Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH AKUMULATOR BIAŁYSTOK 2008
1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest poznanie zasad eksploatacji oraz diagnostyki akumulatorów ołowiowych stosowanych w instalacjach elektrycznych pojazdów samochodowych. W ramach ćwiczenia poznawana jest aparatura pomiarowa przydatna do diagnostyki akumulatorów samochodowych w celu nabycia umiejętności prawidłowego jej wykorzystania w praktyce. Zakres ćwiczenia obejmuje: pomiary napięcia ładowania, pomiary napięcia akumulatora bez obciąŝenia i pod róŝnym obciąŝeniem, pomiary z wykorzystaniem sondy prądowej lub miernika cęgowego, pomiary gęstości elektrolitu, ładowanie akumulatora, ocenę stanu akumulatora w pojeździe, sprawdzenie działania regulatora napięcia w pojeździe, obliczanie czasu ładowania i rozładowania przy zadanych parametrach pracy, obliczanie rezystancji wewnętrznej. Szczegółowy zakres ćwiczenia ustala prowadzący. 2. OGÓLNE ZASADY OBSŁUGI AKUMULATORA Trwałość akumulatora zaleŝy w sposób zasadniczy od jego obsługi. Prawidłowo uŝytkowany akumulator ołowiowy moŝe pracować bez znacznego pogorszenia parametrów około 5-6 lat. Okres ten znacznie się skraca w przypadku błędów w eksploatacji. Podstawowa ocena stanu technicznego akumulatora składa się z następujących czynności: sprawdzenie szczelności obudowy, stanu zacisków biegunowych i poziomu elektrolitu, pomiar gęstości elektrolitu, pomiar napięcia na zaciskach akumulatora bez obciąŝenia i pod obciąŝeniem. 2
Dodatkowo na zajęciach laboratoryjnych naleŝy wyliczyć wartości rezystancji wewnętrznej wszystkich dostępnych w laboratorium akumulatorów. Aby tego dokonać naleŝy zaprojektować i wykonać odpowiedni układ połączeń. Pomiaru gęstości elektrolitu nie moŝna przeprowadzać w przypadku akumulatorów bezobsługowych, posiadających zamkniętą na stałe obudowę. W przypadku takich akumulatorów naleŝy wykonać jedynie pomiary napięć oraz ocenić stan obudowy oraz zacisków biegunowych. UWAGA! Elektrolit jest substancją silnie Ŝrącą. Podczas pomiarów gęstości elektrolitu naleŝy zakładać rękawice i okulary ochronne. Krople elektrolitu absolutnie nie powinny dostać się do oczu, na skórę lub na ubranie. Akumulatora nie wolno przechylać aby elektrolit nie wyciekł z otworów odpowietrzających. W razie dostania się elektrolitu do oczu natychmiast przepłukać przez kilka minut czystą wodą, następnie udać się bezzwłocznie do lekarza. Krople elektrolitu na skórze lub ubraniu zneutralizować natychmiast roztworem mydła i spłukać obficie wodą. W czasie ładowania akumulatora naleŝy zapewnić otoczenie beziskrowe i bezpłomieniowe (moŝliwość wybuchu). Zalecenia eksploatacyjne: Regularnie naleŝy sprawdzać poziom elektrolitu. Minimalny poziom elektrolitu powinien znajdować się w przedziale 10-15 [mm] powyŝej górnej granicy płyt. JeŜeli poziom elektrolitu spadnie poniŝej podanego stanu, naleŝy do danego ogniwa dolać wody destylowanej lub demineralizowanej. NIE NALEśY DOLEWAĆ KWASU. W pojeździe powinno być zapewnione napięcie ładowania (mierzone na końcówkach biegunowych akumulatora) na poziomie: a. 7,0 7,2 V dla instalacji 6V b. 14,0 14,4 V dla instalacji 12 V c. 28,0 28,8 V dla instalacji 24 V Nie