Loading

Akumulatory rozruchowe i ich praca w spalinowych pojazdach trakcyjnych

mgr inż. Waldemar Kieryłowicz
Zaktod Pojazdów Szynowych COBiRTK w Warszawie

 

 

"Trakcja i Wagony" Nr.3/1980

 

 

UKD:621.355:629.424.1

 

Akumulatory rozruchowe przeznaczone są do zasilania rozruszników silników spalinowych, do zapłonu mieszanki paliwa i zasilania obwodów oświetlenia oraz sterowania pojazdu spalinowego.
Warunki pracy akumulatorów rozruchowych są bardzo ciężkie. Są one poddawane częstym, krótkotrwałym obciążeniom prądami, których natężenie wynosi częstokroć 30-krotną wartość prądu znamionowego. Zainstalowane w pojazdach podlegają częstym wstrząsom, wibracjom, narażone są na zanieczyszczenia pyłem, wilgocią, śniegiem. Pracują w zmiennych warunkach klimatycznych, są częstokroć przeładowywane lub wyładowywane. Pomimo tak ciężkich warunków pracy wymaga się od nich niezawodności w eksploatacji.
Warunki pracy, rozwój motoryzacji, a zwłaszcza wzrastająca moc silników spalinowych stawiają nowoczesnym akumulatorom określone wymagania. Akumulator taki powinien mieć:
- dużą energię rozruchową, zwłaszcza w niskich temperaturach;
- dużą pojemność przy wyładowaniach długotrwałych;
- małą masę i objętość;
-dużą wytrzymałość mechaniczną;
- dużą trwałość eksploatacyjną;
- łatwość obsługi i konserwacji.
Do zasilania rozruszników silników spalinowych najbardziej rozpowszechnione obecnie są dwa rodzaje akumulatorów:
- kwasowe - ołowiowe
- zasadowe - niklowo-kadmowe.
Skład masy czynnej płyt oraz reakcje chemiczne zachodzące w procesach ładowanie - wyładowanie dla wszystkich typów akumulatorów czy to niśkooporowych, czy normalno-oporowych, są takie same. Podobnie są takie same własności elektryczne akumulatorów, to jest: napięcie biegu jałowego, napięcie znamionowe, napięcie ładowania i wyładowania, napięcie gazowania, pojemność, sprawność, wpływ temperatury.
Cechą wyróżniającą jednak akumulator rozruchowy od pozostałych typów akumulatorów jest jego rezystancja wewnętrzna.

Rezystancja wewnętrzna akumulatora

Rezystancja wewnętrzna ogniwa określa oporność, którą pokonuje prąd przepływający przez ogniwo. Składa się ona z różnych oporności cząstkowych, których suma wywiera istotny wpływ na napięcie wyładowania przy obciążeniu akumulatora dużym prądem wyładowania.
Oporność wewnętrzna akumulatora zależy od konstrukcji akumulatora i wpływu różnych czynników zewnętrznych. Na wielkość tej oporności mają wpływ:
- ilość płyt w zestawie oraz ich powierzchnia,
- odległość między płytami akumulatora,
- oporność separatorów,
- temperatury elektrolitu,
- wartości prądu wyładowania,
- stan elektryczny akumulatora (aktualna pojemność ogniw),
- gęstość elektrolitu,
- zanieczyszczenie elektrolitu.
Z uwagi na duże trudności w obliczaniu oporności cząstkowych ogniwa, rezystancję wewnętrzną ogniwa wyznacza się na gotowym ogniwie. Jedna z najprostszych metod polega na wykonaniu pomiaru napięcia w funkcji obciążenia

Ustalamy różnicę napięć przy różnych obciążeniach. Otrzymujemy wartość rezystancji wewnętrznej ogniwa, którą można obliczyć ze wzoru:

gdzie:

rw - rezystancja wewnętrzna ogniwa [Q],
Ul - napięcie ogniwa [V] przy obciążeniu go prądem
o wartości I2 [A] w czasie T1 [s],
U 2 - napięcie ogniwa [V] przy obciążeniu go prądem I2 [A] w czasie Tt [s].
Rezystancja wewnętrzna ogniwa nie jest wielkością stałą, lecz wzrasta stopniowo w miarę postępującego wyładowania. Zależy więc od czasu trwania wyładowania, a ponadto zależy od temperatury elektrolitu. Ale również rezystancja wewnętrzna ogniwa jest odwrotnie proporcjonalna do pojemności ogniwa i można ją wyrazić wzorem:

gdzie:

Na rysunkach 1 i 2 przedstawione są charakterystyki prądowo-napięciowe ogniwa U = f(I) akumulatora zasadowego rozruchowego Ni-Cd o pojemności 150 Ah. Charakterystyki te, podawane przez wytwórcę akumulatorów, mogą służyć do obliczenia rezystancji wewnętrznej ogniwa wg wzoru (1).

 

 

Analizując przebieg charakterystyk podanych na rysunku 1 zauważamy, że przedstawiają one w sposób pośredni zmianę rezystancji we-wnetrznei ogniwa, w zależności od czasu wyładowania, stosunek

a więc i kąt nachylenia charakterystyki alfa jest tym mniejszy im mniejsza jest rezystancja ogniwa, a im dłużej ogniwo zostaje wyładowane, tym stosunek i kąt a są większe.
Z powyższego wynika, że najmniejszą rezystancję wewnętrzną ma ogniwo wyładowane po upływie 1 s, większą natomiast po upływie przykładowo 60 s (a1 < a2 < a3).
Na rysunku 2 przedstawiona jest pośrednio zależność rezystancji wewnętrznej ogniwa w zależności od temperatury elektrolitu i od stanu elektrycznego ogniwa, tzn. od stopnia jego naładowania. Im ogniwo bardziej oziębione i wyładowane, tym bardziej wzrasta jego rezystancja.
Charakterystyki prądowo-napięciowe akumu-ładowania. Im ogniwo bardziej oziębione i wy-podobnie.

Wielkości rezystancji

Wielkość rezystancji wewnętrznej ogniwa akumulatora rozruchowego jest bardzo mała -rzędu miliomów. W tablicy 1 przedstawiono orientacyjne wielkości rezystancji dwóch ogniw rozruchowych akumulatorów zasadowych o pojemności 150 Ah wyliczonych po 1 sekundzie trwania obciążenia.
Dane przedstawione w tablicy 1 mają charakter wyłącznie orientacyjny.

Rezystancja baterii ogniw akumulatorowych

Bateria akumulatorów składa się z bloków (skrzynek) kilkuogniwowych, połączonych ze sobą łącznikami elastycznymi.
Wewnątrz każdego bloku (skrzynki), który może stanowić oddzielną baterię, ogniwa są połączone łącznikami ołowianymi, płaskownikami miedzianymi obołowiowanymi (akumulatory kwasowe) lub płaskownikami miedzianymi po-niklowanymi (akumulatory niklowo-kadmowe). W związku z tym rezystancja wewnętrzna baterii akumulatorów składająca się z n ogniw wyniesie:

gdzie:

Rio - rezystancja całkowita baterii składających się z n ogniw
n - ilość ogniw,
z - ilość łączników elastycznych między blokami (skrzynkami) ogniwowymi,
Tw - rezystancja wewnętrzna ogniwa,
Tj- rezystancja łączników międzyogniwowych,
Tp - rezystancja łączników międzyblckowych,
Ts - rezystancja przejścia styku między zaciskiem łącznika a zaciskiem bloku i sworznia biegunowego ogniwa.
W tablicy 2 przedstawiono orientacyjne wartości rezystancji łączników baterii zasadowych Ni-Cd produkcji krajowej.

Moc ogniwa i moc baterii

Moc, jaką dysponuje ogniwo lub bateria nie jest wielkością stałą, lecz zależną od stanu elektrycznego ogniw, temperatury elektrolitu i czasu trwania wyładowania.

