При низких температурах изменяются свойства активных и конструкционных материалов, поэтому возможность эксплуатации батарей затрудняется, а иногда исключается вообще.
Так, например, герметизирующая мастика теряет эластичность, растрескивается и отслаивается от поверхности крышек и моноблоков. Моноблоки, крышки и пробки становятся хрупкими. При таянии снега на поверхности батареи образуется влага. В результате этого происходит сильный саморазряд батареи. Лед на поверхности пробок может закрыть вентиляционные отверстия. При недостаточной плотности электролита и значительной разряженное™ батареи возможно замерзание электролита. Поэтому батареи, эксплуатируемые при низких температурах, рекомендуется заполнять электролитом большей плотности и содержать в заряженном состоянии. При начальной плотности 1,30 г/см3 электролит даже полностью разряженной батареи может замерзнуть при температуре -14 °С. С уменьшением начальной плотности до 1,24 г/см3 возникает опасность замораживания батареи уже при температуре -(5-6) °С.
Посезонное изменение плотности электролита осуществляют два раза в год при переходе с летней на зимнюю и с зимней на летнюю эксплуатацию. Для этого при переходе на зимнюю эксплуатацию из моноблока батареи отбирают часть электролита и добавляют раствор серной кислоты плотностью 1,40 г/см3. При переходе на летнюю эксплуатацию также удаляют часть электролита, а добавляют дистиллированную воду. Благодаря сезонному изменению плотности электролита уменьшается вероятность замораживания батарей зимой даже при неполной степени их заряда и снижается интенсивность электрокоррозионных процессов на положительных электродах в летнее время.
Полный разряд аккумуляторной батареи в эксплуатации допускается редко. Если при низких температурах батарея разряжается до конечного разрядного напряжения в стартерном режиме, опасность замерзания электролита невелика. Вследствие малой степени использования активных материалов электролит в моноблоке имеет достаточно высокую плотность.
В зимнее время приходится считаться с возможностью замерзания электролита в аккумуляторных батареях во время стоянки машин. Вследствие замерзания электролита в батареях могут разрушаться банки элементов и высыпаться активная масса из решеток пластин, т. е. аккумуляторная батарея может выйти из строя.
Опасность замерзания электролита является тем большей, чем сильнее разряжена аккумуляторная батарея. Вследствие этого в зимнее время, даже в зонах умеренного климата, аккумуляторную батарею, работающую при отрицательной температуре, необходимо поддерживать полностью заряженной.
Если батарея не может дать ток в несколько сот ампер для пуска холодного двигателя, то это не значит, что она полностью разряжена. При низких температурах и форсированных разрядах фактическая емкость уменьшается, и в этих условиях батарея, которая кажется разряженной с электротехнической точки зрения, еще далеко не разряжена с электрохимической. Ее электролит имеет достаточную плотность, и опасность замерзания может быть невелика.
В аккумуляторной батарее быстрее охлаждаются хорошие проводники тепла (электроды, токоведущие детали, выводы). Поэтому быстрее охлаждается и замерзает электролит у пластин, образуя ледяную корку, препятствующую протеканию электрических процессов. Сопротивление батареи резко увеличивается, а напряжение на выводах уменьшается. Получить токи большой силы от такой батареи невозможно, и батарея не может обеспечить пуск двигателя, однако может питать систему зажигания. Замораживание электролита с электротехнической точки зрения не вызывает серьезных изменений в батарее, если не считать временное снижение емкости. После подогрева батарея восстанавливает емкость.
Заряжать замерзшую батарею не следует, так как ионы Н и ОН не будут иметь доступа к активным веществам. В этих условиях электрический ток, проходящий через аккумуляторную батарею, будет вызывать только электролиз воды с выделением водорода и кислорода. Газы не могут выйти или медленно проходят через слой замерзшего электролита и при этом увлекают капельки жидкости, поэтому происходит довольно сильное пенообразование, пена выходит наружу и покрывает батарею сверху. До начала заряда батарею следует отогревать, так как заряд замороженной батареи может вызвать взрыв, если на поверхности электродов образуется ледяная корка, не пропускающая газы.
