Авиационные аккумуляторные батареи

На современных самолетах суммарная мощность генераторов обеспечивает резерв до 100% от суммарной мощности длительно работающих потребителей. Даже в случае выхода из строя нескольких генераторов полет возможен при отключении части потребителей. Роль аккумуляторных батарей сводится к покрытию пиковых нагрузок в бортовой сети, обеспечению питания жизненно важных потребителей при полном обесточивании бортовой сети в полете, а также при рулении по аэродрому с неработающими двигателями и снабжению питанием стартеровгенераторов при автономном запуске двигателей.

Аккумуляторы относятся к химическим источникам тока. Принцип действия основан на окислительновосстановительных процессах, которые происходят в электролите между активными веществами.

Электрохимические системы условно обозначаются так: (+) активное вещество |электролит | активное вещество (—).

Электрохимические процессы заключаются в том, что атомы или ионы одного из активных веществ отдают свои электроны, а атомы или ионы другого вещества принимают их. Эти процессы происходят в пространстве, заполненном жидким электролитом. Переход электронов от одного реагирующего вещества к другому возможен при соединении этих веществ внешним проводником. Выделяющаяся энергия веществ проявляется в виде электрического тока, протекающего по замкнутой цепи, т. е. происходит разряд источника энергии. При разряде химическая энергия превращается в электрическую, а реагирующие вещества — в продукты разряда.

Источники тока, получившие наименование гальванических элементов, основаны на необратимых электрохимических системах.

В источниках тока, основанных на обратимых электрохимических системах, активные вещества, израсходованные в процессе разряда, полностью восстанавливаются при пропускании электрического тока от постороннего источника,т. е. происходит накопление энергии. Такие источники тока,называемые аккумуляторами, используются неоднократно. В авиации применяются кислотные (свинцовые) и щелочные (серебряноцинковые, кадмиевоникелевые и др.) аккумуляторы.

К основным параметрам, характеризующим электрические свойства аккумуляторов, относятся:

—           электродвижущая сила Е, В;

—           внутреннее сопротивление Rn, Ом;

—           напряжение U, В;

—           емкость Q, А ч.

Внутреннее электрическое сопротивление аккумулятора определяется в основном сопротивлением электролита и электродов. Авиационные аккумуляторы обладают малым внутренним сопротивлением, что позволяет получать большие токи при незначительных внутренних потерях.

Напряжение аккумулятора отличается от его ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении Ra при протекании тока заряда 3 или разряда р (при заряде V = Е + I3Ra, при разряде U = Е — IvRa)'

Емкость аккумулятора определяется количеством электричества, которое можно получить от полностью заряженного аккумулятора при разряде его током постоянной величины до допустимого минимального остаточного напряжения.

Емкость, получаемая при разряде аккумулятора номинальным током, называется номинальной. За номинальный ток в зависимости от типа аккумулятора принимается ток 5 или 10часового разряда.

Для получения требуемой ЭДС и электрической емкости аккумуляторы последовательно соединяют в батареи. Каждому типу аккумуляторных батарей присваивается определенное обозначение. Наиболее распространены свинцовые батареи 12А30,

12САМ28, 12САМ55, 12АСАМ23, серебряноцинковые батареи 15СЦС45, кадмиевоникелевые батареи 20КНБ25.

В приведенных обозначениях первые цифры указывают количество последовательно соединенных аккумуляторов в батарее. Буквы определяют назначение батареи: А — авиационная, САМ — стартерная авиационная модернизированная, АСАМ — авиационная стартерная модернизированная с абсорбированным электролитом; СЦС — серебряноцинковая самолетная; КНБ — кадмиевоникелевая безламельная Последующие цифры указывают номинальную емкость аккумулятора в амперчасах.

Технические характеристики аккумуляторных батарей приведены в смотреть статью под номером 1.3.

Кислотные (свинцовые) аккумуляторные батареи основаны на электрохимической системе

( + )PD02|H2S04|PB().

Химические процессы в аккумуляторе происходят на границе активных масс и электролита — водного раствора серной кислоты H2S04.

При изготовлении пластин исходными материалами, которые запрессовываются в ячейки их решеток, служат свинцовый сурик Pb;i04 (для положительных пластин) и свинцовый налет РЬО (для отрицательных пластин). После специальной химической обработки — формовки эти массы превращаются в двуокись свинца РЬ02 (па положительной пластине) и губчатый свинецРЬ (на отрицательной пластине).

Современные аккумуляторы подразделяются на два типа: со свободным и абсорбированным электролитами. В аккумуляторах последнего типа весь электролит находится в порах сепараторов и активной массы пластин. Принцип же действия их обоих типов одинаков и заключается в следующем.

Находясь в электролите, пластины приобретают определенный потенциал по отношению к раствору серной кислоты. При под ключении к внешней цепи аккумулятор разряжается. Разряд приводит к диссоциации молекул электролита, в результате чего образуются положительные ионы водорода Н+ и отрицательные кислотного остатка SO4 ~. Ионы водорода отдают заряды положительной пластине и, отнимая кислород от двуокиси свинца, превращаются в воду. Образовавшийся свинец взаимодействует с кислотным остатком SOf~ и образует на пластине сульфат свинца PbS04. Таким образом, реакция восстановления может быть записана в виде       Pb02 + 4Н+ + SO; = PbS04 2Н20 2е.