dotrzymanie w/w wymagań prowadzi w skrajnych przypadkach do spływu mas czynnych z płyt akumulatorowych, co objawia się zabarwieniem elektrolitu. UWAGA! Nie naleŝy dopuszczać do zwarć zewnętrznych akumulatora. NaleŜy kontrolować prawidłowe zamocowanie akumulatora w pojeździe. W przypadku jazdy miejskiej, częstego uŝytkowania świateł zewnętrznych lub zamontowania w pojeździe dodatkowych odbiorników prądu, naleŝy częściej kontrolować stan naładowania i w miarę potrzeby doładować akumulator z zewnętrznego źródła prądu. 3
W przypadku nie uŝywania pojazdu powyŝej 4 miesięcy, akumulator pozostawiony w stanie pełnego naładowania zaleca się odłączyć od instalacji elektrycznej pojazdu (moŝe to jednak prowadzić do skasowania ulotnej pamięci sterownika). Akumulator rozładowany naleŝy bezzwłocznie naładować, by nie dopuścić do jego zasiarczenia lub zamarznięcia elektrolitu przy eksploatacji w okresie zimowym. NaleŜy zapewnić czystość akumulatora, szczególnie w okolicy zacisków biegunowych. 3. ŁADOWANIE AKUMULATORA 1. Akumulator umieścić w wentylowanym pomieszczeniu. 2. W akumulatorze wyposaŝonym w korki naleŝy je wykręcić lub wyjąć nakładkę z korkami (w zaleŝności od konstrukcji). 3. Sprawdzić poziom elektrolitu, a w razie potrzeby uzupełnić wodą destylowaną. 4. Podłączyć akumulator do źródła prądu stałego, łącząc końcówkę biegunową dodatnią akumulatora z dodatnim zaciskiem źródła prądu i analogicznie końcówkę ujemną z ujemnym zaciskiem źródła prądu. 5. Ładować prądem równym 10 % wartości pojemności znamionowej. 6. Akumulator naleŝy ładować aŝ: a. Napięcie na końcówkach biegunowych akumulatora przy włączonym prostowniku będzie na poziomie: o dla akumulatorów 12 V 15,6 16,8 V; o dla akumulatorów 6 V 7,8 8,4 V. b. Gęstość elektrolitu w poszczególnych celach będzie na poziomie 1,28 przy temp. rozdziale 4). + 0,02 0,01 kg/l, o 25 C (uwagi odnośnie pomiaru gęstości elektrolitu znajdują się w 7. Zatrzymać ładowanie akumulatora jeŝeli temperatura elektrolitu przekroczy 8. Sprawdzać poziom elektrolitu i w razie potrzeby uzupełnić. o 55 C. 9. Po zakończeniu ładowania wyłączyć najpierw prostownik i wyjąć przewód zasilający. Następnie zdjąć zaciski przewodów prostownika z akumulatora. 4
4. POMIAR GĘSTOŚCI ELEKTROLITU Pomiaru gęstości elektrolitu nie naleŝy dokonywać bezpośrednio po ładowaniu akumulatora lub uzupełnianiu elektrolitu. Po zakończeniu ładowania naleŝy odczekać 30 minut przed pomiarem gęstości, natomiast w przypadku uzupełniania elektrolitu naleŝy odczekać 24 godziny. JeŜeli badany akumulator znajdował się właśnie pod obciąŝeniem, takŝe naleŝy odczekać ok. 30 minut przed rozpoczęciem pomiarów gęstości elektrolitu. Wykonanie pomiaru: - Usunąć korek otworu wlewowego pierwszego ogniwa akumulatora i zanurzyć w elektrolicie koniec szklanej pipety areometru. - Zassać gruszką gumową taką ilość elektrolitu, aby areometr pływał w nim swobodnie. JeŜeli nie ma moŝliwości takiego zanurzenia pipety w otworze wlewowym aby pobrać wystarczającą ilość elektrolitu, moŝna pobrać elektrolit strzykawką i zlać do wąskiego, szklanego naczynia a następnie umieścić w nim areometr wyjęty z pipety. - Trzymając pionowo pipetę (areometr nie moŝe dotykać do