Moc chwilowa ogniwa

Na rysunku 3 przedstawiono wykresy mocy chwilowej ogniwa akumulatora rozruchowego Ni-Cd o pojemności 150 Ah, w zależności od prądu obciążenia po czasie rozładowania 1 s dla baterii naładowanych w 100% i 50%, przy różnych temperaturach elektrolitu.
Analizując krzywe na rysunku 3 zauważamy, że chwilowa moc ogniwa P zależy bezpośrednio od stanu naładowania baterii i temperatury elektrolitu oraz, że związana jest ona ściśle ze zmianami rezystancji wewnetrznei uzależnionej od tych samych czynników.

Rezystancje wewnętrzne ogniw

Tablica 1

Numer ogniwa Temperatura elektrolitu w C Stan naładowania w % Rezystencja wewnętrzna
1 + 25

-18
100 0,000410
50 0,000450
100 0,000608
50 0,000666
2 +25

- 20
100 0,000333
50 0,000454
100 0,000625
50 0,000714

 

 

Wartości rezystancji niektórych łączników

Tablica 2

 

Typ łącznika Oznaczenie rezystancji Oporność w miliomach przy +20°C % w stosunku do rezystancji wewnętrznej ogniwa przy +20°C
Łączniki międzyogniwewe w zależności od typu 0,011-0,098 2,7-24,0
Łączniki międzyblokowe (międzyskrzyniowe) rp 0,150-0,300 37,0-73,0
Rezystancja styku przy silnym docisku rs 0,025-0,030 6,0-7,0
Rezystancja styku przy słabym docisku i zanieczyszczanym styku rs 0,500-3,00 244,0-731,0

Największą mocą chwilową dysponuje oczywiście ogniwo naładowane w 100% przy temperaturze elektrolitu + 25°C (krzywa 2), a najmniejszą mocą dysponuje ogniwo naładowane tylko w 50% przy temperaturze elektrolitu -20°C (krzywa 6). Maksymalna chwilowa moc takiego ogniwa jest prawie 2,5 razy mniejsza od maksymalnej mocy, jaką dysponuje ogniwo.
Należy zwrócić uwagę na zmianę mocy chwilowej ogniwa w zależności od stopnia jego naładowania. Ogniwo wyładowane w 50% przy temperaturze elektrolitu 0°C (krzywa 5) dysponuje mniejszą mocą niż ogniwo naładowane w 100% przy temperaturze elektrolitu -20°C.

Moc baterii akumulatorów

Charakterystyki chwilowych mocy baterii akumulatorów składającej się z n szeregowo połączonych ogniw będą miały charakter identyczny jak charakterystyki ogniwa. Jednak z tą różnicą, że wypadkowa moc baterii będzie mniejsza z uwagi na dodatkowe rezystancje wewnątrz baterii (3).
Moc elektryczna (energia) dostarczona przez baterię musi być wystarczająca, aby przy naładowanych w 50% i oziębionych do temperatury -18° i 2°C ogniwach baterii, spowodować co najmniej 3-krotne, następujące po sobie, uruchomienie silnika spalinowego. Bardzo istotny więc jest nie tylko dobór baterii o właściwej pojemności i energii, ale także stan utrzymania elementów połączeń i prawidłowa konserwacja, aby bateria pracowała zawsze możliwie największą potrzebną mocą i nie było strat energetycznych w pozostałych elementach obwodu.

 

Proces rozruchu silnika spalinowego

Energia elektryczna dostarczona przez baterię jest przetworzona na energię mechaniczną rozrusznika silnika spalinowego.
Na rysunku 4 pokazano zależności między różnymi wielkościami biorącymi udział w procesie rozruchu, tj. zależności pomiędzy mocą elektryczną baterii, mocą mechaniczną rozrusznika, jego obrotami, napięciem baterii, momentem obrotowym rozrusznika i sprawnością w zależności od prądu dostarczanego przez baterię.

