UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN TIMISOARA

ECHIPAMENTUL ELECTRIC ŞI ELECTRONIC AL AUTOVEHICULELORINDRUMATOR DE LABORATOR PENTRU UZUL STUDENTILOR

Ing. TOPOR MARCEL3/6/2011

LUCRAREA NR. 1

STUDIUL ACUMULATORILOR AUTO

Notiuni Introductive.

Generalităţi

Bateriile de acumulatoare sunt pile electrice reversibile, care au proprietatea de a înmagazina energia electrică prin transformarea ei în energie chimică şi reciproc. Bateriile de acumulatoare, numite pe scurt baterii sau acumulatoare, sunt formate din elemente (celule) de acumula-toare care pot fi conectate în serie (pentru mărirea tensiunii), în paralel (pentru mărirea intensităţii) sau mixt (pentru mărirea tensiunii şi intensităţii).

Bteriile utilizate pe automobile servesc ca sursă de energie electrică, fiind conectate în paralel cu dinamurile saualternatoarele. Bateriile de aumulatoare îndeplinesc următoarele funcţii:

- alimentează demarorul şi sistemul de aprindere la pornire;

- alimentează restul receptoarelor şi consumatorilor electrici când motorul nu funcţionează;

- ele preiau vârfurile de sarcină, când puterea cerută de consumatori depăşeşte puterea pe care o poate da generatorul, având rolul unui rezervor de energie electrică care alimentează pentru scurt timp receptoarele electrice

ajutând generatorul în condiţii grele de lucru.

În afara de acestea, acumulatoarele de pe automobile contribuie la menţinerea unei tensiuni constante a instalaţiei electrice, la variaţia vitezei şi sarcinii generatorului.

Bateriile pentru automobile trebuie să aibă o rezistenţă internă, volum şi greutate specifică (raportată la capacitate) cât mai mică şi o durată de funcţionare cât mai mare. Cea mai largă răspândire o au acumulatoarele acide cu plăci de plumb.

Construcţia bateriei de acumulatoare cu plumb

Bateria de acumulatoare este formată din bacul sau monoblocul 7 (fig.3.4), executat din ebonită, amestecuri bituminoase, materiale plastice şi compartimentat prin pereţi despărţitori etanşi, formând trei sau şase secţii sau elemenţi, fiecare element constituind un acumulator având o tensiune nominală medie de 2 V. Legarea elemenţilor se face în serie. Fiecare element este format dintr-un semibloc de plăci pozitive şi un semibloc de plăci negative care se montează intercalat.

Alveolele grătarului se umplu cu o masă poroasă activă. Pasta activă negativă este formată din plumb spongios iar pasta pozitivă - din oxizi de plumb.

Figura 1 Acumulator electric - construcţie

Formarea plăcilor constă dintr-un proces electrochimic de încărcare în băi cu soluţii de acid sulfuric, în care se obţine bioxid de plumb 1a plăcile pozitive şi plumb spongios la plăcile negative. Curentul de încărcare pentru formare este de 0,75 -1,5 A cu o durată de 40-50 ore.

Plăcile de aceeaişi polarite, prin intermediul urechilor se sudează la pieptenele, format din pivotul bornei 6 şi puntea 5.

În cadrul blocului de plăci, plăcile pozitive se izolează de ce1e negative prin intermediul unor plăci separatoare cu nervuri verticale, poroase şi subţiri 3 din materiale sintetice.

Partea superioară a corpului elementu1ui este acoperită cu un capac -din ebonită prevăzut cu două orificii latera1e pentru bornele 12 şi 14 şi un orificiu central filetat 9, cu buşon cu orificiu de aerisire şi garnitura de etanşare, pentru umplerea şi controlul nivelului electrolitului. Orificiile laterale sunt prevăzute cu bucşe speciale de plumb 11, de care se sudează pivotul semiblocului de plăci şi puntea de legătură 13, a e1emenţilor bateriei de acumulatoare.

