Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki ES1C 621 356 Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTRONIKA SAMOCHODOWA Temat: A kumula tor Opracował: dr inż. Wojciech Wojtkowski BIAŁYSTOK Politechnika Białostocka 2015
1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest poznanie zasad eksploatacji i diagnostyki akumulatorów ołowiowych stosowanych w pojazdach samochodowych oraz diagnostyki układu ładowania akumulatora w pojeździe. W ramach ćwiczenia poznawana jest także aparatura pomiarowa przydatna do diagnostyki akumulatorów samochodowych. Zakres ćwiczenia obejmuje: pomiary napięcia ładowania, pomiary napięcia akumulatora obciążonego i nieobciążonego, pomiary z wykorzystaniem sondy prądowej i miernika cęgowego, pomiary gęstości elektrolitu za pomocą areometru, zdejmowanie charakterystyk wyładowania, obliczanie czasu ładowania i rozładowania przy zadanych parametrach pracy, pomiar rezystancji wewnętrznej metodą techniczną, z uwzględnieniem rezystancji wewnętrznych woltomierza, amperomierza oraz rezystancji przewodów pomiarowych. badanie układów do ładowania akumulatorów, badanie układów ładowania akumulatora w pojeździe. Cały blok programowy ćwiczenia jest realizowany w ciągu 2 godzin lekcyjnych. Szczegółowy zakres ćwiczenia ustala prowadzący. 2. OGÓLNE ZASADY OBSŁUGI AKUMULATORA OŁOWIOWEGO Trwałość akumulatora zależy w sposób zasadniczy od jego obsługi i stanu naładowania. Prawidłowo użytkowany akumulator ołowiowy może pracować nawet 6 lub więcej lat, natomiast okres ten znacznie się skraca w przypadku 2
błędów w eksploatacji. Podstawowa ocena stanu technicznego akumulatora składa się z następujących czynności: sprawdzenie szczelności i czystości obudowy, sprawdzenie stanu zacisków biegunowych, sprawdzenie poziomu i pomiar gęstości elektrolitu, pomiar napięcia na zaciskach akumulatora w stanie jałowym i pod obciążeniem, obliczenie rezystancji wewnętrznej (pomiary metodą techniczną z uwzględnieniem rezystancji przyrządów pomiarowych). Pomiaru gęstości elektrolitu nie można w prosty sposób przeprowadzać w przypadku akumulatorów bezobsługowych, posiadających zamkniętą na stałe obudowę. Wówczas należy wykonać jedynie pomiary napięć oraz ocenić stan obudowy oraz zacisków biegunowych. UWAGA! Elektrolit jest substancją silnie żrącą (roztwór kwasu siarkowego). Podczas pomiarów gęstości elektrolitu należy zakładać rękawice, fartuch i okulary ochronne. Krople elektrolitu nie mogą dostać się do oczu, na skórę i 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 może dojść do nadmiernego wydzielania wodoru, który wraz z powietrzem (tlenem) tworzy mieszaninę wybuchową. Nie dopuszcza się rozłączania zacisków biegunowych podczas ładowania (można rozłączyć od strony zasilacza). Zalecenia producentów: Regularnie należy sprawdzać poziom elektrolitu. Minimalny poziom elektrolitu powinien znajdować się w przedziale 10-15 [mm] powyżej górnej granicy płyt. Jeżeli poziom elektrolitu spadnie poniżej podanego stanu, należy do danego 3
ogniwa dolać wody destylowanej lub demineralizowanej. NIE NALEŻY DOLEWAĆ KWASU (ELEKTROLITU)!. 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 (przekroczenie wartości napięć ładowania) prowadzi w skrajnych przypadkach do odrywania masy czynnej z płyt akumulatorowych, co objawia się zabarwieniem elektrolitu. UWAGA! Nie należy dopuszczać do zwarć zewnętrznych akumulatora. Należy kontrolować prawidłowe zamocowanie akumulatora w pojeździe. W przypadku jazdy miejskiej, częstego użytkowania świateł zewnętrznych lub zamontowania w pojeździe dodatkowych odbiorników energii elektrycznej, należy częściej kontrolować stan naładowania i w miarę potrzeby doładować akumulator z zewnętrznego źródła prądu. W przypadku nie używania pojazdu powyżej 4 miesięcy, akumulator pozostawiony w stanie pełnego naładowania zaleca się odłączyć od instalacji elektrycznej pojazdu (dłużej pozostanie w stanie naładowania, który jest stanem bezpiecznym). Akumulator wymaga doładowania, jeśli napięcie spoczynkowe spadnie poniżej 12,4V (gęstość elektrolitu 1,24 kg/l). Akumulator rozładowany (10,5V dla 6 ogniw) należy natychmiast naładować, by nie dopuścić do jego zasiarczenia lub zamarznięcia elektrolitu przy eksploatacji w okresie zimowym. Należy zapewnić czystość akumulatora, szczególnie w okolicy zacisków biegunowych (zapobieganie prądom upływu). 3. ŁADOWANIE AKUMULATORA Prawidłowy proces ładowania zależy od stanu akumulatora. Akumulatory głęboko rozładowane należy ładować z ograniczeniem prądu ładowania aby 4
