VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В системах электропитания электротехнических устройств, в том числе и автономных, широко используются химические источники тока. Работоспособность этих устройств во многом зависит от условий работы и состояния ХИТ.

Основные закономерности изменения эксплуатационных параметров и характеристик ХИТ, происходящих под влиянием внешних условий или саморазряда, описываются несколькими исходными формулами, в которые входят как основные параметры ХИТ так и некоторые постоянные.

В настоящее время требуются химические источники тока, которые не только обладали бы высокими электрическими характеристиками, но по своим экономическим показателям могли быть использованы в широчайших масштабах.

При этом каждый ХИТ может быть охарактеризован тремя энергетическими параметрами: электродвижущей силой (ЭДС) Е, током короткого замыкания I_к, характеристическим временем T₀.

Электродвижущая сила характеризует работу сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда от отрицательного полюса к положительному внутри источника. ЭДС измеряется на зажимах источника при бесконечно большом сопротивлении внешней цепи.

Выбор электрохимической системы источника тока определяет электродвижущую силу, которая в диапазоне положительных температур является довольно стабильной; необходимо отметить, что при длительном хранении ХИТ его ЭДС несколько снижается. В соответствии с известным термодинамическим уравнением Гиббса—Гельмгольца при изменении температуры ЭДС изменяется на сотые доли процента на градус Цельсия. Следует отметить, что при низких температурах, около точки замерзания электролита, ЭДС резко падает до нуля.

Ток короткого замыкания существенно зависит от температуры электролита и уменьшается с течением времени — относительно медленно при хранении ХИТ и гораздо быстрее при разряде. Скорость уменьшения тока короткого замыкания или скорость возрастания полного внутреннего сопротивления связаны со скоростью уменьшения запаса емкости и свободной энергии.

Внутреннее сопротивление источника тока определяет падение напряжения внутри него (закон Ома для замкнутой цепи). Полное внутреннее сопротивление возрастает с увеличением степени разряженности ХИТ и уменьшается с ростом температуры. Поскольку полное внутреннее сопротивление ХИТ при коротком замыкании r_к связано с током короткого замыкания простым соотношением I_к = Е/r_к, то величины Е, I_к, Т_олибо Е, r_к, Т_оможно считать основными энергетическими параметрами ХИТ.

Характеристическое время Т_оопределяется конструкцией и запасом активных веществ ХИТ данного типа. Большим запасам активных веществ соответствуют большие значения Т_о.

Время Т_оравняется отношению свободной энергии A_макс (напомним, что свободной энергией системы называется та часть его внутренней энергии, которая может быть преобразована в работу) к идеальной мощности Pид=IkEηмакс2, где η_макс — предельное значение коэффициента среднего напряжения, представляющего собой отношение среднего напряжения полного разряда к начальному напряжению разряда. Таким образом,

Т0=АмаксPид=АмаксrkE2ηмакс2.

(1)

Для многих типов ХИТ (например, гальванических элементов) время Т_оявляется практически постоянным, не зависящим от времени хранения, температуры или режима разряда. Объясняется это тем, что одновременно с уменьшением А_макс, которое может происходить под влиянием саморазряда, разряда или понижения температуры, увеличивается r_к, что вместе с уменьшением ЭДС и приводит к постоянству Т_о.

Характер изменения этих величин в процессе длительного хранения (T_хр — время хранения) представлен рис. 1.

Следует отметить, что уменьшение свободной энергии А_макс под влиянием саморазряда у большинства аккумуляторов происходит быстрее, чем изменяются r_к и Е, что приводит к уменьшению Т_ов процессе хранения (рис.1.1), в то время как изменения температуры и здесь практически не изменяют Т_о.

Изменение Т_о, если оно происходит, зависит от увеличения внутреннего сопротивления

T0=T0 св±KТrкrк.св-1,

(2)

где индексом «св» отмечены первоначальные значения Т_ои г_к свежезаряженного ХИТ; К_Т— постоянная.

Основанием считать Т_оважнейшим параметром ХИТ является то, что все разрядные кривые, построенные в относительном масштабе, заканчиваются в одной общей точке Т₀ и r_к, как показано на рис. 2, при одинаковых сопротивлениях короткого замыкания. Следовательно, Т_о, так же как и r_к, является главным параметром разрядной кривой любого ХИТ.

Поскольку фактически отдаваемые емкость и энергия определяются характером разрядной кривой от начального U_o до конечного U_кнапряжения, то для практических расчетов важно знать уравнение разрядной кривой.

Литература

1. Патент 2138886 RUS. Способ определения саморазряда свинцового аккумулятора/М.Д. Маслаков, В.В. Колосовский В.В.Опубл. 20.07.1998. 2. Skachkov Yu.V., Kolosovskij V.V., Belousov O.A. Ways of fuel cells voltage improvement //Электротехника – 2003 – № 8 – С. 46-50.

3. Колосовский В.В., Жуланов В.П., Галкин С.В.и др. Определение саморазряда свинцово-кислотных аккумуляторов косвенным методом// Морской вестник – 2008– № 2 – С. 65.

1. Колосовский В.В.Метод определения емкости и саморазряда свинцового аккумулятора в процессе эксплуатации: Дисс. на степень канд. техн. наук. СПб: ВМИИ, 2001, с.11—123.

Код для цитирования: Скопировать