УДК 539.211

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СРОК СЛУЖБЫ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Гумелёв Василий Юрьевич1, Кочуров Алексей Алексеевич2
1Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище (военный инсти-тут) имени генерала армии В.Ф. Маргелова, канд. техн. наук,
2Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище (военный инсти-тут) имени генерала армии В.Ф. Маргелова, профессор, канд. техн. наук

Аннотация
В статье рассмотрены факторы, влияющие на срок службы аккумуляторных батарей при их хранении с залитым электролитом, и основные направления его возможного продления.

Ключевые слова: батарея, компенсация саморазряда, основные неисправности, свинцовый аккумулятор, срок службы


FACTORS AFFECTING SERVICE LIFE BATTERIES

Gumelev Vasiliy Yuryevich1, Kochurov Alexey Alekseevich2
1Ryazan high airborne command school (the military institute) name of the General of the army V. Margelov, candidate of technical Sciences
2Ryazan high airborne command school (the military institute) name of the General of the army V. Margelov, professor, candidate of technical Sciences

Abstract
The article considers the factors influencing the batteries in their storage filled with electrolyte, and the main directions of its possible extension.

Рубрика: Физика

Библиографическая ссылка на статью:
Гумелёв В.Ю., Кочуров А.А. Факторы, влияющие на срок службы аккумуляторных батарей // Исследования в области естественных наук. 2013. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://science.snauka.ru/2013/05/4946 (дата обращения: 29.04.2017).

Задача продления срока службы свинцовых стартерных аккумуляторных батарей всегда являлась и является крайне актуальной для Вооруженных Сил и Советского Союза и Российской Федерации. В настоящее время в силу особенностей использования вооружения и военной техники в войсках одним из самых продолжительных по времени этапом эксплуатации свинцовых стартерных аккумуляторных батарей является их хранение с залитым электролитом.

Для отечественных батарей обычной конструкции, устанавливаемых на военную автомобильную технику (ВАТ), имеет место соотношение числа различных неисправностей в соответствии с рисунком 1 [1]. При этом образование и развитие отдельных неисправностей свинцовых аккумуляторов протекает в их тесной взаимосвязи [2 – 5].

1 − коррозия токоотводов положительных электродов; 2 – оплывание активной массы; 3 − разрушение сепараторов; 4 − прочие неисправности

Рисунок 1 – Основные причины отказов отечественных свинцовых стартерных аккумуляторных батарей, устанавливаемых на ВАТ

Основные неисправности свинцовых аккумуляторов так или иначе связаны с процессами, протекающими на их электродах, то есть с процессами изменения механических, физических и химических свойств металлов и сплавов, обусловленных термодинамической неравновесностью их исходного состояния при постепенном приближением к равновесному состоянию.

Поэтому можно утверждать, что при хранении с залитым электролитом аккумулятор выходит из строя в результате сложного неуправляемого и необратимого процесса − старения аккумулятора, а коррозия токоотводов положительных электродов − его наиболее характерное проявление.

Анализ литературных источников [6, 7, 8] показал, что основные факторы, определяющие срок службы свинцовых стартерных аккумуляторных батарей, хранящихся с залитым электролитом, можно классифицировать по следующим признакам (рисунок 2): 

- конструкционные, обусловленные особенностями устройства как отдельных аккумуляторов, так и аккумуляторной батареи в целом;

- технологические, обусловленные особенностями технологии производства;

- организационно-технические, обусловленные организацией хранения и обслуживания аккумуляторных батарей, а также квалификацией обслуживающего персонала и состоянием технологического оборудования.

На первые две группы факторов нельзя оказать непосредственное влияние при эксплуатации аккумуляторных батарей в условиях воинских частей. Возможно только опосредованное воздействие через требования, предъявляемые заказчиком (Министерство Обороны РФ) к продукции заводов, производящих батареи.

Факторы же третьей группы существенно влияют на техническое состояние и срок службы аккумуляторных батарей в процессе их эксплуатации, в связи с чем их анализ представляется наиболее значимым в контексте рассматриваемого вопроса.

Сроки службы и хранения аккумуляторных батарей, залитых электролитом, определены при проведении исследовательских работ [8, 9] и в настоящее время составляют 4 − 5 лет [9].

На срок службы батарей согласно [8, 10, 11] определяющее влияние оказывают следующие процессы и факторы: коррозия токоотводов положительных электродов; оплывание активной массы положительных электродов; качество сепараторов; особенности конструкции блока электродов.