zapobiec nadmiernemu nagrzewaniu i odrywaniu masy czynnej z płyt akumulatora. Akumulatory normalnie rozładowane (maksymalnie do napięcia 1,75V na ogniwo), można ładować stałym napięciem, nie przekraczając wartości 2,4 V na ogniwo. Ładowanie powinno się odbywać w pomieszczeniu przewietrzanym, z dala od ognia oraz iskrzenia. Typowa procedura ładowania akumulatora normalnie rozładowanego: 1. W akumulatorze posiadającym korki należy je wykręcić lub wyjąć nakładkę z korkami. 2. Sprawdzić poziom elektrolitu, a w razie potrzeby uzupełnić wodą destylowaną. 3. Podłączyć akumulator do źródła napięcia stałego, łącząc końcówkę biegunową dodatnią akumulatora z dodatnim zaciskiem źródła prądu i analogicznie końcówkę ujemną z ujemnym zaciskiem źródła prądu. 4. Ładować prądem równym 10 % wartości pojemności znamionowej dwudziestogodzinnej. a. Akumulator należy ładować aż do pojawienia się oznak pełnego naładowania. b. Gęstość elektrolitu w poszczególnych celach będzie na poziomie 1,28 + 0,02 0,01 kg/l, przy temp. o 25 C. 5. Zatrzymać ładowanie akumulatora jeżeli temperatura elektrolitu przekroczy o 55 C. 6. Sprawdzać poziom elektrolitu i w razie potrzeby uzupełnić. 7. Po zakończeniu ładowania wyłączyć najpierw prostownik i wyjąć przewód zasilający. Następnie zdjąć zaciski przewodów prostownika z akumulatora. 4. POMIAR GĘSTOŚCI ELEKTROLITU Pomiaru gęstości elektrolitu nie należy dokonywać bezpośrednio po ładowaniu akumulatora lub uzupełnianiu elektrolitu. Po zakończeniu ładowania należy odczekać 30 minut przed pomiarem gęstości, natomiast w przypadku uzupełniania elektrolitu należy odczekać 24 godziny. Jeżeli badany akumulator znajdował się właśnie pod obciążeniem, także należy odczekać ok. 30 minut przed rozpoczęciem pomiarów gęstości elektrolitu. 5
Wykonanie pomiaru (PAMIĘTAĆ O ODZIEŻY OCHRONNEJ, OKULARACH I RĘKAWICACH): - 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. Jeżeli nie ma możliwości takiego zanurzenia pipety w otworze wlewowym aby pobrać wystarczającą ilość elektrolitu, można pobrać elektrolit strzykawką i zlać do wąskiego, szklanego naczynia a następnie umieścić w nim areometr wyjęty z pipety. - Trzymając pionowo pipetę (areometr nie może dotykać do ścianki), odczytać gęstość elektrolitu. Zwrócić uwagę na możliwość 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, jeżeli temperatura otoczenia, a tym samym elektrolitu, nie wykracza poza granice20-30 O C. W innych temperaturach należy wprowadzić korektę temperaturową. Jeżeli temperatura elektrolitu różni się znacznie od temperatury odniesienia, która wynosi 25 O C, należy odczytaną wartość gęstości elektrolitu przeliczyć znając temperaturę skalowania areometru (najczęściej 25 O C). Należy wykorzystać zależność: przy zwiększaniu temperatury elektrolitu o +1 O C jego gęstość maleje o 0,7 mg/cm 3 i odwrotnie. Graniczne wartości gęstości elektrolitu charakteryzujące odpowiedni stan naładowania akumulatora przedstawia Tabela 1. 6
Tabela 1: Ocena stanu naładowania akumulatora kwasowego na podstawie gęstości elektrolitu: Gęstość [g/cm 3 ] Stan akumulatora 1,285 1,30 Zbyt wysoka gęstość elektrolitu, należy ją obniżyć 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 Różnice w gęstości elektrolitu między ogniwami nie powinny być większe niż 25 mg/cm 3. 5. POMIAR REZYSTANCJI WEWNĘTRZNEJ Wykonanie pomiaru: Podłączyć woltomierz do zacisków akumulatora. Zmierzyć napięcie akumulatora bez obciążenia. Włączyć odpowiednią rezystancję obciążającą. Uwaga! Moc dopuszczalna rezystora (zestawu rezystorów) powinna być odpowiednia do spodziewanego prądu. Odczytać i zanotować napięcie akumulatora. Czas wykonania pomiaru pod obciążeniem nie powinien przekraczać 5 sekund. Obliczyć rezystancję wewnętrzną akumulatora. 6. OCENA STANU AKUMULATORA ZA POMOCA PRÓBNIKA (UWA-25 lub PAS-16) należy postępować zgodnie z instrukcją obsługi próbnika. 7
