АНАЛИЗ ПРИЧИН ВЫХОДА ИЗ СТРОЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ПРИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ. СПОСОБЫ УСТРАНЕНИЯ

В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи (АБ) подвергаются воздействию различных факторов (механических, температурных, химических и электрохимических) в результате которых возникают неисправности, которые или снижают электрические характеристики АБ,  или преждевременно выводят их из строя. В большинстве случаев  неисправности являются результатом небрежного или неправильного ухода и обслуживания АБ при их эксплуатации, а так же в результате боевого применения военной автомобильной техники (ВАТ).

Так, выход из строя одного из аккумуляторов в аккумуляторной батареи влечёт за собой неисправность АБ в целом, следовательно и ВАТ, на которой она установлена, не может в полной мере обеспечить поддержание боевой готовности воинских частей и подразделений.

Для устранения некоторых неисправностей АБ требуется производить их частичную разборку, что в настоящее время не предусмотрено руководящими документами и инструкциями по эксплуатации АБ. Современные аккумуляторные батареи и отдельные аккумуляторы в воинских частях при выходе из строя подлежат списанию, но в особых условиях при нахождении ВАТ в отдаленной местности и вне пункта постоянной дислокации (при тактических учениях, полевых выходах, в период проведения боевых действий) в случаях, когда транспортирование их для ремонта в другие районы невозможно или экономически нецелесообразно, АБ необходимо подвергать разборке для устранения неисправностей и поддержания в установленной степени готовности ВАТ.

Рассмотрим причины возникновения некоторых неисправностей и способы их устранения.

Трещины моноблоков, внутренних перегородок моноблока и крышек аккумуляторов вызываются механическими повреждениями вызванные ударами, тряской (из-за плохого крепления батарей на машинах) в процессе эксплуатации АБ. Эти неисправности обнаруживаются при внешнем осмотре батарей, а также по быстрому снижению уровня электролита вследствие подтекания его через трещины моноблока. Трещины во внутренних перегородках моноблока вызывают постепенный разряд смежных аккумуляторов батареи. Первым признаком такого повреждения обычно является неспособность батареи держать заряд и различие в степени заряженности отдельных аккумуляторов.

При устранении неисправностей крышки аккумуляторов и моноблоки, имеющие трещины у батарей в моноблоке с ячеечными крышками подлежат замене исправными. У аккумуляторных батарей с общей крышкой такие неисправности практически устранить нельзя и батареи подлежат списанию, но в особых условиях трещины крышек аккумуляторов, батарей и моноблоков могут быть устранены с помощью клеевой композиции на основе эпоксидной смолы без разборки аккумулятора или батареи. Предварительно из тех аккумуляторов, где имеется трещины моноблока, необходимо сливать электролит. Участок с трещиной обработать 10%-ным раствором кальцинированной или пищевой соды, а затем обезжирить растворителем, после этого заклеить эпоксидной смолой, дождаться ее застывания и залить в аккумуляторы слитый электролит или же новый такой же плотности. Но дальнейший срок службы таким образом отремонтированных батарей (без разборки, со сливом электролита путем их переворачивания) также крайне ограничен.

Нарушение электрической цепи аккумуляторной батареи. Нарушение электрической цепи батареи обнаруживается: по отказу в работе стартера при исправной цепи батарея-стартер, по низкому уровню напряжения при прокручивании коленчатого вала двигателя. Оно может быть вызвано распайкой перемычек, расплавлением или обломом полюсного вывода (борна), а также обрывом полублока положительных электродов в результате коррозии токоотводов.

Признаком нарушения контакта в местах пайки токоведущих частей является нагрев места спайки при больших разрядных токах, потрескивание и дымление. Признаком обрыва электрической цепи внутри аккумулятора является малая величина ЭДС (ноль или очень близкое ему значение без нагрузки) и нулевое напряжение под нагрузкой. Нарушение пайки полюсного вывода перемычки может быть устранено путем проварки нарушенного соединения угольным электродом. При обрыве цепи внутри аккумулятора он подлежит разборке и исправлению мест повреждения или замене блока электродов.

Отстающие аккумуляторы. Состояние отдельных аккумуляторов батареи должно быть практически одинаковым. Если в батарее хотя бы один аккумулятор будет разряжаться раньше остальных, то работоспособность батареи определяется именно этим отстающим аккумулятором. Отстающие аккумуляторы можно обнаружить при заряде на зарядной станции, а также при контрольном разряде во время контрольно-тренировочного цикла. Наиболее характерными признаками отстающего аккумулятора являются следующие: плотность электролита при заряде повышается значительно медленнее, чем в других аккумуляторах, и не достигает необходимого значения; напряжение в конце заряда ниже, а температура электролита выше, чем в остальных исправных аккумуляторах.