Capacele ale elemenţilor şi punţilor de legătură se acoperă cu un material special, rezistent la acţiunea acidului şi care asigură o bună etanşare a secţiilor bateriei şi protejează punţile de legătură împotriva deteriorarii, corodarii sau scurtcircuitării. Fundul bacului este prevăzut cu nervuri, pe care se sprijină

plăcile. Bornele au forma tronconica, sunt

normalizate ca dimensiuni şi sunt marcate din turnare cu semnele plus şi minus. Diametrul bornei pozitive este mai mare (17,4 mm) decât al celei negative (15,8 mm).

Bateria de acumu1atoare se umple cu o cantitate de 3,8-5 1 electrolit, în funcţie de capacitatea acesteia. Densitatea electrolitului bateriei complet încărcate 1a temperatura de +25°C trebuie să fie de 1,28 g/cm3 iarna şi 1,22 g/cm3 vara.

Descărcarea şi încărcarea acumulatoarelor acide cu plăci de plumb

Acumulatoarele acide sunt formate dintr-o cuvă în care se introduc grupurile de plăci (electrozi) pozitive şi negative executate din grătare de plumb umplute cu materie (pastă) activă şi electrolitul format din soluţie de acid sulfuric în apă distilată. În stare iniţială, plăcile pozitive au pasta activă formată din peroxid de plumb (PbO2), iar cele negative din plumb spongios (Pb). Bateriile neformate trebuie umplute cu electrolit şi puse imediat la încărcare pentru formare electrochimicii şi omogenizare.

Procesul de descărcare (fig.3.1) se produce dacă la bornele exterioare ale elementului respectiv al celor două grupuri de plăci se racordează o rezistenţă (bec). În interiorul elementului ia naştere un curent electric având sensul de la plăcile negative la plăcile pozitive prin dizolvarea acidului sulfuric în apă distilată, moleculele acidului sulfuric (H2S04) se disociaza, respectiv se descompun în ioni de hidrogen (H2) încărcaţi cu sarcini pozitive şi ioni de radical acid (SO4 încărcaţi cu sarcini negative. La trecerea curentului electric - în sensul indicat mai sus - ionii pozitivi de hidrogen (H2) sunt transportaţi la placa pozitivă, unde intră în combinaţie cu peroxidul de plumb şi acidul sulfuric, iar ionii negativi de radical acid (SO4) sunt transportaţi la placa negativă, unde

reacţionează cu plumbul metalic.

Figură 1 . Procesul de descărcare a bateriei de acumulatoare

Procesul de descărcare este un proces în care la ambii electrozi atât pasta activă cât şi acidul sulfuric se consumă. Ca urmare, concentraţia electrolitului scade, tensiunea electrică pe element scade, iar rezistenţa electrică interioară creşte. Procesul de sulfatare a plăcilor (acoperirea lor cu sulfat de plumb cristalin rău conducator de electricitate), este cu atât mai intens cu cât elementul este mai descărcat şi invers. Limita inferioară de descărcare pe element este de 1,75 V.

Figură 2 Procesul de încărcare a bateriei de acumulatoare

Procesul de încărcare (fig.3.2) are loc dacă la bornele elementului se aplică o tensiune electrică de polaritate corespunzătoare. La trecerea curentului electric prin electrolit, de la plăcile pozitive la cele negative, soluţia de acid sulfuric disociată se descompune în ioni pozitivi de hidrogen (H2) care sunt atraşi

de placa negativă în ioni negativi de radicalul acid (SO4) care se deplasează la placa pozitivă.

În timpul procesului de încărcare are loc transformarea apei şi a sulfatului de plumb (substanţă dăunătoare) în: plumb, care se depune pe plăcile negative; peroxid de plumb, care se depune pe plăcile pozitive şi acid sulfuric care face să crească densitatea electrolitului; substanţele rezultate în urma procesului de încărcare regenerează atât materia activă de pe plăci cât şi densitatea electrolitului. Concentraţia electrolitului creşte, tensiunea electrică pe element creşte, iar rezistenţa electrică interioară devine minima.