ścianki), odczytać gęstość elektrolitu. Zwrócić uwagę na moŝliwość zafałszowania wyniku przez menisk wklęsły. - Wlać z powrotem elektrolit do celi i powtórzyć pomiar kolejno dla pozostałych ogniw akumulatora. - Zmierzyć temperaturę elektrolitu. Wykonanie tego pomiaru nie jest wymagane, jeŝeli temperatura otoczenia, a tym samym elektrolitu, nie wykracza poza granice20-30 o C. JeŜeli temperatura elektrolitu róŝni się znacznie od temperatury odniesienia, która wynosi 293K (20 o C), to wartość zmierzoną przy pomocy areometru (d T ) naleŝy wykorzystać do wyliczenia wartości d 293 wg zaleŝności: d = dt + 0,0007( T 293) (1) 293 T T 273,15 (2) [ K ] = o + [ C] 5
Na podstawie obliczonej wartości gęstości elektrolitu, moŝna wyznaczyć stopień naładowania ogniwa: d293 dw x ( d) = 100% d d n w (3) Gdzie: d w = 1,14 g/cm 3 gęstość elektrolitu ogniwa w pełni wyładowanego, d n = 1,28 g/cm 3 gęstość elektrolitu ogniwa w pełni naładowanego. Znając gęstość elektrolitu moŝna wyliczyć siłę elektromotoryczną ogniwa: E ( d) = d293 + 0,84 (4) Gdzie gęstość wyraŝamy w g/cm 3. Wyniki pomiarów i obliczeń naleŝy zanotować w tabeli 1: Tabela 1. Wyniki pomiarów przeprowadzonych w celu zbadania stanu akumulatora Lp. Wielkość mierzona Symbo Jednost l ka 1 Poziom elektrolitu l mm 2 Gęstość elektrolitu d T g/cm 3 3 Temperatura T K elektrolitu 4 Gęstość elektrolitu w temperaturze 293 K d 293 g/cm 3 5 Stopień naładowania x(d) % 6 Siła E(d) V elektromotoryczna 7 Rezystancja wewnętrzna R w mω Numer ogniwa 1 2 3 4 5 6 Graniczne wartości gęstości elektrolitu charakteryzujące odpowiedni stan naładowania akumulatora przedstawia Tabela 2. 6
Tabela 2: Ocena stanu naładowania akumulatora kwasowego na podstawie gęstości elektrolitu: Gęstość [g/cm 3 ] Stan akumulatora 1,285 1,30 Zbyt wysoka gęstość elektrolitu, naleŝy ją obniŝyć przez zastąpienie odpowiedniej ilości elektrolitu wodą destylowaną 1,28 Akumulator naładowany 1,20 1,24 Akumulator wymaga naładowania 1,15 1,20 Akumulator wymaga natychmiastowego naładowania 1,14 Minimalna dopuszczalna gęstość elektrolitu przy normalnym wyładowaniu akumulatora (stan alarmowy) 1,10 Akumulator całkowicie rozładowany RóŜnice w gęstości elektrolitu między ogniwami nie powinny być większe niŝ 25 mg/cm 3. 5. POMIAR NAPIĘCIA AKUMULATORA OBCIĄśONEGO Sprawdzenie stanu akumulatora przez pomiar gęstości elektrolitu stanowi tylko podstawę do stwierdzenia stanu chemicznego elektrolitu. Próba ta nie daje podstaw do oceny stanu płyt i separatorów. Dopiero pomiar napięcia w czasie wyładowania duŝym prądem umoŝliwia przekonanie się o wewnętrznym stanie elektrycznym akumulatora. Tradycyjnie próbę napięciową akumulatora wykonuje się woltomierzem widełkowym. Woltomierz widełkowy składa się z woltomierza magnetoelektrycznego oraz widełek z rezystorem obciąŝającym. Przyrząd wyposaŝony jest w trzy rodzaje wymiennych lub przełączanych obciąŝeń: bez obciąŝenia do pomiaru napięcia spoczynkowego akumulatora, z rezystorem obciąŝającym akumulator prądem 80A, do badania akumulatorów o pojemności do 100Ah, z rezystorem obciąŝającym prądem 150A do badania akumulatorów o pojemności ponad 100Ah. JeŜeli w czasie próby napięciowej wartość napięcia szybko maleje, to świadczy to o zasiarczeniu płyt akumulatora. 7