Отстающие аккумуляторы следует заряжать отдельно после окончания заряда остальных исправных аккумуляторов батареи. Для этого к перемычкам отстающих аккумуляторов с помощью зажимов Румянцева присоединяют провода от зарядного источника через дополнительный реостат. Заряд производится в течение (3-4) часов тем же током и по тем же правилам, что и заряд батареи. Затем следует провести контрольный разряд всей батареи током 10-часового разрядного режима. Если в конце разряда разница между напряжением отстающего аккумулятора и другими будет менее 0,2 В, то такую батарею после нормального заряда можно сдать в эксплуатацию. Если дополнительный заряд отстающих аккумуляторов не дает положительных результатов, исправление их надо проводить способами устранения сульфатации или короткого замыкания. Обнаружить отстающий аккумулятор по перечисленным выше признакам можно в батарее любой конструкции, но восстановить его работоспособность – только у батареи в моноблоке с ячеечными крышками и межэлементными перемычками над крышками.

В свинцово-кислотных аккумуляторах протекают следующие деградационные процессы.

Коррозия токоотводов электродов. Как правило, коррозия токоотводов – наиболее частый дефект батарей, эксплуатируемых в буферном режиме. Свинцовый сплав токоотводов коррозирует вследствие протекающих в аккумуляторе при хранении химических, а также при заряде и разряде электрохимических процессов, теряя при этом свою механическую прочность и электропроводность. Происходит это за счет постепенного внедрения кислорода, выделяющегося на поверхности активной массы PbO2, в кристаллическую решетку сплава за счет диффузии через окисную пленку в более глубокие слои токоотвода. Скорость коррозии зависит как от состава сплава, так и от конструкции и условий отливки. В качественно отлитых решетках из сплава Pb (свинец) – Ca (кальций) – Sn (олово) скорость коррозии низка, но в плохо отлитых – отдельные участки подвергаются коррозии, что в свою очередь вызывает деформацию. Деформация решеток может привести к короткому замыканию разно-полярных пластин. Деградация отрицательного электрода, связанна с коррозией на токоведущих деталях, которые находятся выше уровня электролита и на борне. Поскольку продукты коррозии имеют больший объем, чем свинец, могут иметь место выдавливания компаунда, герметизирующего вывод, и повреждение борна, крышки и даже корпуса.

Для того, чтобы снизить скорость коррозии токоотводов положительных электродов и оплывания их активной массы, необходимо аккумуляторные батарее содержать в заряженном состоянии и не допускать их перезаряда. При хранении батарей их целесообразно ежемесячно заряжать постоянным током, равным 10% от номинальной емкости батарей, не допуская при этом длительного перезаряда. Коррозионное разрушение положительного электрода вследствие эксплуатации в условиях перезаряда представлено на рисунке 1 а. Скорость коррозии токоотводов положительных электродов и оплывания их активной массы у мало обслуживаемых батарей при тех же условиях ниже в разы, чем у обслуживаемых.

Сульфатация электродов. Под термином «сульфатация электродов» в значении неисправности аккумуляторной батареи понимают такое состояние электродов, когда они не заряжаются при пропускании нормального зарядного тока в течение установленного промежутка времени. Образующийся при этом плохо растворимый в воде сульфат свинца PbSO4 ограничивает емкость аккумулятора и способствует выделению водорода при заряде, а в перспективе к тому, что батарею впоследствии не удастся зарядить вовсе.

Для отрицательного электрода сульфатация внешне проявляется наличием на поверхности крупных, трудно растворимых при заряде кристаллов или даже сплошного слоя сульфата свинца. Активный материал таких электродов является жестким, поверхность электродов не дает ясной металлической черты, если по ней прочертить ножом.

Активный материал положительных электродов, подвергшихся сульфатации, часто приобретает светлую окраску, причем появляются белые пятна сульфата. Поверхность электродов становится жесткой, шероховатой; при растирании такой активной массы между пальцами создается ощущение, сходное с ощущением, получаемым при растирании песка. При сульфатации электродов резко возрастает внутреннее сопротивление аккумулятора, а следовательно, понижается напряжение при разряде. Емкость сульфатированного аккумулятора резко снижается, особенно при стартерном режиме разряда.

Сульфат, свинца имеет больший объем, чем активная масса, поэтому при сульфатации происходят закупоривание пор, выкрашивание и выдавливание активной массы, а также искривление и разрыв электродов.