Valoarea nominală a tensiunii unui element de acumulator cu plumb este de 2 V, astfel că bateria de 6 V cuprinde trei elemente, iar o baterie de 12 V cuprinde şase elemente conectate în serie.

Acumulatoarele cu plumb prezintă avantaje, în special datorită faptului că au o rezistenţă interioară scăzuta, ceea ce face să fie utilizate la pornirea electrică a motoarelor; în schimb, ele au şi o serie de dezavantaje, întrucât prezintă o rezistenţă mecanică scăzută şi o durată de viaţă relativ mică.

Caracteristicile de funcţionare ale bateriilor de acumulatoare cu plumb

Caracteristicile principale de funcţionare ale bateriilor sunt:

- Tensiunea electromotoare în gol Uo, exprimată în volţi, este tensiunea la bornele elementului când prin aceasta nu trece curent (de încărcare sau descărcare). Ea depinde de masa pastei active, densitatea electrolitului (g/cm3) la tem-peratura de 15°C.

Bateriile de acumulatoare pentru automobile, la care în general este cuprins între 1,12 şi 1,29 (g/cm3) au o tensiune în gol cuprinsă între 1,96 şi 2,13 V.

- Tensiunea la bornele elementelor bateriei Ub este variabilă datorită căderilor de tensiune pe rezistenţele interioare R, ale acestora. Rezistenţa interioară a unui element este foarte mică fiind formată din rezistenţa electrolitului (circa 50%), separatorilor (20%) şi plăcilor (30%).

- Caracteristicile de descărcare şi încărcare ale acumulatorului la curent constant. Aceste caracteristici arată valoarea tensiunii electromotoare la borne în funcţie de timp, pentru un curent constant. Valorile curenţilor de încărcare, respectiv de descărcare, se stabilesc în funcţie de capacitatea acumulatorului.

În situaţia când nu se indică valoarea curentului de încărcare, acesta se ia egal cu Ii =0,05C20b [A], iar temperatura cuprinsă între 15 şi 40°C. Descărcarea este norma1ă dacă se face 1a aceiaşi curenţi şi temperaturi ca 1a încărcare.

- Caracteristica de descărcare (fig.3.3.a) se determahină sub curent constant, cu acumulatorul comp1et încărcat, având ten-siunea e1ectromotoare Uo = 2,12 V (pe element). Scade la început rapid la 1,95-2 V, apoi lent la 1,8 V, unde se menţine aproape constant, în timp ce densitatea scade practic linear în funcţie de timp. La sfârşit, când acumulatorul este descărcat, tensiunea la borne scade brusc la 1,7 V şi apoi spre zero.

Figure 1 . Caracteristicile de descărcare (a) şi încărcare (b) ale bateriei de

acumulatoare

- Caracteristica de încărcare (fig.3.3.b) se

determină în mod asemănător. Tensiunea la borne Ub, care iniţial are o valoare apro-piată de tensiunea electromotoare U0 = 1,96 V, creşte la început rapid la 2-2,2 V, apoi lent până la 2,3 V. La sfârşitul încărcării tensiunea la borne creşte brusc la 2,7-2,8 V, reacţiile chimice normale iau sfârşit şi dacă se continuă încărcarea, trecerea curentului provoacă reacţii electrochimice secundare care consuma inutil energie şi produc descompunerea apei sub forma de bule de gaz (fierberea electrolitului).

- Capacitate a bateriilor de acumulatoare C reprezintă cantitatea de sarcini electrice măsurata convenţional prin produsul dintre curentul (de descărcare Id

sau încărcare Ii), în amperi şi timpul t, în ore, într-un regim anume determinat.

Capacitatea bateriilor depinde de cantitatea de masa activă a plăcilor şi de numărul lor.

- Capacitatea nominală C20h reprezintă produsul între va1orile standard ale curentului, în amperi, şi timpului, în ore. Capacitatea nominală C20h se obţine pentru un curent constant Id=0,05C20h, care trebuie să descarce bateria în timpu1 td=20 h până 1a tensiunea de 1,75 V pe element, la temperatura de referinţă a e1ectrolitului de 25°C.

