Разработка автоматизированного зарядного устройства для автомобильных аккумуляторных батарей

Знакомство с автоматизированными зарядными устройствами аккумуляторных батарей: этапы разработки, обзор устройств. Анализ главных экономических затрат на разработку оборудования. Характеристика технологий и средств разработки автоматизированных устройств.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

автоматизация технологический устройство

На данном этапе развития нашего общества, когда постоянно увеличивается количество транспортных средств и самоходных машин оснащенных аккумуляторными батареями, большая часть потребителей столкнется с необходимостью обслуживания и зарядки аккумуляторной батареи. Казалось бы, в настоящее время зарядные устройства достаточно распространены и не ощущается необходимость в разработке данного устройства. Однако при эксплуатации зарядного устройства в промышленных масштабах и необходимости производить зарядку аккумуляторов каждый день, использование простого бюджетного варианта не представляется возможным. Более того, современный мир и современная жизнь требуют автоматизации привычных нам процессов.

Под автоматизацией технологического процесса следует понимать некую совокупность средств и методов, позволяющих осуществлять контроль и выполнение технологического процесса без непосредственного участия человека.

Актуальность использования автоматизированных зарядных устройств в промышленных масштабах уже не вызывает сомнений.

Применение автоматизированных зарядных устройств дает целый ряд преимуществ, к которым можем отнести следующее:

-- снижение трудоёмкости процессов;

-- повышение производительности;

-- обеспечение промышленной безопасности при проведении работ;

-- эффективное использование рабочего времени.

Таким образом, объектом исследования можно обозначить технологии и средства разработки автоматизированных устройств. Предметом исследования является автоматизированное зарядное устройство. Исходя из этого, целью квалификационной работы является разработка автоматизированного зарядного устройства для автомобильных аккумуляторных батарей соответствующее требованиям промышленной безопасности и эксплуатации в промышленных масштабах.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

Углубленно изучить методы разработки устройств на микроконтроллерах PIC;

Разработать функциональную и электрическую принципиальную схему устройства;

Произвести тестирование разработанного устройства;

Произвести расчет экономических затрат на разработку устройства;

Методы исследования и разработки проекта - сопоставительный и системный анализ данных, обобщение, разработка, тестирование устройства.

Практическая значимость проекта - разработанное автоматизированное зарядное устройство позволит Цеху эксплуатации и ремонта транспорта ОАО «ЧЭМК» значительно сократить затраты на обслуживание АКБ и более эффективно использовать рабочее время сотрудников автоматизировав операции по обслуживанию аккумуляторных батарей, а так же обезопасить их в связи с отсутствием необходимости в контроле за протеканием технологического процесса.

1. Автоматизированные зарядные устройства

1.1 Описание предметной области

Свинцово-кислотный аккумулятор - наиболее распространённый на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретён в 1859 году французским физиком Гастоном Планте.

Свинцово-кислотный аккумулятор - это электрохимический прибор, запасающий химическую энергию, которая преобразуется в электрическую, при подключении к его полюсам внешней нагрузки. Химическая энергия образуется при взаимодействии материалов, из которых изготовлены положительные и отрицательные пластины аккумулятора и электролит:

Губчатый свинец (Pb) - отрицательная пластина;

Двуокись свинца (PbO2) - положительная пластина;

Серная кислота (H2SO4) - электролит;

Химические реакции в свинцовом аккумуляторе описываются уравнением:

В токообразующих процессах участвуют двуокись свинца (диоксид свинца), PbO2 (окислитель) положительного электрода, губчатый свинец Pb (восстановитель) отрицательного электрода и электролит (водный раствор серной кислоты H2SO4). Активные вещества электродов представляют собой жесткую пористую электроно проводящую массу с диаметром пор 1,5 мкм у PbO2 и 5-10 мкм у губчатого свинца. Объемная пористость активных веществ в заряженном состоянии - около 50%.