Причины сульфатации: применение загрязненного примесями электролита; длительное нахождение батарей в разряженном состоянии; систематический недозаряди перезаряд батарей; снижение уровня электролита в аккумуляторах (ниже верхней кромки электродов); несоблюдения правил обслуживания батарей при их эксплуатации и хранении (рисунок 1).

Исправление сильно сульфатированных электродов аккумулятора невозможно.

Частичную сульфатацию, не вызвавшую разрывов и коробления электродов, можно устранить путем длительного (до 24 ч. и более) заряда батареи. Заряд необходимо вести до тех пор, пока плотность электролита и напряжение не будут постоянными в течение (5-6) часов. Если путем длительного заряда сульфатацию устранить не удается, следует разрядить аккумуляторную батарею током 10-часового режима и поставить еще раз на заряд током, сниженным наполовину от нормального. Заряд производят до тех пор, пока плотность и напряжение не будут постоянными в течение (5-6) часов, после чего необходимо довести плотность до нормальной и провести контрольный разряд. Практически оказывается необходимым провести еще не менее одного-двух контрольно-тренировочных циклов, чтобы сульфатированная батарея отдала 75% гарантированной емкости.

Электроды малообслуживаемых и необслуживаемых батарей сульфатации в значении неисправности практически не подвержены.

Внутреннее короткое замыкание аккумулятора. Короткие замыкания внутри аккумулятора происходят между разно-полюсными электродами через токопроводящие мостики из свинцовой губки, образующейся на нижних и боковых кромках электродов; через осадок (шлам), откладывающийся в придонном пространстве аккумулятора в результате оползания активной массы; за счет заполнения наиболее крупных по диаметру пор сепараторов разбухшей активной массой до образования сквозных мостиков через сепараторы, такой эффект получил название «прорастание», мостики образуются вследствие продавливания сепараторов разбухшей активной массой и образования трещин в сепараторах. В результате, внутри аккумулятора появляются уравнительные токи (так как все одноименные пластины соединены между собой), постепенно разряжающие элемент через место короткого замыкания. Чем меньшим сопротивлением обладает место короткого замыкания и чем дольше продолжается это замыкание, тем глубже идет разряд, тем больше падает напряжение и плотность электролита.

Чрезмерный саморазряд. Саморазрядом называется такой разряд, при котором отключенная от разрядной цепи аккумуляторная батарея, самопроизвольно разряжается и теряет емкость. Параметр, соответствующий такой характеристике аккумуляторной батареи как саморазряд, является сохранность заряда. Случается иногда, что совершенно новый элемент не держит заряда или же батарея, работавшая раньше вполне исправно, внезапно начинает «барахлить» и в течение нескольких суток ее напряжение резко падает. Если не будет обнаружено утечки тока или короткого замыкания (внешнего или внутреннего), причина потери емкости обычно лежит в повышенном саморазряде.

Саморазряд бывает нормальным и повышенным. Нормальный саморазряд для свинцовой стартерной аккумуляторной батареи — явление неизбежное. Саморазряд считается повышенным, если после 14- суточного бездействия батарей среднесуточная величина его превышает 0,7% номинальной емкости автомобильных батарей и 0,5 ...0,6% номинальной емкости танковых батарей с мипоровыми сепараторами при температуре окружающей среды 20±5°С.

Повышенный саморазряд, вызывается следующими основными причинами:

–    наружный или поверхностный саморазряд - наличием на поверхности батарей загрязнений, проводящих электрический ток (например, электролита, пролитого при небрежной заливке батарей, при установке батарей в машину или попавшего во время их заряда при бурном газовыделении);

–    внутренний саморазряд - применением дистиллированной воды или электролита, содержащих вредные примеси; хранением аккумуляторных батарей при повышенных температурах окружающего воздуха; повышенным износом электродов в процессе эксплуатации аккумуляторных батарей.

Повышенный саморазряд обнаруживается по быстрому уменьшению плотности электролита при хранении батарей, а также по утечке тока, определяемой вольтметром со щупом.

Для предупреждения и устранения повышенного внутреннего саморазряда необходимо применять для приготовления электролита только аккумуляторную кислоту, отвечающую требованиям ГОСТа, и дистиллированную воду. Следует также исключить применение грязной и некислотостойкой посуды для приготовления, хранения и заливки электролита. Для профилактики поверхностного саморазряда своевременно проводить обслуживание батарей при эксплуатации и при хранении, обращая особое внимание на то, чтобы поверхность батарей была чистой и сухой; своевременно устранять трещины в мастике (внешний саморазряд устраняется при нейтрализации поверхности батарей 10-% раствором кальцинированной (или пищевой) соды или нашатырного спирта). Батареи в моноблоке с общей крышкой и межэлементными перемычками под крышкой из-за отсутствия межэлементных перемычек над крышками и мастики значительно меньше подвержены поверхностному саморазряду, чем батареи в моноблоке с ячеечными крышками.