 

Krzywa mocy elektrycznej PE wykazuje, że moc ta jest równa 0 dla dwóch stanów obwodu, tzn. gdy:
U = 0 - jest to stan zwarcia baterii, (a)
1 = 0 - jest to stan biegu jałowego baterii przy otwartym obwodzie elektrycznym. (b)

Moc maksymalna jest wtedy, gdy napięcie równa się połowie napięcia przy otwartym obwodzie, a prąd równa się połowie prądu przy zwarciu.
Krzywa mocy mechanicznej PM ma podobny przebieg i przybiera wartości zero dla dwóch stanów rozrusznika, tj.: w momencie rozpoczęcia pracy moment ruszania R i w chwili odłączenia rozrusznika.
Punkt pracy rozrusznika przesuwa się od punktu R przez punkt maksymalnej mocy i ustala się w punkcie pracy A, w którym następuje start silnika spalinowego. Napięcie wzrasta od niskiej wartości początkowej do maksimum, a prąd maleje od dużej wartości w punkcie rozruchu do 0. Maksymalną wartość napięcia i wartość zerową prądu uzyskujemy po odłączeniu rozrusznika od baterii.

Wpływ stanu elektrycznego baterii i temperatury jej elektrolitu na rozruch silnika spalinowego

Jak wcześniej wspomniano, na rozruch silnika spalinowego decydujący wpływ ma rezystancja wewnętrzna baterii, wynikająca ze stanu elektrycznego baterii i temperatury elektrolitu oraz rezystancja łączników i przewodów łączących baterię z rozrusznikiem.
Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono przebiegi pierwszego rozruchu silnika spalinowego lokomotywy o mocy 882 kW (1200 KM) wykonanego z baterii składającej się z 72 ogniw Ni-Cd typu SI200 (Q5 = 200 Ah) z tą różnicą, że raz wykonano to z baterii naładowanej w 100% przy temperaturze elektrolitu +22 °C (rys. 5), drugi raz z baterii wyładowanej w 50% przy temperaturze elektrolitu -20°C (rys. 6). Rozrusznik stanowiła prądnica główna lokomotywy (PG).

Z charakterystyk przedstawionych na rysunkach 5 i 6 wynika, że proces rozruchu zawiera trzy charakterystyczne punkty pracy.
Punkt A - zamknięcie styków styczników rozruchowych rozrusznika - początek rozruchu.W miarę wzrostu obrotów n rozrusznika, połączonego z silnikiem spalinowym, powstaje w nim SEM skierowana przeciwnie do przyłożonego napięcia baterii. W związku z tym prąd rozruchu maleje, a napięcie baterii wzrasta. Charakterystyczne "zafalowania" prądu i napięcia wynikają z pracy tłoków w cylindrach silnika spalinowego (sprężanie - rozprężanie).
Punkt B - zapłon (pierwsza eksplozja) silnika spalinowego - początek pracy silnika. Od tego momentu obroty jego bardzo szybko wzrastają i następuje szybkie zmniejszanie się prądu (silnik spalinowy "ciągnie" rozrusznik) oraz szybki wzrost napięcia.
Punkt C - odłączenie styczników rozruchowych - rozrusznik przechodzi na pracę prądnicową.

Rys. 5. Przebieg pierwszego rozruchu silnika lokomotywy 882 kW (1200 KM) z 72-ogniwowej baterii zasadowej Ni-Cd SI200, naładowanej w 100%, przy temperaturze elektrolitu ogniw +22°C

Ir - prąd rozruchu,
Ub - napięcie na zaciskach baterii,
Upg - napięcie na zaciskach rozrusznika,
n - obroty rozrusznika,
tR - czas rozruchu,
AI7rw - spadek napięcia na baterii,
AUrl - spadek napięcia na przewodach łączących baterię z rozrusznikiem,
AUpg - spadek napięcia na zaciskach rozrusznika
Analizując przebiegi prądu i napięcia zauważamy, że w momencie zamknięcia styków rozruchowych w pobliżu punktu A, kiedy rozrusznik jeszcze "stoi", uwidaczniają się straty mocy na poszczególnych elementach obwodu. Wartość prądu rozruchu w momencie zamknięcia styków styczników rozruchowych wynosi:

gdzie:

Rw - całkowita wewnętrzna rezystancja baterii [Q],
Rl - rezystancja obwodu łączącego baterię z rozrusznikiem, 
Rpg - rezystancja rozrusznika.

