3. Аккумуляторная батарея 20нкбн-25

Назначение и устройство. Аккумуляторная батарея 20НКБН-25 (20 — число элементов, НК — никель-кадмиевая, Б—батарея, Н—намазная, 25 — емкость в ампер-часах) слу­жит дополнительным источником электрической энергии на са­молете. Кроме того, аккумулятор служит для запуска двигате­ля и питания бортовой сети в случае отказа генератора и для, работы в полете в буферном режиме с генератором. Щелочная аккумуляторная батарея установлена в центроплане справа (см. рис. 2).

Батарея составлена из 20 аккумуляторов, соединенных пос­ледовательно шинами (рис. 76). Сосуд аккумулятора изготов­лен из пластмассы. Внутри сосуда помещены положительные и отрицательные пластины, разделенные эбонитовыми изоляцион­ными палочками. Боковая изоляция предохраняет пластины от соприкосновения со стенками сосуда. Пробка прикрывает от­верстие в аккумуляторе, служащее дли заливки его электроли­том и для отвода газов.

Аккумуляторы помещены в корпус, выполненный из нержа­веющей стали. На боковых стенках корпуса имеются смотровые окна для наблюдения за уровнем электролита. В качестве электролита в кадмиево-никелевом аккумуляторе применяется водный раствор едкого калия (КОН). Для улучшения работы аккумулятора в электролит добавляется едкий литий (LiOH).

Рис. 77. Пластины щелочного аккумулятора

Положительные и отрицательные пластины кадмиево-нике-левого аккумулятора (рис. 77) состоят из отдельных стальных никелированных рам, в которые заделаны в виде ячеек пакети­ки из перфорированной стали с активной массой. В качестве активной массы положительных пластин применяется смесь из гидрата закиси никеля Ni(ОН)₂, гидрата окиси никеля Ni(ОН)₃ и некоторого количества графита (до 20%), увеличивающего электропроводимость массы. В качестве активной массы отри­цательных пластин применяется смесь губчатого кадмия Cd с железом Fe (75—80% кадмия и 20—25% железа). Железо уве­личивает электропроводимость массы и предохраняет ее от спе-кания.

Электрохимические процессы при заряде аккумулятора. При заряде анод аккумулятора присоединяется к положительному полюсу источника электрической энергии, а катод — к отрица­тельному полюсу.

В начале заряда аккумулятор представляет собой электро­химическую систему следующего состава:

Ni(ОН)₂ |КОН| Cd(ОН)₂

анод электролит катод

При подключении аккумулятора к источнику постоянного тока в цепи возникает электрический ток вследствие движения ионов.

На рис. 78 показана принципиальная схема заряда акку­мулятора. Под действием внешней разности потенциалов сво­бодные электроны уходят с анода, одновременно отрицательные ионы гидроксила ОН попадают на анод и отдают ему свои от­рицательные заряды. На аноде возникает химическая реакция, которая в молекулярном виде может быть записана так: 2Ni(ОН)₂ + 2(ОН) = 2Ni(ОН)₃. На отрицательном электроде происходит реакция: Cd(ОН)₂->Cd+2(ОН), т. е. гидрат окиси кадмия Cd(ОН)₂, в результате химической реакции распадает­ся на губчатый кадмий Cd и гидроксил 2(ОН). Последний, вступая в химическое взаимодействие с калием, образует мо­лекулы едкого кали: 2(ОН)+2К = 2КОН. Следовательно, уравнение токообразующего процесса при заряде кадмиево-ни-келевого аккумулятора можно записать в следующем виде:

Cd(ОН)₂ + 2КОН + 2Ni(ОН)₂ = Cd2КОН + 2Ni(ОН)₃,

катод анод анод

т. е. в результате на катоде восстанавливается губчатый кад­мий, а на аноде — гидрат окиси никеля 2Ni(ОН)₃.

Электрохимические процессы при разряде аккумулятора. За­ряженный аккумулятор представляет собой электрическую схе­му, где активным веществом анода является гидрат окиси ни­келя Ni(ОН)з, активной массой катода—губчатый (пористый) кадмий Cd и электролитом раствор едкого кали КОН. В элек­тролите аккумулятора происходит непрерывный процесс элек­тролитической диссоциации молекул: КОН<>К⁺ + ОН^-.

Рис. 78. Схема заряда кадмиевоникелевого аккумулятора Рис. 79. Схема разряда кадмиевоникелевого аккумулятора

При подсоединения к зажимам аккумулятора нагрузки в це­пи возникает электрический ток, и аккумулятор начинает раз­ряжаться.

Принципиальная схема разряда кадмиево-никелевого аккуму­лятора показала на рис. 79. Положительные ионы калия К пе­ремещаются в направлении электрического поля, т. е. от отри­цательного электрода к положительному. Отрицательные ионы гидроксила ОН перемещаются навстречу электрическому полю, т. е. от анода к катоду. С отрицательного электрода электроны уходят во внешнюю цепь. Отрицательные ионы гидроксильной группы ОН отдают свои отрицательные заряды катоду и в ре­зультате этого там возникает химическая реакция Cd + 2ОН = = Cd(ОН)₃, т. е. образуется гидрат окиси кадмия Cd (ОН)₂.

Из внешней цепи на анод поступают свободные электроны, а из электролита — положительные ионы калия К⁺, которые отдают аноду свои положительные заряды. В результате на аноде возникает следующая реакция: 2Ni(ОН)₃ + 2К = = 2Ni(ОН)₂+2КОН, т. е. при разряде аккумулятору на аноде образуется гидрат закиси никеля Ni(ОН)₂ и едкий кали КОН. Следовательно, уравнение токообразующего процесса при раз­ряде кадмиево-никелевого акумулятора можно записать так:

2Ni(ОН)₃ + 2КОН + Cd = 2Ni(ОН)₂ + 2КОН + Cd(ОН)₂.