Часть серной кислоты в электролите диссоциирована на положительные ионы водорода H+ и отрицательные ионы кислотного остатка SO42-. При разряде аккумулятора губчатым свинцом в электролит выделяются положительные ионы двухвалентного свинца Pb2+. По внешнему участку замкнутой электрической цепи избыточные электроны отрицательного электрода перемещаются к положительному электроду, гда восстанавливают четырехвалентные ионы свинца Pb4+ до двухвалентного свинца Pb2+. Положительные ионы свинца Pb2+ соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка SO42-, образуя на обоих электродах сернокислый свинец PbSO4 (сульфат свинца).

При подключении аккумулятора к зарядному устройству электроны движутся к отрицательному электроду, нейтралезуя двухвалентные ионы свинца Pb2+. На электроде выделяется губчатый свинец Pb. Отдавая под влиянием напряжения внешнего источника тока по два электрона, двухвалентные ионы свинца Pb2+ у положительного электрода окисляются в четырехвалентные ионы Pb4+. Через промежуточные реакции ионы Pb4+ соединяются с двумя ионами кислорода и образуют двуокись свинца PbO2.

При подключении аккумуляторной батареи к зарядному устройству электроны движутся к отрицательному электроду, нейтрализуя двухвалентные ионы свинца Pb2+ у положительного электрода окисляются в четырехвалентные электроды Pb4+. Через промежуточные реакции ионы Рb4+ соединяются с двумя ионами кислорода и образуют двуокись свинца PbO2.

Плотность электролита измеряется количеством серной кислоты в электролите. Плотность полностью заряженной аккумуляторной батареи составляет 1.300 при температуре 26.7 градусов Цельсия. Это означает, что электролит полностью заряженной батареи в 1.3 раза тяжелее воды. Степень заряженности батареи в зависимости от плотности электролита:

Таблица 1 - относительная плотность электролита

Степень заряженности	Плотность электролита	Напряжение на полюсах
100%	1.300	12,84
75%	1.250	12,50
50%	1.200	12,20
25%	1.155	11,90
Полностью разряжена	1.120	11,00

По мере разрядки батареи плотность электролита уменьшается, так как его сульфатная часть уходит из электролита, образуя сульфат свинца, который осаждается на пластинах.

Итак, к моменту полной разрядки батареи электролит оказывается очень сильно разбавленным, т. к. кислота оседает на пластины в виде кристаллов сульфата свинца. Во время же зарядки батареи химическая реакция идет в обратном направлении. Большая часть серной кислоты восстанавливается из кристаллов сульфата свинца и возвращается в электролит. Однако некоторое количество сульфата свинца все же остается на пластинах, и оно постоянно растет с каждым циклом заряда-разряда батареи. С течением времени пластины оказываются покрытыми слоем неэлектропроводного сульфата свинца, а плотность электролита пониженной из-за потери кислоты оставшейся в этом сульфате свинца. Это препятствует движению зарядов в аккумуляторе и образованию электрического тока.

С течением времени отложения сульфата свинца на пластинах упрочняются и кристаллизуются. Пластины теряют способность к накоплению заряда при зарядке аккумулятора, а отложения сульфата свинца могут привести к короткому замыканию или другим механическим повреждениям пластин. Часто на пластинах появляются трещины, что вызывает внутренний обрыв цепи.

Во время разрядки или простоя аккумулятора на его пластинах формируется сульфат свинца. В течение короткого промежутка времени кристаллы сульфата свинца постепенно засоряют поверхность пластин до тех пор, пока батарея не потеряет способность заряжаться и удерживать заряд. Этот процесс, называемый сульфатацией, происходит во всех свинцово-кислотных аккумуляторных батареях, не зависимо от способа их применения. Это основная причина отказа аккумуляторов.

Батарея должна иметь чистые пластины и сильный электролит, чтобы принимать зарядный ток и выдавать разрядный. Батарея с чистыми пластинами имеет большую емкость, заряжается быстрее и имеет более длительный срок эксплуатации.[33]

В соответствии с данными теоретическими знаниями было разработано зарядное устройство, работающее по алгоритму, который обеспечивает максимальный срок службы аккумулятора и правильную эксплуатацию.

В настоящее на рынке имеется огромное количество зарядных устройств дл...