Аккумулятор без преувеличения можно считать вторым сердцем транспортного средства. Для правильного выбора АКБ и ее эффективной работы полезно знать, из чего состоит аккумулятор, как работает аккумулятор автомобиля, основные характеристики и другие важные параметры.
История развития АКБ
Когда-то для запуска двигателя, необходимо было с усилиями крутить стартерный рычаг. Это очень изнурительное занятие. У современных автомобилей данную проблему решает автоаккумулятор. Отметим, что принцип работы автомобильного аккумулятора был описан больше 1,5 веков назад и на сегодняшний день он не изменился.
АКБ в системе автомобиля
Аккумуляторы «свинцового» типа имеют высочайшую надёжность, отличное качество в паре с доступной стоимостью, а также подлежат утилизации. Благодаря этому они востребованы, а процесс их развития активно движется вперед.
В последнее время возрастающей популярностью начинают пользоваться транспортные средства, имеющие электрический гибридный привод, а также электромобили. Доступны и постоянно модернизируются АКБ закрытого исполнения. Данные аккумуляторы не предполагают специального обслуживания, поскольку вещество, заливаемое внутрь (дистиллированная вода) почти не подлежит разложению. Предпринимались попытки заменить АКБ пневматическим оборудованием, обеспечивающим запуск силового агрегата, и особыми накопителями конденсаторного типа. Но все они не привели к желаемому результату.
Значимость аккумуляторной батареи растает. А потому нельзя недооценивать большое значение развития и усовершенствования производственных технологий «обыкновенного» аккумулятора.
Для чего нужна аккумуляторная батарея
АКБ имеет не меньшее значение для автомобиля, чем мотор – именно аккумуляторная батарея обеспечивает:
- пуск силового агрегата;
- питание электроэнергией устройств при неработающем двигателе;
- помощь генератору при максимальных нагрузках.
Работая совместно с генератором, АКБ участвует в обеспечении переходных процессов, требующих тока высокой мощности, кроме того она стабилизирует пульсации тока в электросети.
как устроена АКБ
Классическая АКБ
До сегодняшнего дня широко применяются три вида электроаккумуляторов:
- свинцово-кислотный аккумулятор — дата его создания начало ХХ столетия и на сегодня устройство аккумуляторной батареи автомобиля не изменилось;
- с литиево-ионным аккумулятором автолюбители познакомились не так давно (около 15 лет назад) его конструкцию и скорость завоевания рынка называют революционной, впрочем, как и постоянное ее усовершенствование;
- железо-никелевый аккумулятор безламельного типа тоже появился недавно, но его производственные затраты и конечная потребительская стоимость оказались слишком высоки, поэтому со временем он был вытеснен с рынка.
Свое долголетие свинцово-кислотная АКБ обеспечивает абсолютным лидерством ДВС. То, как устроен автомобильный аккумулятор максимально соответствует требованиям безопасности к источнику электрической энергии, который обеспечивает кратковременную выдачу ее с громадной силой, требуемой при старте силового агрегата машины. Другие типы аккумуляторных батарей, имея гораздо высокие значения ёмкости или не выдерживали такие мощные нагрузки, или технологии, используемые при производстве, был слишком сложными и дорогостоящими.
Устройство АКБ
Любой автомобиль укомплектован стартерным аккумулятором, который обеспечивает напряжение 12В. Давайте подробно разберем, из чего состоит АКБ и какие процессы происходят внутри в ходе работы.
Как устроен аккумулятор
Гальванический элемент
Их в стандартном аккумуляторе 6 штук. Они соединяются последовательно специальными перегородками и размещаются в специальный корпус.
Данные элементы являются основными составляющими аккумуляторной батареи. Каждый из них включает в себя два свинцовых электрода, имеющих разную полярность (плюс/минус), которые выполнены в виде решётчатых пластин. Блок с электродами погружается в электролит (38% раствор — серная кислота/дистиллированная вода). Ячейки у пластин заполняются рабочим составом.
Сепаратор
Материал пористого типа, имеющий свойства изолятора. Его задачей является защита электродов от замыканий.
Сепаратор не допускает циркуляцию рабочего раствора в блоке, одновременно предотвращая соприкосновение электродов с разными зарядами.
Перемычки
Перемычки у элементов, пластин/бареток и отводами полюсов АКБ выполнены из свинца. Они проходят через перегородку элемента. Отводы полюсов различаются по значению размеров. Положительный отвод в диаметре больше, чем отвод отрицательный. Это защищает от неправильного подключения АКБ я остается обязательным условием при производстве аккумуляторов.
Из-за переполюсовок срок качественной эксплуатации АКБ значительно сокращается, поскольку рабочий раствор разрушается.
Корпус АКБ
Призван обеспечить безопасность/целостность всей конструкции и выполняется из качественного изолирующего материала, который устойчив к взаимодействию с кислотами, серьезным колебаниям температурного режима и вибрациям.