6. POMIAR REZYSTANCJI WEWNĘTRZNEJ Wykonanie pomiaru: - Podłączyć woltomierz do zacisków akumulatora. - Zmierzyć napięcie akumulatora nieobciąŝonego. - Włączyć odpowiednią rezystancję obciąŝającą. Uwaga! Moc dopuszczalna rezystora (zestawu rezystorów) powinna być odpowiednia do spodziewanego prądu. - Odczytać i zanotować napięcie akumulatora. Czas wykonania pomiaru pod obciąŝeniem nie powinien przekraczać 4 sekund. - Obliczyć rezystancję wewnętrzną akumulatora. 7. WYKRYWANIE PRĄDÓW SAMOWYŁADOWANIA ZEWNĘTRZNEGO W celu pomiaru prądów płynących po powierzchni akumulatora między jego zaciskami i łącznikami między-ogniwowymi naleŝy połączyć jeden zacisk woltomierza z biegunem akumulatora, a przewodem dołączonym do drugiego zacisku woltomierza dotykać do górnej powierzchni ścianek bocznych naczynia akumulatorowego. Do pomiarów uŝyć woltomierza o jak największej rezystancji wewnętrznej. W przypadku wykrycia prądu naleŝy oczyścić obudowę akumulatora. 8. OCENA STANU AKUMULATORA ZA POMOCA PRÓBNIKA (UWA-25 lub PAS-16) - naleŝy postępować zgodnie z instrukcją obsługi próbnika. 9. ZAGADNIENIA WSTĘPNE: - zapoznać się z instrukcją, - oszacować maksymalną wartość rezystancji wewnętrznej akumulatora 12 V/45Ah/450A, zakładając, Ŝe podczas normalnej eksploatacji napięcie wyładowania nie powinno spaść poniŝej 11V, - narysować schemat układu pomiarowego do pomiaru rezystancji wewnętrznej akumulatora, - podać równanie pozwalające na obliczenie rezystancji wewnętrznej akumulatora na podstawie pomiarów spadku napięcia przy znanym obciąŝeniu. 8
10. PRZEBIEG ĆWICZENIA Wybrać do badania min. 2 pojazdy samochodowe z silnikiem ZI. Dla kaŝdego z wybranych pojazdów przeprowadzić następujące badania: Dokonać oględzin czystości obudowy w okolicach wyprowadzeń biegunowych, oraz sprawdzić stabilność zamocowania akumulatora. Zmierzyć napięcie ładowania akumulatora przy: a. obrotach biegu jałowego, b. obrotach 1000 obr./min., c. obrotach 2000 obr./min., d. obrotach 3000 obr./min., Zmierzyć współczynnik tętnień napięcia ładowania przy tych samych prędkościach obrotowych oraz określić sprawność (poprawność działania) regulatora napięcia, Zmierzyć napięcie akumulatora przy odłączonych wszystkich (w miarę moŝliwości) odbiornikach oraz przy niepracującym silniku, Zmierzyć napięcie akumulatora przy włączonych światłach mijania, długich oraz w miarę moŝliwości przy załączonych dodatkowych odbiornikach (znanej mocy). Na podstawie zmierzonych spadków napięć zgrubnie policzyć rezystancje wewnętrzną. Zmierzyć natęŝenie prądu pobieranego z akumulatora przy wyłączonych wszystkich odbiornikach oraz natęŝenia prądów pobieranych przez kilka przykładowych odbiorników. NaleŜy wykorzystać amperomierz cęgowy. Policzyć teoretyczny czas pracy akumulatora (bez ładowania) przy obciąŝeniu kaŝdym z badanych odbiorników. Wykorzystując akumulator ołowiowy dostępny w laboratorium: Zmierzyć gęstość elektrolitu. Zmierzyć rezystancję wewnętrzną (metoda pośrednią). Zaproponować układ ładowania w warunkach poza pojazdem akumulatora o napięciu znamionowym 12 V i pojemności 150 Ah oraz po zmontowaniu przeprowadzić jego testy. Oszacować przybliŝony czas pełnego ładowania przy załoŝonych parametrach ładowarki. Zdjąć fragment charakterystyki wyładowania akumulatora prądem 5-godzinnym. Wyniki przedstawić w formie graficznej. Pomiary przeprowadzić w czasie ok. 10 min. Pomiar zdolności rozruchowej (przy obciąŝeniu 3Q 20 ). Cykl obciąŝenia składa się z 5 sekundowego okresu udarowego wyładowania i 25 sekundowej przerwy. NaleŜy 9
