XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В настоящее время промышленность выпускает аккумуляторы различных электрохимических систем, необходимость широкого применения которых, как резервных и автономных источников электрической энергии, вызвана бурным развитием современных технических устройств, где химические источники тока (ХИТ) являются часто единственным источником электро­энергии.

Область исследования разрядных процессов протекающих в ХИТ не столь обширна и имеемые в различных источниках уравнения разряда ХИТ, не в полной мере удовлетворяют тем или иным требованиям, определяющим практическую и теоретиче­скую ценность уравнения разрядной кривой. К подобным требованиям следует отнести:

определение любой точки разрядной кривой в пределах применяемых напряжений с достаточной точностью;

пригодность для любых нагрузок;

удовлетворение граничным условиям;

пригодность для любых температур и сроков хранения ХИТ, встречающихся на практике;

независимость постоянных коэффициентов от температуры, нагрузки и вре­мени действия саморазряда;

простоту измерения параметров ХИТ, несущих информацию о его текущем состоянии;

пригодность для различных способов разряда (R = const,I = const, прерывистые разряды, сложные разряды);

пригодность для различных электрохимических систем и типов ХИТ.

Выполнение требований последних двух пунктов не обя­зательно, но весьма желательно. Полученное [1-4] уравнениеразряда ХИТ удовлетворяет почти всем перечисленным требованиям и поэтому названо общим уравнением разряда. Данное уравнение имеет четыре разновидности, показанные в таблице, соответствую­щие четырем группам, на которые могут быть разделены все из­вестные ХИТ. В этих уравнениях U_tи U_o— текущее и начальное значения напряжения; R— сопротивление нагрузки; Р_а— показатель степени, зависящий от относительной нагрузки ρ = R/r_ки по­стоянных а₀, а₁, а₂, — показатель степени для второго вычитаемого, , где b₀, b₁ и b₂ —постоянные.

На рис. 1 показана зависимость Р_аи Р_b от относительной на­грузки.

Как правило, Р_a<1, а Р_b>1. Коэффициенты и представляют собой начальные относительные напряжения полуэлемен­тов (НОНП), тоже зависящие от отношения ρ.

Как видно из таблицы, первые две разновидности уравнения отличаются перестановкой коэффициентов К_си 1—К_с.Внешний вид разрядных кривых этих уравнений остается одинаковым, а различие сказывается в большей отдаче энергии при малых разрядных токах у ХИТ группы I.

Таблица. Группы ХИТ и соответствующие им разновидности общего уравнения разряда и коэффициенты НОНП

Рис.1. Зависимость показателей степеней Ра и P_b от относительного нагрузочного сопротивления:

- - - - - - - - - для отрицательного а₁

Рис. 2. Зависимость коэффициентов НОНП от относительного нагрузочного сопротивления

Группа IIIотличается от группы I коэфициентом НОНП, который здесь может принимать отрицательные значения при жестких нагрузках, вследствие чего второй член уравнения может из­менить знак (рис.2). К этой группе относятся такие ХИТ, у которых на­пряжение разряда может сначала подниматься, а затем падать (напри­мер, марганцевой или окисно-ртутных систем), как показано на рис.3. Для группы IVХИТ характеристическое время одного полуэлемента су­щественно меньше второго что приводит к появлению «площадки» на разрядной кривой (например, у серебряно-цинковой системы). При второй член равен нулю, а при жестких разрядах он становится от­рицательным, как для группы III.

Весьма существенно, что одним из главных параметров уравне­ния разряда является полное внутреннее сопротивление при корот­ком замыкании r_кисточника тока. Оно должно определяться не­задолго до начала разряда при температуре предполагаемого раз­ряда, так как r_к является главным носителем информации о теку­щем состоянии ХИТ.

Сопротивление r_кможет определяться из выражения или вычисляться косвенным путем более точно.

Из общего уравнения разряда вытекают следующие положения:

1) относительность нагрузки; 2) постоянство относительной дли­тельности полного разряда; 3) возможность вычисления эквива­лентных сопротивлений и токов.

1. Емкость, отдаваемая ХИТ, определяется не нагрузочным со­противлением R(или током нагрузки I), а относительной нагруз­кой R/r_к(или близким к ней отношением I_к/Iпри ).

2. Напряжение разряда при R = const достигает нуля при . Обозначив время полного разряда при постоянном нагру­зочном сопротивлении через T_R, можем написать:

где R₁, R₂, ... — разные нагрузочные сопротивления; T_R1, T_R2, ...— соответствующие им времена полного разряда.

3. При сложных или прерывистых разрядах сумма отрезков вре­мени с неизменной нагрузкой в относительном масштабе равна (рис.4),

т. е.

Рис.4. Разрядная кривая при скачкообразно изменяющемся нагрузочном сопротивлении (а); то же в приведенном масштабе (б)

Отсюда получим эквивалентное сопротивление для сложных на­грузок

а после некоторых преобразований и эквивалентный ток

Рис.5. Прерывистый цикличный разряд: t_р – время включения нагрузки; t_п – время паузы

В частности, для простой цикличной нагрузки, когда в течение циклов продолжительностью t_ц включается нагрузка на время раз­ряда t_p(рис.5), получаем простые формулы:

где — коэффициент прерывистости.

Классификация ХИТ по четырем группам по виду общего уравнения разряда и другие положения позволяют описать системами уравнений внешнее поведение ХИТ как элемента электрической цепи и получить новые научные результаты, имеющие практическое значение.

Литература

Патент №2138886 РФ. Способ определения саморазряда свинцового аккумулятора/ М.Д. Маслаков, В.В. Колосовский В.В.; Опубл. 20.07.1998.

Skachkov Yu.V., Kolosovskij V.V., Belousov O.A. Ways of fuel cells voltage improvement //Электротехника. – 2003. – № 8. – С. 46-50.

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

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.