7. DO PRZYGOTOWANIA Przed przybyciem na zajęcia laboratoryjne, studenci powinni: dokładnie zapoznać się z instrukcją, oszacować maksymalną wartość rezystancji wewnętrznej akumulatora 12 V / 45 Ah / 450 A, zakładając, że podczas normalnej eksploatacji napięcie wyładowania nie powinno spaść poniżej 11V, narysować schemat układu pomiarowego do pomiaru rezystancji wewnętrznej akumulatora metodą techniczną, podać równanie pozwalające na obliczenie rezystancji wewnętrznej akumulatora na podstawie pomiarów spadku napięcia przy znanym obciążeniu. 8. PRZEBIEG ĆWICZENIA Część ćwiczenia odbywa się na placu manewrowym przed budynkiem Wydziału Elektrycznego. Wybrać do badania min. 2 pojazdy samochodowe z silnikiem ZI. Dla każdego z wybranych pojazdów przeprowadzić następujące badania: Dokonać oględzin czystości obudowy w okolicach wyprowadzeń biegunowych, oraz sprawdzić stabilność zamocowania akumulatora. Zmierzyć napięcie ładowania akumulatora przy: o obrotach biegu jałowego, o obrotach 1000 obr./min., o obrotach 1500 obr./min., o obrotach 2000 obr./min., Zmierzyć współczynnik tętnień napięcia ładowania przy tych samych prędkościach obrotowych oraz zbadać poprawność działania regulatora napięcia, 8
Zmierzyć napięcie akumulatora przy wyłączonych wszystkich (w miarę możliwości) odbiornikach oraz przy niepracującym silniku, Zmierzyć napięcie akumulatora przy włączonych światłach mijania, długich oraz w miarę możliwości przy załączonych dodatkowych odbiornikach (znanej mocy). Na podstawie zmierzonych spadków napięć oszacować rezystancje wewnętrzną akumulatora w badanym układzie. Zmierzyć natężenie prądu pobieranego z akumulatora przy wyłączonych wszystkich odbiornikach oraz natężenia prądów pobieranych przez kilka przykładowych odbiorników. Należy wykorzystać amperomierz cęgowy. Policzyć teoretyczny czas pracy akumulatora (bez ładowania) przy obciążeniu każdym z badanych odbiorników. Wykorzystując akumulator ołowiowy dostępny w laboratorium: Zmierzyć gęstość elektrolitu. Zmierzyć rezystancję wewnętrzną (metodą techniczną). Zaproponować układ ładowania w warunkach poza pojazdem akumulatora o napięciu znamionowym 12 V i pojemności 150 Ah oraz po zmontowaniu przeprowadzić jego testy. Oszacować przybliżony czas pełnego ładowania przy założonych parametrach ładowarki. 9. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW Sprawozdanie powinno zawierać schematy układów pomiarowych i wyniki pomiarów. Należy zanotować symbole oznaczeń wszystkich urządzeń pomiarowych oraz badanych elementów wykorzystywanych w trakcie ćwiczenia. Wyniki pomiarów należy 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 należy skomentować. Opracowane 9
sprawozdanie powinno być złożone w terminie nie przekraczającym 2 tygodni. Sprawozdanie oddane po tym terminie będzie ocenione niżej. 10. 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 żrącą (roztwór kwasu siarkowego). Podczas pomiarów gęstości elektrolitu należy zakładać rękawice, fartuch i okulary ochronne. Krople elektrolitu nie mogą dostać się do oczu, na skórę i 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 może dojść do nadmiernego wydzielania wodoru, który wraz z powietrzem (tlenem) tworzy mieszaninę wybuchową. Nie dopuszcza się rozłączania zacisków biegunowych podczas ładowania (można rozłączyć od strony zasilacza). Należy zwrócić szczególną uwagę na zapobieganie zwarciu wyprowadzeń biegunowych akumulatora metalowymi elementami lub kawałkami przewodu. Z uwagi na wielką wydajność prądową, każde zwarcie zacisków biegunowych związane jest z silnym iskrzeniem, co stanowi zagrożenie nie tylko pożarowe (np. szybko spala się izolacja przewodu), ale także wybuchowe jeżeli podczas ładowania nagromadzi się wodór. Kolejnym zagrożeniem są odruchy obronne. Na skutek odruchów obronnych organizmu może dojść do dotkliwych skaleczeń np. szybko cofaną ręką z metalowym narzędziem, które doprowadziło do zwarcia (w praktyce np. klucz płaski). 10
11. 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 serwisowe akumulatorów EXIDE Technologies 11