При одинаковой плотности электролита в аккумуляторе его замерзание не должно было бы приводить к разрыву моноблока, так как при охлаждении в электролите образуются не кристаллы самого электролита, а кристаллы воды. Эти кристаллы изолированы, они разделены жидкостью, представляющей собой электролит, обогащенный кислотой вследствие выделения воды в лед. Следовательно, в растворе не образуется сплошного льда, а имеется дисперсная фаза кристаллов, причем оставшийся раствор уже не замерзает, так как он стал более насыщенным и его температура замерзания выше. На практике, однако, наблюдается другая картина. Плотность при разряде меньше в порах, электролит в порах замерзает и разрывает активные вещества, тогда как свободный электролит между электродами находится в жидкой фазе.
При низких температурах резко ухудшаются условия заряда аккумуляторных батарей. Холодные аккумуляторные батареи постоянно недозаряжаются. Даже при температуре -10 °С батарея, разряженная на 50 %, может быть заряжена до 60-70 % номинальной емкости, не говоря уже о более низких температурах.
Условия восстановления емкости батареи при низкой температуре ухудшаются из-за уменьшения КПД заряда, снижения зарядного тока при возрастании внутреннего сопротивления батареи. При температуре -30 °С зарядный ток современной батареи от генераторной установки при напряжении 14,5 В составляет всего 3-5 % от зарядного тока батареи при температуре электролита 20-25 °С и степени заряженное™ 75 %.
При эксплуатации автомобиля в условиях низких температур неутепленная аккумуляторная батарея не принимает заряд током расчетного напряжения, и для обеспечения подзаряда приходится увеличивать регулируемое напряжение (табл. 2.3). Это ведет к работе электрооборудования в непредусмотренном режиме и, как следствие, к отказам в работе изделий. Следствием завышения регулируемого напряжения неизбежно будут перезаряд батареи при повышении температуры наружного воздуха и резкое уменьшение срока службы. Повышение напряжения генераторной установки для улучшения зарядных характеристик батареи при низких температурах приводит к резкому
сокращению срока службы ламп и полупроводниковых приборов.
Батарея может не принимать зарядный ток, который способен отдавать генератор. Относительная сила тока заряда 13 в мА/А-ч, который будет принимать батарея с решетками электродов из малосурьмянистых сплавов в циклическом разрядно-зарядном режиме и степени заряженности 75 %, резко уменьшается как с уменьшением напряжения заряда (на выводах батареи), так и с понижением температуры (рис. 2.41). При непрерывном режиме заряда зарядный ток будет еще меньше, чем при циклическом зарядно-разрядном режиме (при цитировании), так как во втором случае имеет место снижение зарядной поляризации. Изменение относительного зарядного тока 13 в циклическом режиме необслуживаемых батарей в зависимости от степени заряженности АСЗ при различных температурах электролита и напряжении заряда 14 В показано на рис. 2.40.
Зарядные характеристики батарей с решетками электродов из малосурьмянистых сплавов заметно отличаются от зарядных характеристик обычных батарей, особенно при положительных значениях температуры электролита.
Таким образом, заряд аккумуляторных батарей при низких температурах идет очень медленно, что при больших нагрузках создает значительные трудности в обеспечении положительного баланса электроэнергии на автомобиле в зимний период эксплуатации.
Утепление и обогрев батарей
При эксплуатации автомобиля в холодных климатических районах должны быть приняты специальные меры для поддержания благоприятного температурного режима аккумуляторной батареи. При низких температурах окружающего воздуха их необходимо утеплять или обогревать, что осуществляется различными способами.