Сегодня для изготовления корпуса применяется полипропилен. Корпус состоит из 2-х элементов — главная ёмкости и герметически закрываемая крышка. Для удобства крепления аккумулятора, снаружи корпуса расположены отбортовки.
Соединение перемычек у элементов
Для получения напряжения требуемой мощности на выходе каждый гальванический элемент соединен с соседним посредством межэлементных перемычек.
Всегда применяется соединение последовательного типа, когда положительный отвод одного из блоков подключен к отрицательному отводу своего соседа.
Рабочая смесь
Камера в аккумуляторе заполняется рабочей смесью – электролитом, которым заполняются ячейки свинцовых пластинок и сепараторные поры.
Конструкционной особенностью устаревших аккумуляторных батарей было присутствие пробки вверху гальванического элемента. Это позволяло при необходимости доливать рабочую смесь внутрь блоков. Современные АКБ специального обслуживания не предполагают.
Принцип работы АКБ
Разряд аккумуляторной батареи
В момент разряда АКБ отдает электроэнергию бортовым элементам, нуждающейся в ней. Происходит преобразование химических энергий, накапливающейся в аккумуляторе, в электроэнергию.
С подключенной нагрузкой аккумулятор утрачивает энергию – разряжается: объем дистиллята в составе электролита возрастает, соответственно, доля кислоты в растворе сокращается.
Разряд аккумулятора
Заряд АКБ
В момент заряда батарея копит энергию (электрическую), преобразующуюся в новую химреакцию. Зарядка может производиться от различных источников:
- автогенератор;
- внешний источник/зарядное устройство;
- посредством выпрямителя.
Зарядка батареи от автогенератора начинается сразу после пуска силового агрегата автомобиля. У современных электромобилей зарядка аккумулятора (12В) осуществляется от высоковольтного источника. В процессе зарядки показатель концентрации кислоты возрастает, химическая энергия возвращается к исходным значениям, а затем вновь преобразуется в электроэнергию.
Заряд аккумулятора
Основные характеристики АКБ
Ёмкость
Данная характеристика обозначает способность батареи отдавать электроэнергию. Расчёт этого значения выполняется умножением показателей силы тока и времени. Единица измерения А/ч. Ёмкость батареи имеет зависимость от конструктивных особенностей (материал, взятый при производстве электродов и сепараторов, их качество, размер и пр.), кроме того от особенностей рабочего раствора (температурный показатель и значение плотности, объем заряженности и режим разряда). Показатель ёмкости существенно понижается при низкой температуре и небольшой плотности рабочей смеси.
Номинальная ёмкость выражает кол-во отдаваемой электрической энергии. Данное значение замеряется при соблюдении следующих условий:
- АКБ должна быть заряжена на 100%.
- Значение тока равняется 1/20 ёмкости при беспрерывном разряде в течение 20ч.
- Электролит должен иметь температуру 25C.
- Значение напряжения на выходе должно быть не менее 10,5В.
Это важнейший показатель, определяющий параметры электрооборудования, работающего в авто.
Ток холодной прокрутки (ТХП)
Данная характеристика необходима для определения пусковых свойств батареи при низкой температуре. Оно измеряется при минус 18C с полностью заряженной батарей.
Показатель ТХП не должен снижааться за отметку заданного показателя в течение установленного кол-во времени. Чем больше показатель ТХП, тем проще будет заводиться мотор в зимний период.
Коэффициент заряда (КЗ)
При заряде батареи необходим значительный объем энергии. Он гораздо больше объема, который АКБ отдает. Это связано с потерями в процессе нагрева и сопутствующими химреакциями.
Для полного заряда батареи необходимо 105-110%% электрической энергии, взятой с АКБ.
Напряжение гальванических элементов
Это напряжение между плюсовыми и минусовыми отводами гальванических элементов. На показатель влияет концентрация, а также температура кислоты в рабочей смеси.
У стандартной батареи любой гальванический элемент имеет показатель 2В.
Номинальное напряжение (НН) и напряжение на выводе
В соответствии с действующими стандартами показатель НН одного элемента АКБ равняется 2В. Поскольку элементы соединены последовательным способом, общий показатель напряжения равняется сумме значений всех значений. Отсюда получается общее напряжение батареи 12В.
Напряжение на выводе — показатель напряжения, которое измеряется на отводах полюсов АКБ.
Маркировка АКБ
Напряжение газовыделения
Показатель напряжения заряда, превышение которого провоцирует выделение газа. Данный показатель связан с температурным значением. Для любого элемента он равняется 2,4В. Значит, вся АКБ имеет показатель 14,4В.
Превышение данного показателя ведет к разложению дистиллята, содержащегося в рабочем растворе. Это способствует образованию водорода и кислорода, а при их смешении образуется взрывоопасный газ.
Напряжение холостого хода (НХХ)
НХХ также называют напряжением покоя – это напряжение на отводах при отсутствии нагрузки. После заряда/разряда аккумулятора НХХ меняет показатель.
Окончательный показатель получается лишь при стабильной плотности рабочей смеси.