- Curentul de încărcare reprezintă curentu1 pe care o baterie nouă încărcată în prea1abil poate să-l absoarbă după ce a fost descărcată timp de 5 h cu un curent I=0,1· C20h [A].

- Randamentul bateriei de acumulatoare reprezintă raportu1 dintre cantitatea de e1ectricitate cedată în timpu1 descărcării faţă de cea primita în timpu1 încărcării.

- Durata de funcţionare a acumulatorului este limitată de distrugerea progresivă a plăcilor pozitive şi de grosimea mică a plăcilor, care sunt mai puţin rezistente decât plăcile negative. Durata de funcţionare se defineşte prin numărul de cicluri încărcare-descărcare până la care capacitatea scade la 60-70% din cea nominală. Ea ajunge la circa 250 pentru plăcile pozitive şi circa 300 cicluri pentru plăcile negative

Curentul de descãrcare la rece. Este curentul pe care o baterie nouã, complet încãrcatã, poate sã-l furnizeze continuu, timp de 10 sec. si asigurã la -18°C o tensiune minimã de 7.5V (EN).

Rezerva de capacitate este perioada de timp în minute, în care o baterie poate mentine o descãrcare cu un curent de 25A, la temperatura de 25°C, pânã la o tensiune de 10.5V (EN).

Durata de viatã a bateriei este timpul în care bateria are performante acceptabile. Ea se mãsoarã în ani.

Starea de incarcare a unei baterii

Pentru a testa starea de încărcare a bateriilor nesigilate se poate utiliza un hidrometru poate fi utilizat, după cum se arată în

Fig. Acesta econtine cuprinde o seringă care atrage electrolit dintr-o celulă, şi un element plutitor , care va pluti la o adâncime care depinde de densitatea în conformitate electrolitului -. Densitatea apoi citita pe scala gradată de pe elementul plutitor.

O celulă complet incarcata ar trebui sa arate 1.280, 1.200 atunci când este pe jumătate incarcata şi 1.130 în cazul în care este complet descarcata.

Testerul de descarcare descărcare la curent mare (Heavy Duty) este un instrument compus dintr-un rezistor de valoare mica si un rezistor şi un voltmetru conectat la o pereche de sonde de testtest bastoanele. Sondele de test sunt conectate ferm pe terminalele bateriei terminale. Voltmetru citeşte tensiunea bateriei in timplul unui ciclu de descărcarea greu echivalent a 200-300A.

Presupunând o baterie care urmează să fie testata, complet incarcata, o baterie in stare buna de funcţionare ar trebui să citiţi despre 10V pentru o perioadă de aproximativ 10 s.

O cădere bruscă a tensiunii pe baterie pina la valoarea de 3V sau mai jos indică o celulă inutilizabilă. Reţineţi, de asemenea, în cazul în care orice celulele elimina hidrogen, ca acest lucru indică un scurt circuit intre celule.

O valoare egala cu zero sau extrem de scăzută poate indică o celulă circuit deschis.

Figură 3 Testul de descarcare la curent mare (HEAVY DUTY)

Starea de incarcare a bateriei poate fi determinata din tensiunea masurata la bornele baterieiconform tabelului 1

Tabel 1

Tensiune Baterie masurata la 20 C

SOC stare de incarcare

12.0 Descarcata 20%12.3 ½ incarcata 50 % 12.7 Incarcata 100%

Metode de incarcare pentru bateriile auto

Exista patru etape pentru reincarcare:

1. Etapa de incarcare , atunci cand curentul de incarcare este constant si tensiunea bateriei creste, pana la 80% din procesul de reincarcare. Poti furniza bateriei atat curent cat permite , atata timp cat nu depaseste 20% din 20 ore ( C/20 ) amperi ora (Ah) sau 8% din rata RC si depaseste 51.50C.2. Etapa de absorbtie, atunci cand tensiunea incarcatorului, depinde de tipul bateriei, este constanta intre 14,1 VDC si 14,8 VDC la 26,70C si curentul scade pana cand bateria este complet incarcata, ceea ce de obicei semnifica cei 20% ramasi din preocesul de reincarcare. O incarcare totala normala are loc atunci cand curentul de

incarcare se opreste la 2% (C/50) sau mai putin din capacitatea Ah a bateriei.3. Etapa de plutire , optionala, este acolo unde tensiunea de incarcare se afla intre valorile 13,0 VDC si 13,8 VDC, mentinuta constant, si este folosita pentru a mentine bateria total incarcata.4. Etapa de egalizare, este o absorbtie controlata de 5% de supraincarcare, ce egalizeaza tensiunea si gravitatia specifica in fiecare celula. Aceasta ajuta la disparitia cristalelor de sulfat care s-ar fi putut forma in timpul reactiilor chimice precum startificarea, atunci cand concentratia de acid este mai puternica pe fundul bateriei.

Tabel 2

Metoda de incarcare

Observatii

Tensiune constanta

Asigura reincarcarea oricarei baterii in 7 ore sau mai putin fara a exista riscul supraincarcarii (14.4 V)

Curent Constant

Rata de incarcare ideala poate fi estimata astfel 1/10 din capacitatea Ah, 1/16 din capacitatea de rezerva, sau 1/40 din curentul de pornire la rece. (timp de incaracare 10–12 ore)

Incarcare rapida

La o rata de incarcare nu mai mare decit 5 ori rata ideala o baterie poate fi incarcata pina la 70% din capacitate in aproximativ o ora

Circuite de Incarcare a bateriilor electrice

Figură 4 Figură 5 Circuit simplu de incarcare a bateriilor

În primul etapa, se executa incarcarcare la o rată ridicată (1A pentru aceasta baterie) până cand tensiunea labornele bateriei este peste limita superioara (13.8V). Curentul incarcare este apoi tăiat, permiţând tensiunii pe baterie sa decada până când trece de limita inferioara (12.5V).Un curent redus (150 mA) se aplică apoi din nou pentru a aduce tensiunea bateriei de până trecut la limita superioara de tensiune. Ciclul de incarcare se repeta pina la încărcarea completa a bateriei.

Figură 6 Controlul digital al procesului de incarcare a bateriilor auto

Figură 7 Ciclu de incarcare rapid

Determinarea caracteristicilor bateriilor auto

1. Determinarea rezistentei interne

Orice sursă de energie electrică pot fi reprezentate prin diagrama din figura 1. Acesta figura prezinta o sursă ideala de tensiune conectata în serie cu un rezistor.

Acest model este folosit pentru a reprezenta caderea de tensiune la bornele unei baterii care are loc in momentul când o sarcină este plasata la bornele ei. Cand circuitul esterior este deschis, nu trece nici un curent prin rezistenţa internă şi, prin urmare, cadererea de tensiune interna este de tensiune este scăzuta. Când bateria este conectata la o sarcina exterioara un curent este extras din baterie determinand o cădere de tensiune pe rezistenţa internă. Valoarea reală poate fi calculat după cum urmează.  

unde U este tensiunea de gol (masurata cu circuit deschis),

V- este tensiuena masura in sarcină,

I este curentul , Ri rezistenţa internă.

La determinarea valorii rezistentei interne se conecteaza un voltmetru la bornele bateriei şi se determina de tensiunea in gol (cu circuitul deschis, rezultind de exemplu 12.7 V.

Se conecteaza o sarcina externa la bornele bateriei, şi se măsoară valuarea actuala a curentului ,de exemplu 50 de A. Se noteaza din nou tensiunea la borne masurata pentru aceasta starea de -încărcare a bateriei, de exemplu 12.2 V. Rezistenţa internă este data de relatia:

Figura. 1 Determinarea valorii rezistentei ineterne a unei baterii

Temperatura şi starea de încărcare afecteaza rezistenţa internă a unei baterii. Rezistenţa internă poate fi, de asemenea, utilizata ca un indicator al stării bateriei – cu cit este o valoare mai mică, cu atât este mai mare starea de incarcare.