Рисунок 2 – Классификация факторов, определяющих срок службы аккумуляторных батарей, хранящихся с залитым электролитом

Особенности конструкции аккумулятора.
В работе [8] проанализирована зависимость срока службы свинцовых стартерных аккумуляторных батарей от следующих факторов: материала и конструкционного исполнения электродов на их основе; свойств сепараторов; линейных размеров электродов и качества сборки блока электродов. Проведённый анализ позволил авторам утверждать, что продление срока службы до пяти лет свинцовых стартерных батарей обычной конструкции даже для условий малоинтенсивной эксплуатации, характерной при использовании ВАТ, технически невозможно при существующей системе диагностирования и технического обслуживания батарей. При этом предельные значения сроков службы свинцовых батарей, хранящихся с залитым электролитом, определенные разными авторами при проведении исследовательских работ, хорошо согласуются друг с другом.

Методы и режимы хранения. В Вооруженных Силах РФ установлен и применяется метод хранения батарей с компенсацией саморазряда [9], при котором саморазряд компенсируется в следующих режимах: постоянно − малыми токами; периодически − в зависимости от заданной степени заряженности или через директивно установленный период времени нахождения на хранении без учёта степени заряженности.

Подзаряд малыми токами не нашел широкого применения для аккумуляторных батарей, устанавливаемых на ВАТ, так как для войск характерна многотипажность парка автомобильных аккумуляторных батарей, имеющих различные сроки службы, а также неодинаковые условия их работы в зависимости от группы эксплуатации машин.

При имеющемся штатном оборудовании (устройство для подзаряда малыми токами − УПМТ [9]) затрудняется выбор оптимального режима подзаряда, так как необходим подбор батарей в группы по типам и по их техническому состоянию. В результате часть батарей перезаряжается, а часть − имеет постоянный недозаряд, что значительно сокращает их срок службы [3].

Существенный недостаток подзаряда малыми токами и в том, что при его применении требуется поддерживать в аккумуляторе положительную температуру, так как при отрицательных температурах внутреннее сопротивление батареи может увеличиться в 4 и более раза [3], в результате чего подзаряд малыми токами станет невозможным.

При компенсации саморазряда по степени заряженности крайне важно выбрать оптимальное значение допустимой степени заряженности батарей, так как авторами [12] отмечается, что понижение степени заряженности аккумуляторов значительно ускоряет деструкцию их электродов. В работах [1, 13] приведены различные значения допустимой степени заряженности аккумуляторных батарей (от 50 до 75%), которые определяются ёмкостью, необходимой для гарантированного пуска двигателя. При этом влияние минимальной допустимой степени заряженности на срок службы батарей при хранении их с залитым электролитом не рассматривалось, то есть минимальная допустимая степень заряженности, позволяющая выслужить аккумуляторным батареям при хранении максимальный срок службы, не определена и научно не обоснована.

На сроки службы батарей существенно влияет способ их заряда. В работе [14] проанализированы достоинства и недостатки способов заряда при постоянном напряжении и при постоянной силе тока, являющихся согласно [9] основными для аккумуляторных батарей военной автомобильной техники. Автор отмечает, что оба способа инициируют процессы коррозии положительного токоотвода, скорость которых определяется параметрами зарядного режима.

Согласно авторам работы [14], процессы коррозии в результате перезаряда можно исключить, если заряжать аккумулятор по закону ампер-часов

Iзар = Ае·е-t, (1)

где Iзар − ток заряда, А;

Ае − количество ампер-часов, отданных к каждому моменту времени
заряда, А·ч;

e − основание натурального логарифма;

t − время заряда, ч.

Однако сложность применяемого оборудования затрудняет использование данного способа заряда для стартерных батарей. По той же причине нецелесообразно применение и способа ступенчатого заряда [15].

В некоторых работах утверждается, что заряд асимметричным током продлевает срок службы аккумуляторных батарей. Но исследование [15] показало, что при этом способе заряда срок службы батарей не увеличивается.

Таким образом, разработка новых и улучшение известных способов заряда и зарядных устройств является перспективным направлением работы по продлению срока службы аккумуляторных батарей и требует дальнейших углубленных исследований.