Spadki napięć na poszczególnych elementach obwodu wynoszą:

 

 

Rys. 6. Przebieg pierwszego rozruchu silnika lokomotywy 882 kW (1200 KM) z 72-oginiwowej baterii zasadowej Ni-Cd SI200, naładowanej w 50%, przy temperaturze elektrolitu -20°C oznaczenia Jak na rysunku 5

Moc dostarczona do rozrusznika PG:

Straty mocy na Rw i Rl wyniosą odpowiednio:

Z charakterystyk widzimy, że największe straty mocy są na rezystancji wewnętrznej baterii.
Porównując charakterystykę z rysunku 6 z charakterystyką z rysunku 5 zauważamy bardzo duży wpływ stopnia naładowania i temperatury elektrolitu na wszystkie wielkości elektryczne. Wskutek zwiększonej rezystancji wewnętrznej wyładowanej w 50% i oziębionej baterii (rys. 6) zmniejszyła się wartość początkowa napięcia, a tym samym, zgodnie ze wzorem (4), prąd rozruchu o około 39%.

Rys. 7. Nieudany rozruch silnika lokomotywy 882 kW (1200 KM) z 72-oigniwowej baterii zasadowej NiCd przy temperaturze elektrolitu +27°C oznaczenia jak na rysunku 5

Zwiększyła się wartość spadku napięcia na baterii i uległa zmniejszeniu moc doprowadzona do rozrusznika. Ponadto czas rozruchu tR wydłużył się prawie o 1 s.
Jeżeli będziemy wykonywać kolejne rozruchy silnika, to w miarę wyładowywania baterii prądami rozruchu nastąpi wzrost wartości rezystancji poszczególnych ogniw. Powoduje to stopniowe zmniejszanie się napięcia baterii i wartości prądu. Moc oddawana przez baterię będzie coraz mniejsza. W wyniku takiego działania dojdzie do sytuacji, w której rozruch silnika spalinowego będzie niemożliwy. Przebieg takiego nieudanego rozruchu przedstawia rysunek 7.
Charakterystyczne dla tego przebiegu są częste odskoki styków spowodowane obniżeniem się napięcia na cewkach elektromagnesów włączających styczniki.

Czynniki uniemożliwiające rozruch silnika spalinowego

Czynniki wpływu stanu elektrycznego baterii i temperatury jej elektrolitu na rozruch silnika spalinowego, wynikające z naturalnych właściwości akumulatorów na proces rozruchu silnika spalinowego zostały już opisane. Obecnie omówione będą niektóre czynniki wynikające z niewłaściwej eksploatacji baterii i obwodu rozruchowego.
Rezystancja przewodów i połączeń odgrywa bardzo ważną rolę w procesie rozruchu. Często występujące niedokładnie lutowane łączniki, powypalane, słabo dokręcone i zanieczyszczone końcówki przewodów zdecydowanie zwiększają rezystancję obwodu rozruchowego. Należy wziąć pod uwagę, że każdy miliom dodatkowej oporności, przy prądach rozruchu rzędu od 1000 do 3000 A zwiększa straty mocy o 1-9 kW.
Zanieczyszczenie elektrolitu występuje w zasadzie tylko w długo eksploatowanych bateriach niklowo-kadmowych. Jest to zanieczyszczenie elektrolitu powstałym węglanem potasowym wskutek znajdującego się w otoczeniu dwutlenku węgla. Węglan potasowy zwiększa oporno ć elektrolitu i zmniejsza pojemność użyteczną baterii.

Gęstość elektrolitu

Oporność właściwa elektrolitu zależy od jego gęstości. Należy zatem przestrzegać zasady, aby gęstość elektrolitu była zgodna z wymaganiami wytwórcy. Zbyt mała lub zbyt duża gęstość powoduje zwiększenie oporności właściwej elektrolitu, a także inne skutki mogące spowodować szybkie zużycie ogniw baterii.
Zwarcie wewnętrzne w ogniwach powstaje wskutek wadliwej produkcji ogniwa, uszkodzenia separatorów lub zwarcia płyt, osadzającą się, na dnie naczynia ogniwa, masą czynną z płyt akumulatora. Zwarcie eliminuje ogniwo z procesu rozruchu zmniejszając napięcie, a tym samym moc baterii.