На отрицательной пластине ионы кислотного остатка соединяются с металлическим свинцом и превращают его также в сульфат свинца, т. е. происходит реакция окисления ее активной массы:

PbfS04 = PbS04 2е.

Поскольку в ходе реакций у положительного электрода образуется вода, концентрация серной кислоты уменьшается.

При заряде аккумулятора процесс течения реакции — обратный: на положительном электроде сульфат свинца переходит в двуокись, а на отрицательном — в губчатый свинец.

Суммарное уравнение окислительновосстановительной реакции в аккумуляторе выражается в виде

PbCtf + 2H.SO,|РЬ() т==± PbS04<+> + 2H90 + PbS04<>.

заряд

Конструкция аккумуляторной батареи (смотреть статью под номером 1.8) состоит из двенадцати аккумуляторов, размещенных в ячейках эбонитового моноблочного корпуса 13. Положительные 5 и отрицательные 15 пластины соединены параллельно и образуют так называемые полублоки, выводы с которых выполнены в виде борнов. Вставленные друг в друга полублоки образуют блок 10. Для взаимной изоляции пластин разноименной полярности предусмотрены сепараторы 12 — тонкие пластины из пористого мипора или мипласта. С целью ускорения химических реакций во всем объеме активных масс пластины изготавливают толщиной 1.3 мм, а сепараторы устанавливают так, чтобы их ребристая сторона была обращена в сторону положительной пластины. Этим обеспечивается увеличение пространства для кислоты у положительной пластины, где ее расход больший, чем у отрицательной.

Для предотвращения замыкания аккумулятора при вибрациях пластины положительного полублока имеют специальные опорные ножки, которыми они опираются на призмы корпуса. Пластины отрицательной полярности опираются на эбонитовые башмачки 11.

Защита верхних кромок пластин от поломок достигается перфорированным предохранительным щитом 6. Выше него смонтирован отражательный щиток 7, который предотвращает расплескивание электролита.

После установки в корпус собранный блок закрывается крышкой 8 с двумя отверстиями для вывода борпов и центральным отверстием для крепления рабочей пробки 9. Эта пробка обеспечивает выпуск паров кислоты из внутреннего объема ячейки при нормальном полете и предотвращает выливание электролита при эволюциях самолета.

Герметизация между крышкой и корпусом достигается заполнением зазоров сырой резиной и заливкой кислотостойкой и температуроустойчивой мастики.

Все аккумуляторы последовательно соединены межэлементными перемычками 3. От крайних элементов выведены винтовые клеммы 4, с помощью которых батарея подключается к бортовой сети самолета. Сверху батарея закрывается крышкой 2, закрепляемой на корпусе откидными винтами. Для переноски батареи предусмотрены ручки .

Аккумуляторные батареи устанавливаются на самолетах в специальных контейнерах, которые обеспечивают теплоизоляцию и предохраняют батарею от механических повреждений.

К установке на самолет допускаются только заряженные батареи с емкостью не ниже 75% от номинальной. При включении нагрузки, требующей двойного номинального тока, напряжение батареи должно быть не менее 24 В.

Щелочные аккумуляторные батареи. Из этой группы в авиационной технике применяются серебряноцинковые и кадмиевоникелевые аккумуляторы.

Принцип действия серебряноцинковых аккумуляторов основан на использовании электрохимической системы.

В этих аккумуляторах в качестве активного вещества положительного электрода в полностью заряженном аккумуляторе служит окись двухвалентного серебра AgO. Отрицательным электродом является металлический Zn. Электролитом служит водный раствор КОН.

Из реакций следует, что плотность электролита при работе серебряноцинкового аккумулятора остается почти постоянной. Однако практика показывает, что при разряде большими токами плотность электролита несколько повышается, а при длительных режимах разряда — уменьшается.

Аккумуляторная серебряноцинковая (смотреть статью под номером 1.9) батарея состоит из последовательно соединенных аккумуляторов 14. Каждый аккумулятор конструктивно выполнен в виде электродного пакета 4, помещенного в пластмассовый корпус 1 с крышкой. Электродный пакет имеет чередующиеся положительные 2 и отрицательные 3 электроды, разделенные сепараторной гидратцеллюлозной пленкой и капроновой тканью. Токоотводы выполнены из серебряной проволоки и запаяны в борны 5.

В качестве электролита используется водный раствор КОН. Его уровень в процессе эксплуатации контролируется через окна в контейнере батареи по имеющимся на корпусе двум отметкам.

Активным веществом положительного электрода служит гидрат окиси никеля Ni(OH)3. Отрицательным электродом является губчатый кадмий Cd. Электролитом служит водный раствор едкого калия КОН.

Электрохимические процессы при разряде и заряде аккумулятора описываются комплексным уравнением

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

Пластины аккумуляторов представляют собой высокопористые металлокерамические конструкции, пропитанные солями кадмия и никеля. Разноименные пластины в блоке взаимно изолируются сепараторами из слоя капроновой ткани и щелочестойкой бумаги. Каждый из блоков положительных и отрицательных пластин помещен в сосуд из листовой стали. При сборке батареи в контейнере эти сосуды покрываются грунтом и обертываются изоляционной пленкой из полиэтилена.

Основными преимуществами кадмиевоникелевых аккумуляторов по сравнению с другими типами аккумуляторов являются большое количество зарядноразрядных циклов, простота ухода в процессе эксплуатации и хранения, а также большой срок службы и высотность применения.