В НИИСТА и некоторых других научно-исследовательских учреждениях проводились работы по определению возможности применения метода консервации стартерных аккумуляторных батарей, обработанных 5 %-м водным раствором борной кислоты, в том числе и в условиях войсковой эксплуатации [16, 17]. Результаты выполненных исследований показали, что:

- применение данного метода целесообразно на батареях, имеющих небольшой износ электродов (от 12 до 18 месяцев эксплуатации);

- батареи в процессе эксплуатации могут быть подвергнуты консервации этим методом на срок до 18 месяцев и возможна повторная консервация батарей;

- метод увеличивает календарный срок службы батарей на 25 % и более;

- батареи не требуют заряда перед сдачей в эксплуатацию после расконсервации.

Основными недостатками этого метода являются:

высокая трудоемкость работ по консервации и расконсервации с необходимостью корректировки плотности электролита в аккумуляторах после расконсервации;

- большой расход дорогостоящих материалов; необходимость проведения природоохранительных мероприятий;

- хранение батарей допускается только при положительных температурах.

В работе [17] среди прочих исследовался метод хранения с добавлением расширителя ГКД. Результаты исследования показали, что его нельзя рекомендовать для свинцовых аккумуляторов, так как после расконсервации их электрические характеристики значительно ухудшались.

В техническом отчете [18] утверждается, что срок службы аккумуляторных батарей может быть продлен в результате применения водного раствора определенных неорганических солей, способного уменьшить скорость коррозии положительных электродов. Но требуются дополнительные широкомасштабные исследования с целью определения эффективности предлагаемого средства, так как, к примеру, в работе [2] доказательно и авторитетно утверждается, что применение различных добавок к электролиту не может принципиально изменить характер и скорость протекания анодной коррозии свинца токоотводов, обусловленной термодинамической неустойчивостью металлического свинца в условиях работы положительного электрода.

Хранение свинцового аккумулятора со сливом электролита и просушкой электродов рассматривалось в работах [6, 16], и был сделан вывод, что хранить аккумуляторы со слитым электролитом более 2-х месяцев нецелесообразно, так как при большем сроке ухудшаются их электрические характеристики и снижается срок службы. В отчёте [19] также утверждается, что продолжительное хранение аккумуляторных батарей со слитым электролитом приводит к их преждевременному выходу из строя. Недостатками этого метода хранения являются большой расход дорогостоящих материалов, необходимость организации природоохранительных мероприятий, высокая трудоемкость работ по консервации и расконсервации аккумуляторных батарей.

В работе С.Ф. Селицкой [20] рассмотрен метод хранения аккумуляторных батарей при низких температурах, при котором, как утверждает автор, отпадает необходимость в проведении периодических зарядов в процессе хранения из-за отсутствия саморазряда. Хранение аккумуляторных батарей при оптимальном температурном режиме (от -15 до +5°C) рекомендуется и в [3]. Рассматриваемый метод хранения батарей не применяется в войсках по следующим причинам: из-за трудности поддержания оптимального температурного режима; необходимости разогрева аккумуляторных батарей перед установкой на машины, с целью увеличения емкости, отдаваемой при стартерном разряде; из-за опасности размораживания батарей, имеющих большой износ аккумуляторов, в связи с падением плотности электролита в результате саморазряда.

Анализ состояния вопроса показал, что, исходя из необходимости поддержания высокой боевой готовности войск при наименьших затратах, с учётом имеющегося дефицита времени в войсках на приведение батарей в рабочее состояние, наибольшую готовность их к применению обеспечивает метод хранения батарей с компенсацией саморазряда в режимах постоянной компенсации и компенсации по степени заряженности. При этом для повышения эффективности метода хранения аккумуляторных батарей с компенсацией саморазряда по степени заряженности и в целях увеличения их срока службы необходимо научно обосновать минимальную допустимую степень заряженности аккумуляторов, при достижении которой батареи следует отправлять на заряд.

Диагностирование и техническое обслуживание. Диагностирование аккумуляторных батарей проводится в процессе их хранения, при заряде или разряде или путем организации специальных тестовых воздействий. В работах [12, 21]
приведён сравнительный анализ различных устройств для измерения электрических параметров свинцового аккумулятора с целью определения его технического состояния и обнаружения возможных неисправностей.

Для объективной оценки работоспособности аккумулятора необходимо знать потери ёмкости при саморазряде, состояние активной массы и токоотводов электродов.

Состояние аккумуляторных электродов оказывает определяющее влияние на величину потери ёмкости при саморазряде. Понятие «состояние активной массы электродов» включает в себя и такую характеристику, как степень заряженности. Если аккумулятор неработоспособен, то надо, во-первых, определить его состояние – «заряжен-разряжен», а затем при необходимости уточнить природу дефекта.