анод катод анод катод

Концентрация электролита при разряде и заряде аккумуля­тора не изменяется, так как сколько едкого кали расходуется вблизи катода, столько же его возникает вблизи анода.

Основные технические данные аккумуляторной батареи 20КНБН-25

э.д.с. заряженной батареи, В 25

Емкость заряженной батареи при t= 25±10°С и разряде током 10 А до напряжения 20 В,

А.Ч 25

Диапазон рабочих температур, °С .... от —5

до +50 Продолжительность разряда, мин:

током 25 А не менее 57

» 50 » » » 22

» 100 » » » 11

Плотность электролита, г/см³ 1,3

Масса батареи, кг 24

Электрические характеристики авиационных аккумуляторов.

Электродвижущей силой (э. д. с.) аккумулятора назы­вается разность потенциалов его выводных зажимов при разом­кнутой внешней цепи. Э. д. с. элемента зависит от состава элек­тродов и электролита и не зависит от формы, числа и размеров электродов.

Внутренним сопротивлением аккумулятора называется электрическое сопротивление, оказываемое аккуму­лятором току, протекающему через него. По мере разряда ак­кумулятора его внутреннее сопротивление растет. Внутреннее сопротивление кадмиево-никелевого аккумулятора можно прак­тически определять по формуле r₀=0,3 : Q где Q — емкость ак­кумулятора.

Напряжение аккумулятора отличается от э.д.с. на значение падения напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора. С эксплуатационной точки зрения важно знать не э. д. с., а напряжение аккумулятора, так как именно его необходимое значение нужно обеспечить потребителю. Напря­жение аккумулятора, зависящее от э. д. с., разрядного тока и внутреннего сопротивления аккумулятора, уменьшается в про­цессе разряда.

Напряжение аккумулятора зависит от тока на­грузки, поэтому его нужно измерять при определенном разряд­ном токе. По напряжению можно ориентировочно судить о сте­пени разреженности аккумулятора, а напряжение аккумуля­тора зависит от его температуры. При понижении температуры увеличивается вязкость электролита, процесс диффузии замед­ляется и это вызывает уменьшение э. д. с., а также повышение внутреннего сопротивления. Таким образом, с уменьшением температуры напряжение аккумулятора падает. Среднее раз­рядное напряжение кадмиево-никелевого аккумулятора прини­мается равным 1,25 В.

Емкостью аккумулятора называется, количество электричества, отдаваемое полностью заряженным аккумулято­ром в процессе разряда до наименьшего допустимого разрядно­го напряжения.

Отдача аккумулятора по емкости и по энер­гии. Энергия, затрачиваемая на заряд аккумулятора, больше энергии, получаемой при разряде. Это объясняется расходом энергии на нагревание акумулятора проходящими через него разрядными и зарядными токами, на электролиз воды во время заряда и саморазряд батареи.

Характеризуя аккумуляторы, различают отдачу по емкости и по энергии. Отдачей по емкости nQ называют отношение раз­рядной емкости Q_p к зарядной емкости Q_з:nQ=Q_p/Q_з

Зарядной емкостью Q_з называется количество электричест­ва, затрачиваемое на заряд аккумулятора. При постоянных значениях зарядного и разрядного токов отдача по емкости оп­ределяется по формуле nQ =I_Рt_Р/I_Зt_З, где t_Р и t_З — длитель­ность разряда и заряда. Отдача кадмиево-никелевого аккумуля­тора по его емкости колеблется в пределах 65—70%.

Отдачей по энергии или к. п. д. nW называют отношение энергии W_P, полученной от аккумулятора при разряде, к энер­гии W_З, затраченной на его заряд: nW= W_P /W_З= V_РI_Рt_Р/V_ЗI_Зt_З,

где V_Р и V_З - средние значения напряжений при разряде и за­ряде.

Отдача ,по энергии меньше отдачи по емкости V_Р<V_З поэ­тому nW<nQ. Она колеблется в пределах 50—55%, так как по­теря энергии сильно зависит от разного рода необратимых процессов, например, в электролите и на электродах. Если раз­ряд аккумулятора вести предельным током, то в соответствии с этим отдача аккумулятора как по емкости, так и по энер­гии будет уменьшена из-за более интенсивных химических ре­акций.

Срок службы самолетных аккумуляторов невысок, вследст­вие тяжелых условий эксплуатации и конструктивных особен­ностей, вытекающих из стремления уменьшить массу и габари­ты батареи. Срок службы измеряется в циклах. Циклом назы­вается процесс одного заряда батареи и ее последующего раз­ряда. Аккумуляторная батарея считается вышедшей из строя, если ее емкость менее 75% от номинальной. Срок службы ак­кумулятора во многом зависит от соблюдения правил его экс­плуатации. Отклонение от правил эксплуатации аккумуляторов, изложенных в специальных инструкциях, приводит к снижению срок а службы.

Преимущества и недостатки щелочного ак­кумулятора. Основными достоинствами этих батарей яв­ляются высокая прочность и большой срок службы. Они могут длительно храниться с электролитом в разряженном и полуза-ряженном состоянии и нечувствительны к перезаряду. Недоста­ток их в сравнительно большом внутреннем сопротивлении (примерно на 20% больше, чем у свинцовых аккумуляторов со­ответствующей емкости). Кроме того, они имеют большую раз­ницу между напряжениями заряда и разряда.