Электрохимический саморазряд особенно усиливается по мере увеличения времени работы обслуживаемых батарей. Поверхность отрицательного электрода покрывается сурьмой, выходящей в электролит вследствие коррозии положительного токоотвода, и осаждающейся на поверхности губчатого свинца. Наличие на поверхности отрицательных электродов сурьмы значительно увеличивает скорость их саморазряда. Применение в токоотводах аккумуляторов мало обслуживаемых и необслуживаемых батарей безсурьмянных сплавов многократно уменьшает скорость саморазряда таких батарей.

Саморазряд аккумуляторных батарей в значительной степени зависит от температуры окружающего воздуха (соответственно и от температуры электролита). При повышении окружающей температуры саморазряд увеличивается, при температуре электролита 0° и ниже саморазряд практически прекращается.

Перезаряд аккумуляторной батареи. При очень длительном заряде аккумуляторной батареи или заряде повышенной силой тока быстро увеличивается температура и плотность электролита, происходит электролиз воды на кислород и водород (выкипание воды). В результате быстро уменьшается уровень электролита. Кислород окисляет решетки положительных электродов и вызывает их коррозию. Происходит разбухание активной массы и образование на поверхности окисной пленки вследствие коррозии металла. В порах активной массы электродов накапливается большое количество кислорода и водорода. Давление газов в порах увеличивается, что вызывает разрыхление и осыпание (выкрашивание) активной массы (рисунок 2).

Чрезмерная интенсивность газообразования внутри АБ. При повышенном значении зарядного напряжения от генератора (неисправен регулятор напряжения) увеличивается интенсивность газообразования внутри батареи. Если своевременно не устранить причины перезаряда, уровень электролита быстро снижается. За несколько дней или недель (в зависимости от интенсивности эксплуатации) он может снизиться настолько, что оголятся полюсные мостики и даже верхние части электродов. При низком уровне электролита увеличивается газовый объем под крышкой аккумуляторов, возрастает плотность электролита.

Процесс заряда батарей сопровождается разложением воды, находящейся в электролите, на водород и кислород. Большая часть выделившегося кислорода и водород выходят из электролита на поверхность, создавая видимость его кипения, скапливаются под крышками в каждом аккумуляторе. Выделяющийся газ легко рассеивается в окружающую среду через вентиляционные отверстия пробок, в случаи возникновения искры от неисправной электропроводки либо другого источника, в том числе открытого огня, произойдет взрыв и разрушение батареи. Сила взрыва и его последствия целиком зависят от количества газа, скопившегося к этому моменту. Детали батареи при разрушении могут причинить вред окружающим людям, а также попасть во вращающиеся приводные ремни генератора двигателя, вызвав тем самым неисправность ВАТ в целом.

Таким образом, рассмотрев вышеуказанные неисправности и деградационные процессы, возникающие в процессе эксплуатации АБ, следует сделать вывод о том, что при преждевременном их выходе из строя, а так же при нахождении ВАТ в отдаленной местности и вне пункта постоянной дислокации (при тактических учениях, полевых выходах, в период проведения боевых действий), в случаях когда транспортирование АБ для ремонта в другие районы невозможно или экономически нецелесообразно, АБ необходимо подвергать разборке для устранения возникающих неисправностей с целью поддержания ВАТ в установленной степени готовности.

Список литературы

1.    Картуков, А.Г. Причины выхода из строя аккумуляторных батарей, применяемых в системах гарантированного электропитания, используемых на военной автомобильной технике [Текст] / А.Г. Картуков, С.В. Яковлев, В.А. Беляев // Сб. научн. статей участн. межвуз. научно-практ. конф – СПб: ВИ(ИТ) ВА МТО, 2018. – С. 20-29.

2.     Картуков, А.Г. О проблемах разрушения положительных электродов свинцовых кислотных аккумуляторов [Текст] / А.Г. Картуков // 65-ая Международная научно-техническая конференция "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров". – Москва, 2009. – С. 53 – 61.

3.   Кочуров, А.А. О противоречиях в теории работы свинцового кислотного аккумулятора [Текст]/ А.А. Кочуров // 65-ая Международная научно-техническая конференция "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров". - Москва, 2009. – С. 169 – 179.