Согласно классификации, принятой в работе [12], дефекты по механизму влияния на аккумулятор разбиваются на два больших класса:

- дефекты, уменьшающие площадь истинной поверхности электродов;

- дефекты, увеличивающие ток утечки.

Но, прежде всего, необходимо определить степень заряженности аккумуляторов, существенно влияющую на скорость развития процессов, ограничивающих их срок службы [2, 3].

Все диагностические параметры условно можно систематизировать по трем направлениям:

- определению степени заряженности;

- поиску дефектов, уменьшающих площадь истинной поверхности электродов;

- поиску дефектов, увеличивающих ток утечки.

Производителями и пользователями аккумуляторных батарей уделяется большое внимание созданию и внедрению принципиально новых способов и устройств диагностирования. Это обусловлено тем, что существующие, в том числе и штатные приборы, применяемые при диагностировании аккумуляторных батарей ВАТ [9], и средства диагностирования, нашедшие массовое применение на автотранспортных предприятиях [3, 7], несовершенны и не обеспечивают необходимой точности измерений. Так, например, при измерении плотности электролита ареометр дает погрешность до 10% [21].

Кроме того, диагностирование аккумуляторных батарей может проводиться также и при их разборке. Цель диагностирования в этом случае − определить процессы, протекающие в свинцовом аккумуляторе, в первую очередь на его электродах, и приводящие к отказу аккумулятора. То есть найти причины дефектов, уменьшающих площадь активной поверхности электродов, увеличивающих ток утечки, повышающих внутреннее сопротивление аккумулятора.

Для определения фазового состава активной массы аккумуляторных электродов применяется многоступенчатый процесс, состоящий из заданной последовательности химических реакций со специальными реагентами (селективными растворителями). В ходе этих химических реакций анализируемое вещество подвергается также и ряду физических воздействий, к примеру, − нагреванию. Затем взвешивается остаток (химический состав его считается известным) и по аналитическим зависимостям, представленным в отраслевом стандарте, определяется процентное содержание искомого вещества в анализируемом образце. В связи с этим данный метод диагностирования позволяет определять состав активной массы лишь косвенным путем, так как отсутствуют прямые измерения элементного состава, а ошибка при определении химического состава вещества электродов может быть достаточно велика.

Существующие же современные методы спектрального анализа элементного состава и структуры поверхности различных материалов
для определения состава активной массы электродов, процессов, протекающих на электродах свинцового аккумулятора и приводящих к его отказу, не применялись и в литературе не рассматривались.

Опыт эксплуатации стартерных батарей показывает, что зависимость их срока службы от качества диагностирования и технического обслуживания очень велика и по прогнозам специалистов сохранится еще длительное время [3]. Поэтому по рассмотренным выше причинам для аккумуляторных батарей в настоящее время применяется принудительно-профилактическая система технического обслуживания [9]. В войсках работы, проводимые при техническом обслуживании хранящихся с залитым электролитом аккумуляторных батарей, и их периодичность директивно определены руководством [9]. В других источниках даны лишь отдельные рекомендации по объёму и периодичности работ при техническом обслуживании батарей.

Сроки службы аккумуляторных батарей военной автомобильной техники, определённые в работе [1], при существующей системе [9] диагностирования и технического обслуживания хранящихся батарей являются предельными и достижимыми только при строгом соблюдении периодичности и полном выполнении объема установленных работ.

Вместе с тем ряд авторов [7, 21] считает, что продление сроков службы батарей возможно как за счёт внедрения нового оборудования для их диагностирования, так и при выборе рационального объёма работ и их периодичности при техническом обслуживании.

Выполненный анализ позволяет сделать следующие выводы:

- срок службы батарей, хранящихся с залитым электролитом, при существующей системе диагностирования и технического обслуживания не превышает 5 лет;

- отказ батарей происходит в результате процесса старения их аккумуляторов,
представляющего совокупность нескольких необратимых процессов, скорость протекания которых определяется рядом физико-химических и эксплуатационных факторов.

В связи с этим представляется целесообразным более подробно рассмотреть процессы, протекающие на электродах свинцовых аккумуляторов именно при их хранении с залитым электролитом.