Частично решением проблемы сохранения высокой температуры батареи является размещение ее в утепленном отсеке (контейнере), имеющем двойные стенки, пространство между которыми заполняется войлоком, поролоном или каким-либо другим теплоизоляционным материалом. Теплоемкость аккумуляторной батареи достаточно высока, поэтому при помещении ее в контейнер с теплоизолированными стенками скорость падения температуры электролита будет настолько мала, что батарея сохранит работоспособность после межсменной стоянки автомобиля на открытой площадке в течение 10-12 ч при температуре окружающего воздуха до -50 °С. При таком способе утепления температура электролита в батарее практически не падает ниже О °С за 10-12 ч работы машины при температуре воздуха -40 °С.
При толщине теплоизолирующего слоя пенопласта в 20 мм показатели стартерного разряда после суточной стоянки автомобиля в 4 раза выше по сравнению с неутепленными батареями. Эффективность утепления батареи тем выше, чем больше толщина теплоизолирующего материала.
При движении автомобиля температура под капотом в местах установки батарей находится в пределах 20-40 °С. При длительном движении или стоянке автомобиля с изменением температуры окружающего воздуха изменяется температура электролита аккумуляторной батареи (рис. 2.39). Вследствие высокой теплоемкости электролита и малой теплопроводности материала моноблоков температура электролита в течение суток меняется меньше, чем температура окружающей среды. При длительной стоянке автомобиля среднесуточные температуры батареи и окружающей среды обычно равны.
Для нормальной работы батареи при наружной установке недостаточно одного утепления с помощью контейнера. Необходим обогрев батареи.
Можно применять жидкостные подогреватели одновременно для подогрева холодного двигателя и батареи.
При размещении батарей в теплозащитных или обогреваемых контейнерах необходимо предусмотреть принудительную вентиляцию, чтобы избежать взрыва водородно-воздушной смеси. Взрывоопасна уже 4 %-я концентрация водорода в воздухе, а количество выделяемого водорода при саморазряде в период бездействия батареи составляет 0,07 см3/мин на 1 А-ч, тогда как при работе в режиме цитирования во время движения автомобиля оно может возрасти до 0,6 см3/ мин на 1 А-ч.
Электронагреватели эффективны при установке внутри аккумуляторной батареи между дном ее моноблока и опорными призмами (рис. 2.42). Нагреватель представляет собой изолированный кислотостойким материалом нихромовый провод. При мощности 0,6 кВт электронагреватель повышает температуру электролита на 40-50 °С за 1,5 ч. Подогрев с помощью электронагревательных элементов НГТФ-100 применен в аккумуляторных батареях 6СТ-190ТРН. Нагреватели выполнены в виде графитизированных волокон с фторопластовой изоляцией, плотно прилегающих к стенкам моноблока. Они обеспечивают подогрев и поддержание теплового состояния батареи на уровне, необходимом для удовлетворительной работы при температурах окружающей среды от -25 до -40 °С. Электронагреватели получают питание от постороннего источника тока напряжением 20 В. Потребляемая мощность превышает 600 Вт. С помощью термовыключателя, размещенного в одном из аккумуляторов, нагревательные элементы включаются в работу автоматически. Температура электролита повышается и разрядные характеристики улучшаются с увеличением мощности подогрева (рис. 2.43).
Перспективно использование в батареях гибких электронагревателей пленочного типа, которые с помощью специальной пасты закрепляют на дне и боковых стенках моноблока. Собранная батарея устанавливается в пластмассовый бак. Толщина стенок бака в 1,5-3 раза больше, чем у стенок моноблока. Верхняя часть бака сваривается со специальным бортиком по контуру моноблока. Полость между стенками наружного бака и нагревателя заполняют быстротвердеющим составом, который после установки моноблока батареи в бак заполняет зазоры и через 2-3 мин превращается в твердое пористое вещество. Такие электронагреватели применены в необслуживаемой батарее 6СТ-110Н. Они показали высокую эффективность своего использования в условиях низких температур до -50 °С.
