Особенности конструкции батарей
Для увеличения тока и (или) напряжения отдельные элементы электрически соединяют параллельно (или последовательно) в батареи. Выбор схемы электрического соединения определяется напряжением, мощностью и требованиями по надежности. Наиболее распространены следующие схемы последовательных соединений элементов:
— соединения отдельных ХИТ, которые могут эксплуатироваться самостоятельно, при помощи межэлементных проводников;
— соединение положительных и отрицательных электродов соседних герметизированных элементов через токопроводящий промежуточный слой (галетная конструкция);
— соединение электродов, размещенных в соседних камерах многокамерного блока (моноблока), при помощи внутренних перемычек;
использование биполярных электродов, состоящих из слоя положительного электрода, токопроводящего слоя и слоя положительного электрода (рис. 1.6.3).
Кроме потерь напряжения и реагентов токи утечки приводят к неравномерности работы отдельных элементов и соответственно к сокращению срока службы элементов, работающих при более высокой нагрузке. При работе батарей последовательно соединенных элементов иногда происходит переполюсовка одного или нескольких эле-ментов, при этом элементы начинают работать не в режиме разряда, а в режиме заряда с протеканием побочных электрохимических реакций. Причиной переполюсовки может быть пассивация или отравление одного из электродов, отслоение или осыпание активной массы, прекращение подачи реагентов в элементы и др.
Переполюсованный элемент получает электрическую энергию от других последовательно работающих элементов в батарее. Так как зарядное напряжение в 1,3—2 раза выше разрядного, то вследствие переполюсовки как бы выходят из строя 2—3 элемента. При обнаружении переполюсовки такие элементы должны быть зашунтированы.
С ростом температуры ускоряются нежелательные химические (коррозия, деструкция, старение) и физические (размягчение, механическое разрушение материалов) процессы, поэтому для каждого ХИТ существуют максимально допустимая температура Tp maxи соответствующий ей критический ток Ip. кр , значение которого снижается с ростом температуры окружающей среды, т. е. с затруднением отвода теплоты. Критический ток можно повысить, увеличивая площадь внешней поверхности, например, используя оребрение. Так как тепловыделение возрастает с увеличением мощности ХИТ, то для мощных ХИТ (обычно при мощности более 1 кВт) применяют принудительное охлаждение: обдув воздухом с использованием специальных вентиляторов, циркуляцию электролита, газообразного реагента или теплоносителя через встроенные теплообменники и т. п. При использовании теплоносителя стационарная температура ХИТ рассчитывается по уравнению
Некоторые, в частности высокотемпературные, ХИТ разогревают перед началом работы. Для разогрева используют химические или, электрические нагреватели. В первом случае применяют пиропатроны или другие устройства, основанные на тепловом эффекте химических реакций. Во втором случае используют индукционные или погруженные в электролит нагреватели. Возможен также авторазогрев ХИТ путем увеличения тока разряда, вплоть до кратковременного короткого замыкания, если это не приводит к сокращению срока службы ХИТ.
Начальная внутренняя температура ХИТ может быть выше температуры окружающей среды (например, зимой при переходе из теплого в холодное помещение). Если эта разница превышает значение Ip(Eэн-Up)/αт)Sвн) во время разряда охлаждается. Стационарная температура при этом не должна опускаться ниже минимальной рабочей температуры Tmin , определяемой типом ХИТ и прежде всего составом электролита. Для поддержания рабочей температуры на требуемом уровне уменьшают площадь внешней поверхности и коэффициент теплопередачи (применяют специальную термоизоляцию из пенопласта, стекловолокна и т. п.) или подводят теплоту от внешнего источника. Стационарная температура ХИТ в этом случае определяется уравнением
При заряде некоторых аккумуляторов, в частности герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов при постоянном напряжении, иногда наблюдается непрерывное, все усиливающееся возрастание температуры (тепловой разгон). Рост температуры вызывает снижение поляризации и увеличение тока, что, в свою очередь, приводит к повышению температуры и т. д. Тепловой разгон может привести к взрыву аккумулятора. Наступлению теплового разгона способствуют высокая температура окружающей среды, плохой теплообмен аккумулятора со средой, неисправность аккумулятора, в частности де-фекты в сепараторе.