Niejednakowa pojemność ogniw w baterii

Bateria akumulatorów w okresie dłuższej eksploatacji wskutek częstych głębokich wyładowań, a następnie niewłaściwego ładowania oraz różnych innych czynników, zawiera część ogniw, których aktualne pojemności różnią się w znacznym stopniu między sobą.

Rys. 8. Przebiegumowanie jednego ogniwa w 46-ogniwowej baterii 4 SI 150, przy obciążeniu jej prądem I = 75 A

Ub - napięcie baterii,
Uo - napięcie ogniwa,
I - prąd

Różnice w pojemnościach między ogniwami dochodzą nieraz do 50°4, niektóre z tych ogniw mają zmniejszoną pojemność w sposób trwały. Pozostawienie baterii w takim stanie powoduje, że niektóre z tych ogniw - ogniwa o niższej pojemności - zostają w czasie dłuższych wyładowań przebiegunowane.
Przebiegunowanie ogniw występuje tylko w przypadkach baterii wieloogniwowej i polega ono na tym, że płynący przez baterię prąd rozładowania powoduje zmianę kierunku napięcia na głęboko wyładowanym (o słabszej pojemności) ogniwie. Proces ten przedstawia rysunek 8.
Napięcie takiego ogniwa odejmuje się od napięcia całej baterii, z wszelkimi dalszymi tego skutkami. Ponadto przy zmianie biegunowości ogniwa gazuje ono bardzo silnie - tak jak przy procesie intensywnego ładowania. Przy dużej wartości prądu rozruchu w ogniwie przebiegu-nowanym występuje tak silne gazowanie, że częstokroć elektrolit zostaje strumieniem wypchnięty na zewnątrz ogniwa, tak że ogniwo zostaje "wysuszone", powodując przerwę w obwodzie baterii. Kończy się to z reguły eksplozją gazów w skrzyni bateryjnej.

Podstawowe zasady utrzymania baterii

Aby utrzymać baterię akumulatorów i obwód rozruchowy w stanie pełnej sprawności, należy przestrzegać zasad podanych w wytycznych utrzymania baterii" lub "instrukcjach obsługi" zalecanych przez producenta. Szczególnie należy przestrzegać następujących zaleceń:
- nowe otrzymane baterie należy uruchomić przestrzegając bezwzględnie zasad podanych przez producenta tych baterii;
- bateria akumulatorów powinna być w stanie pełnego naładowania; przy każdym przeglądzie okresowym baterię należy doładowywać aż do oznak pełnego naładowania;
- okresowe sprawdzanie gęstości elektrolitu wskazane jest co 3 miesiące;
- okresowe sprawdzanie pojemności baterii i segregacja ogniw wykazujących różną pojemność są wskazane raz w roku;
- eliminacja ogniw zwartych wskazana jest przy przeglądzie okresowym;
- wymiana elektrolitu wskazana jest po przeprowadzeniu chemicznych badań stopnia zanieczyszczenia elektrolitu - nie rzadziej niż co 2 lata;
- kontrola stanu łączników i połączeń wskazana jest co 3 miesiące;
- sprawdzanie poziomu elektrolitu wskazane jest co 2 tygodnie w lecie i co 4 tygodnie w zimie.

Bibliografia:

[1] Karasiewicz T.: Badanie lokomotywy spalinowo--elektrycznej typu 411D. Prace COBiRTK Warszawa 1979 zeszyt 73
[2] Kieryłowicz W.: Wytyczne eksploatacji akumulatorów kwasowych rozruchowych zainstalowanych w spalinowych pojazdach trakcyjnych. Prace COBiRTK Warszawa 1976 zeszyt 62
[3] Praca zbiorowa: Baterie starterowe spalinowych pojazdów trakcyjnych PKP. Referaty na naradę naukowo-techniczną SITKom Warszawa 1973
[4] Svenska Ackumulator Aktiebolaget Junger: NIFE--Batterien zum Anlassen von Dieselmotoren. Katalog nr 4126-1-T Oskarsham 1970