policzyć liczbę cykli aŝ do osiągnięcia przez akumulator napięcia 1V na ogniwo. Przy co piątym wyładowaniu rozruchowym notujemy napięcie akumulatora i w miarę moŝliwości gęstość elektrolitu. 11. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW Sprawozdanie powinno zawierać schematy układów pomiarowych i wyniki pomiarów. NaleŜy zanotować symbole oznaczeń wszystkich urządzeń pomiarowych oraz badanych elementów wykorzystywanych w trakcie ćwiczenia. Wyniki pomiarów naleŝy przedstawić w formie tablic oraz wykresów. W sprawozdaniu powinien się znaleźć dokładny opis wykonywanych w trakcie laboratorium czynności związanych z realizacją poszczególnych zadań. Wszelkie wyniki eksperymentalne naleŝy skomentować. Opracowane sprawozdanie powinno być złoŝone w terminie nie przekraczającym 2 tygodni. 12. WYMAGANIA BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z obowiązującą w laboratorium instrukcją BHP oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych. UWAGA! Elektrolit jest substancją silnie Ŝrącą. Podczas pomiarów gęstości elektrolitu naleŝy zakładać rękawice i okulary ochronne. Krople elektrolitu absolutnie nie powinny dostać się do oczu, na skórę lub na ubranie. Akumulatora nie wolno przechylać aby elektrolit nie wyciekł z otworów odpowietrzających. W razie dostania się elektrolitu do oczu natychmiast przepłukać przez kilka minut czystą wodą, następnie udać się bezzwłocznie do lekarza. Krople elektrolitu na skórze lub ubraniu zneutralizować natychmiast roztworem mydła i spłukać obficie wodą. W czasie ładowania akumulatora naleŝy zapewnić otoczenie beziskrowe i bezpłomieniowe (moŝliwość wybuchu). 13. PYTANIA KONTROLNE Opisać budowę akumulatora ołowiowego. Wyjaśnić zasadę działania akumulatora kwasowego. Podać definicje następujących parametrów akumulatora: pojemności, prądu znamionowego, sprawności, zdolności rozruchowej. 10
Jakie czynniki przyspieszają proces samowyładowania akumulatora? Omówić wpływ temperatury otoczenia na następujące parametry akumulatora ołowiowego: siłę elektromotoryczną, gęstość elektrolitu, opór wewnętrzny, pojemność, zdolność rozruchową. Czy pojemność akumulatora zaleŝy od natęŝenia prądu wyładowania? Omówić następujące rodzaje ładowania: jednostopniowe, dwustopniowe, wyrównawcze, przyśpieszone, odsiarczające, doładowanie. Podać typowe uszkodzenia akumulatora, ich przyczyny i sposoby usuwania. Jakimi metodami moŝna sprawdzić stan naładowania akumulatora? Omówić sposób wykrywania prądów samowyładowania. Omówić sposób pomiaru rezystancji wewnętrznej akumulatora. 14. LITERATURA Dziubiński M.: Elektroniczne układy pojazdów samochodowych, Lublin 2003. Herner A.: Elektronika w samochodzie. WKŁ, Warszawa 2001. Trzeciak K.: Diagnostyka samochodów osobowych, WKŁ 2003. Materiały katalogowe akumulatorów EXIDE Technologies. 11