Calculul randamentului

Randamentul unei baterii poate fi calculat în două moduri, ca eficienţa in fuctie de valoarea amperi-ora sau eficienta energetica. Randamentul amperi ora

 

La rata de incarcarcare nominala (echivalentul a 20h de incarcare de se poate atinge o valoare der aproximativ 90%. Acest lucru este adesea citat ca reciproca a figura eficienţă, în acest exemplu cu privire la 1.1, care este cunoscut ca factor de incarcare.

în cazul în care Pdescarcare putere de descărcare in sarcina, timp de descărcare in scarcina tdescarcare, Pincarcare puterea concumata la încărcare, tincarcare timp de încărcare tc.

Un rezultat tipic al acestui calcul este de aproximativ 75%. Această cifră este mai mică decât eficienţa Ah, deoarece ia în considerare o tensiune mai mare necesară pentru a forta incarcarea bateriei.

Întrebări

1. Descrieti ceea ce inseamna baterie "plumb-acid"

2. Prezentati trei moduri de evaluare a capacitatii unei baterii

4. Explicati de ce se pot utiliza mai multe moduri descriere a parametrilor unei baterii.

6. Descrieti modul de a măsurare a rezistentei interne a unei bateriii. 7. Determinati starea de incarcare a unei

baterii tabel in cele trei moduri descrise anterior 8. Descrieţi două metode de reîncărcare a unei baterii. 9. Descrieti modul de determinare a ratei de incarcare ideale poate fi determinat. 10. Explicati de ce "densitate de energie", a unei baterii este importanta.

Alegeti raspunsul corect

o baterie plumb-acid de 12 volţi are: 1. Celulele conectate în paralel, plăcile conectate în serie 2. Celulele conectate în serie, plăcile conectate în paralel 3. Celulele conectate în serie, plăcile conectate în serie 4. Celulele conectate în paralel, plăcile conectate în paralel

Gazele emanate de la un acumulator plumb-acid apropie de sfârşitul sarcina sa sunt: 1. oxigen şi azot; 2. oxigen şi hidrogen ;3. heliu şi hidrogen;;4. azot şi hidrogen ;

O baterie plumb-acid ar trebui să fie completat cu: 1. acid sulfuric; 2. de apă distilată; 3. acid sulfuric şi apă distilată; 4. electrolit la densitate relativă corectă ;

Electrolitul pentru o baterie complet încărcată plumb-acid are o densitate relativa de aproximativ: 1. 1.000 2. 1.100 3. 1.280 4. 1.500

Durata unui test de rată de descărcare mare nu trebuie să depăşească cu privire la: 1. 10 secunde; 2. 30 secunde; 3. 50 secunde; 4. 70 secunde;

Cand o baterie este deconectata, plumb pământ trebuie să fie întotdeauna primul deconectat deoarece: 1. Circuit electric ar fi încă un circuit închis; 2. mecanic ar putea primi un şoc electric;3. se reduce sansa unui scurt circuit; 4. bateria se va descărca mai repede;

Conectarea şi deconectarea bateriei cu sistemele electrice pornit poate cauza: 1. un risc redus de arc; 2. deteriorarea componentelor electronice; 3. descărcarea bateriei 4. conexiuni cu rezistenţă scăzută;

Când se foloseşte o a testului de descărcare cu o rată ridicată descarcare pe o baterie de

40 Amperi /ora, curent ar trebui să fie stabilit la aproximativ: 1. 1 amper 2. 4 amperi 3. 40 Amperi 4. 120 amperi

O rată de incaracare ideala pentru o baterie este: 1. 1/10 de capacitatea de rezervă 2. 1/10 de amperi / oră capacitate 3. 1/40 de capacitatea de rezervă 4. 1/40 din capacitatea încărcătorului