Библиографический список
  1. Определение среднего ресурса аккумуляторных батарей после 2–3 лет их работы на машинах [Текст]: техн. отчет / в/ч 63539; рук. В.П. Каштанов. – Бронницы, 1984. – 57 с.
  2. Дасоян, М.А.Современная теория свинцового аккумулятора [Текст] / М.А. Дасоян, И.А. Агуф. − Л.: «Энергия», 1975. − 312 с.
  3. Дасоян, М.А. Стартерные аккумуляторные батареи [Текст]. Устройство, эксплуатация и ремонт / под общ. ред. М. А. Дасояна – М.: Транспорт, 1991. – 255 с.
  4. Вайнел, Дж. Аккумуляторные батареи [Текст] / Дж. Вайнел. – М. –Л.: Госэнергоиздат, 1960. – 480 с.
  5. Дасоян, М.А. Химические источники тока [Текст] /М.А. Дасоян. – Л.: Энергия, 1969. – 587 с.
  6. Багоцкий, В.С. Химические  источники  тока [Текст] / В.С. Багоцкий, А.М. Скундин. − М.: Энергоиздат, 1981. − 360 c.
  7. Болотовский, В.И.Эксплуатация, обслуживание и ремонт свинцовых аккумуляторов [Текст] / В.И. Болотовский, З.И. Вайсгант. − Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. − 208 с.
  8. Исследование возможности повышения гарантийного срока хранения батарей до 7 лет и срока их эксплуатации до 7 лет[Текст]: отчет о НИР / Предприятие п/я Г-4036; рук. А.Г. Герасимов. – Подольск, 1985. – 60 с.
  9. Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи [Текст]: руководство. – М.: Воениздат, 1983. – 170 с.
  10. Исследования в области улучшения технико-эксплуатационных характеристик стартерных аккумуляторных батарей на основе совершенствования их технического обслуживания [Текст] : отчет о НИР / Новочеркасский политехн. ин-т; рук. Ф.И. Кукоз. – Новочеркасск, 1981. – 101 с.
  11. Черемных, Ю.М. Исследование влияния некоторых факторов на интенсивность и характер износов свинцовых стартерных аккумуляторных  батарей [Текст]: дис. … канд. техн. наук / Черемных Ю.М. – Л., 1958. – 176 с.
  12. Зрелов, В.И. Разработка методов совершенствования технической эксплуатации автомобильных аккумуляторных батарей[Текст]: дис. … канд. техн. наук / Зрелов В.И. – Харьков, 1985. –192 с.
  13. Колодкин, С.И. Исследование процесса износа и разработка режимов рационального использования ресурса свинцовых аккумуляторов [Текст]: дис. … канд. техн. наук / Колодкин С.И. – Новочеркасск, 1978. – 105 с.
  14. Силовые установки и системы электрооборудования армейской автомобильной техники [Текст] / под общ. ред. В.Р. Бурячко. – Л.: ВОЛАТТ, 1980.   – 493 с.
  15. Оптимизация основных зарядных режимов автомобильных стартерных аккумуляторных  батарей [Текст] : техн. отчет / в/ч 63539; рук. В.П. Каштанов.   – Бронницы, 1987. – 57 с.
  16. Испытания на определение способа консервации стартерных аккумуляторных батарей [Текст]: науч.-техн. отчет / НИИ автоприборов; рук. О.С. Тютрюмов. – М., 1987. – 24 с.
  17. Отчет о проведении работ по определению возможности применения способа консервации стартерных  аккумуляторных батарей, обработанных водным раствором борной кислоты, в условиях войсковой эксплуатации [Текст]: техн. отчет / НИИ стартерных аккумуляторов; рук. Е.С. Аранчук. – Подольск, 1985. – 52 с.
  18. Разработка технологии производства и внедрения на Уральском заводе химреактивов добавки "Импульс" к электролиту аккумуляторов [Текст]: техн. отчет / ПТБ ПО "Литбытхим"; рук. В.Н. Цецене. – Вильнюс, 1989. – 51 с.
  19. Освоение лицензии на производство необслуживаемых свинцовых батарей [Текст]: отчет о НИР / НИИ стартерных аккумуляторов; рук. В.И. Барковский. – Подольск, 1985. – 158 с.
  20. Селицкая, С.Ф. Оптимальные условия эксплуатации и хранения автомобильных аккумуляторов [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / Селицкая С.Ф. – М., 1959. – 133 с.
  21. Вайлов, А.М. Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей [Текст] / А.М. Вайлов, Ф.И. Эйгель. – М.: Связь, 1985. – 156 с.


Все статьи автора «Гумелёв Василий Юрьевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: