятельно подбирает оптимальные параметры импульсов заряда и разряда в зависимости от характеристик подключенной АКБ;
- может производить заряд АКБ, которые полностью разряжены, и не допускать повышения напряжения выше номинального при заряде;
- устройство содержит электронную защиту от короткого замыкания и пе-реполюсовки при подключении АКБ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей : учебник для вузов. - М. : Горячая линия, 2006. - 440 с.
2. Акимов С.В., Чижов Ю.П. Электрооборудование автомобилей : учебник для вузов.
- М. : ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 384 с.
3. Электрооборудование автомобилей : справочник / А.В. Акимов, О.А. Акимов, С.В. Акимов и др.; под ред. Ю. П. Чижкова. - М. : Транспорт. 1993. - 223 с.
4. Дидманидзе О.Н., Иванов С.А., Иволгин В.С. Трактор с комбинированной энергоустановкой // Сельский механизатор. 2008. № 11. С. 6-7.
5. Коротких Ю.С., Пуляев Н.Н. Развитие и современное состояние автомобилизации.
- М. : ООО Автограф, 2018. - 108 с.
6. Новиков Е.В., Куприянов С.И. Расчет процессов в системе электропривода автотранспортного средства // Автотранспортная техника XXI века : сборник статей III Международной научно-практической конференции. Под редакцией О.Н. Дидманидзе, Н.Е. Зимина, Д.В. Виноградова. 2018. С. 98-105.
7. Патент на полезную модель 133985 Российская Федерация, МПК7 H02J 7/00. Зарядное устройство для аккумуляторных батарей / Шаманов Р.С., Францев С.М., Вику-лов В.И.; №2013107265/07; заявл. 19.02.2013; опубл. 27.10.2013, Бюл. № 30.
8. Теоретические основы экологической безопасности на автомобильном транспорте / Д.Г. Асадов, Ю.Н. Ризаева, В.С. Богданов, Н.Н. Пуляев, Ю.С. Коротких. - М. : УМЦ Триада, 2017. - 60 с.
9. Дидманидзе О.Н., Иванов С.А., Пуляев Н.Н. Эффективность тягово-транспортных средств при использовании накопителей энергии. - М. : Мегапринт, 2018. - 189 с.
10. Шаманов Р.С., Лахно А.В., Новиков Е.В. Модернизированный способ заряда аккумуляторных батарей реверсивным током // Международный технико-экономический журнал. 2018. № 5. С. 12-16.
11. Дидманидзе О.Н., Фетисов А.В., Строганов А.В. Срок службы аккумуляторных батарей электромобилей // Международный научный журнал. 2011. № 2. С. 118-120.
12. Дидманидзе О.Н., Иванов С.А., Новиков Е.В. Электрохимический генератор как бортовой источник энергии системы электрооборудования автомобиля // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2004. № 12. С. 36-39.
13. Францев С.М., Шаманов Р.С., Перекусихина И.А. Зарядно-восстановительное устройство для автомобильных аккумуляторных батарей // Интернет-журнал Науковедение. 2014. № 2 (21). С. 145-153.
14. Дидманидзе О.Н., Иванов С.А., Новиков Е.В. Электромобильная идея или точка возврата (аналитический обзор) // Приводная техника. 2007. № 3. С. 36-58.
REFERENCES
1. Yutt V.E. Elektrooborudovanie avtomobilej : uchebnik dlya vuzov [Electrical equipment of vehicles: textbook for universities]. Moscow, Goryachaya liniya, 2006, 440 p.
2. Akimov S.V., Chizhov Yu.P. Elektrooborudovanie avtomobilej : uchebnik dlya vuzov [Electrical equipment of vehicles: textbook for universities]. Moscow, ZAO «KZHI «Za rulem», 2004, 384 p.
3. Akimov A.V., Akimov O.A., Akimov S.V. et al. Elektrooborudovanie avtomobilej : spravochnik [Elektrooborudovanie avtomobilej : guide]. Ed. Yu. P. Chizhkov. Moscow, Transport. 1993, 223 p.
4. Didmanidze O.N., Ivanov S.A., Ivolgin V.S. Traktor s kombinirovannoj energoustanovkoj [Tractor with combined power plant]. Sel'skij mekhanizator, 2008, no.11, pp. 6-7.
5. Korotkih Yu.S., Pulyaev N.N. Razvitie i sovremennoe sostoyanie avtomobilizacii [Development and current state of motorization]. Moscow, OOO Avtograf, 2018, 108 p.
6. Novikov E.V., Kupriyanov S.I. Raschet processov v sisteme elektroprivoda avtotransportnogo sredstva [Calculation of processes in the motor vehicle electric drive system]. Avtotransportnaya tekhnika XXI veka : sbornik statej III Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Ed. O.N. Didmanidze, N.E. Zimina, D.V. Vinogradova, 2018, pp. 98-105.
7. Patent na poleznuyu model' 133985 Rossijskaya Federaciya, MPK7 H02J 7/00. Zaryadnoe ustrojstvo dlya akkumulyatornyh batarej [Battery charger]. Shamanov R.S., Francev S.M., Vikulov V.I.; №2013107265/07; zayavl. 19.02.2013; opubl. 27.10.2013, Byul. № 30.
8. Asadov D.G., Rizaeva Yu.N., Bogdanov V.S., Pulyaev N.N., Korotkih Yu.S. Teoreticheskie osnovy ekologicheskoj bezopasnosti na avtomobil'nom transporte [Theoretical foundations of environmental safety in road transport]. Moscow, UMC Triada, 2017, 60 p.
9. Didmanidze O.N., Ivanov S.A., Pulyaev N.N. Effektivnost' tyagovo-transportnyh sredstv pri ispol'zovanii nakopitelej energii [Efficiency of traction vehicles when using energy storage devices]. Moscow, Megaprint, 2018, 189 p.
10. Shamanov R.S., Lahno A.V., Novikov E.V. Modernizirovannyj sposob zaryada akkumulyatornyh batarej reversivnym tokom [Upgraded method of charging batteries with reverse current]. Mezhdunarodnyj tekhniko-ekonomicheskij zhurnal, 2018, no. 5,
pp. 12-16.
11. Didmanidze O.N., Fetisov A.V., Stroganov A.V. Srok sluzhby akkumulyatornyh batarej elektromobilej [Battery life of electric vehicles]. Mezhdunarodnyj nauchnyj zhurnal, 2011, no. 2, pp. 118-120.
12. Didmanidze O.N., Ivanov S.A., Novikov E.V. Elektrohimicheskij generator kak bortovoj istochnik energii sistemy elektrooborudovaniya avtomobilya [Electrochemical generator as an on-board power source of the car's electrical equipment system]. Remont. Vosstanovlenie. Modernizaciya, 2004, no. 12, pp. 36-39.
13. Francev S.M., Shamanov R.S., Perekusihina I.A. Zaryadno-vosstanovitel'noe ustrojstvo dlya avtomobil'nyh akkumulyatornyh batarej [Charging and recovery device for car batteries]. Internet-zhurnal Naukovedenie, 2014, no. 2 (21), pp. 145-153.
14. Didmanidze O.N., Ivanov S.A., Novikov E.V. Elektromobil'naya ideya ili tochka vozvrata (analiticheskij obzor) [Electric car idea or point of return (analytical review)]. Privodnaya tekhnika, 2007, no. 3, pp. 36-58.
Материал поступил в редакцию 22.04.2020 © Шаманов, Лахно, Новиков, 2020