Потеря воды
При показателе напряжения выше 14,4В дистиллят электролита аккумулятора быстро разлагается и улетучивается. Скорость данного процесса зависит от температурного режима.
Показатель уровня рабочего раствора понижается, процент содержания кислоты возрастает, а период службы АКБ становится меньше. Из-за этого увеличивается вероятность образования искры, что может спровоцировать взрыв батареи.
Отвод газа
Для отвода газов, образованных при химреакциях, в батарее имеется газоотвод. Это обеспечивает направленный отвод газа в определенное место. Вывод газа осуществляется с разных сторон (плюс/минус) — это зависит от места его нахождения в батарее. В некоторых модификациях АКБ предусмотрено 2 отверстия для отвода газа — на обеих сторонах вывода.
Важно! Одно отверстие обязательно герметично закрывается. Если закрыто два отверстия, то аккумулятор «разорвется». Почти у всех сегодняшних батарей отвод газа осуществляется от минусового вывода.
Саморазряд
Процесс, вызванный химреакциями, происходящими внутри батареи. Он происходит даже если к аккумулятору нет подключений внешних потребителей. Показатель зависит от температурного режима и технологических процессов, применяемых при производстве батареи.
Для сведения значения к минимуму в производстве электродов не используют сурьму для сплава со свинцом, заменяя ее кальцием. Это гарантирует наименьшее значение саморазряда в ходе старения. В соответствии с установленными нормативами саморазряд АКБ равен ориентировочно 3% в месяц (0.1% в день).
АКБ в системе автомобиля
Оптимальные условия нагрузок для АКБ
Идеальной нагрузкой для батареи остается нагрузка заряда. В процессе работы генератора питаются все потребители электроэнергии в автомобиле и осуществляется заряд батареи.
Для примера возьмем поездку на машине за городом по трассе в хорошую погоду с большой частотой вращения силового агрегата. В данных условиях генератором производится больше электроэнергии, чем необходимо всем потребителям. Остаток тока полностью уходит на заряд аккумуляторной батареи.
Негативные условия нагрузки для аккумуляторной батареи
Тут для примера приведем противоположные условия – машина едет по городу в холодную с туманом ночь. В этой обстановке вырабатываемой энергии не хватает на питание всех электроприборов сети (у авто включены фары, подогрев/обогрев и пр.). При нехватке производимого тока, для качественного питания потребителей энергия берется с батареи. За счет этого, батарея не только не получает заряд, а напротив, разряжается.
При слишком низких температурных значениях понижается способность батареи получать заряд.
Помните! В морозы частый пуск силового агрегата в коротких поездках отрицательно влияет рабочие характеристики АКБ.
Разность потенциалов, возникающая при погружении двух пластин в раствор с электролитом, составляет основной принцип работы аккумулятора. Для того, чтобы понять, как работает аккумуляторная батарея, необходимо знать ее устройство.
Устройство аккумуляторной батареи
Аккумулятором называется отдельно взятая ячейка, которая в соединении с другими подобными ячейками образует аккумуляторную батарею. В стандартной 12-ти вольтовой батарее объединены шесть аккумуляторов, вырабатывающих напряжение 2 вольта каждый. Все они заключены в общий корпус, обеспечивающий целостность всей конструкции.
Жесткие требования к корпусу связаны с необходимостью устойчиво переносить колебания температур, агрессивные химические воздействия, а, также, вибрацию. Основным материалом корпуса является полипропилен. В состав корпуса входят две части: основная емкость с большой глубиной, которая закрывается крышкой, оснащенной отверстиями с пробками либо дренажной системой.
В каждой ячейке устанавливается пакет собранный из свинцовых пластин с чередующейся полярностью. На их решетчатую конструкцию наносится активная масса, являющаяся рабочим реагентом. Такие пластины в обязательном порядке применяются в автомобильных аккумуляторах.
Для предотвращения замыкания, между пластинами вставляются сепараторы, материалом для которых служит пористый пластик. После сборки пакет фиксируется с помощью специального бандажа для предотвращения деформации и смещения. К плюсовым и минусовым выводам тока на пластинах подключаются клеммы приема тока.
Принципы работы
Принцип работы аккумулятора основан на реакции между двуокисью свинца положительной пластины, губчатым свинцом отрицательной пластины и раствором серной кислоты с водой. Этот раствор представляет собой электролит, плотность которого составляет 1,28 г/см3. Происходит образование электрического тока, с одновременным образованием на отрицательной пластине сульфата свинца. Происходит выделение воды из электролита, со снижением его плотности.
При поступлении электрического тока из внешних источников, таких как генератор или зарядное устройство, электрохимический процесс начинает происходить в обратном направлении. На отрицательных электродах происходит восстановление чистого свинца, а на положительных – регенерируется диоксид свинца. Одновременно повышается плотность электролита.
Таким образом, принцип работы аккумулятора основан на методе двойной сульфатации, позволяющей полностью восстанавливать первоначальные свойства батареи. Срок службы аккумулятора напрямую зависит от качества используемых материалов.
Устройство и неисправности свинцовых аккумуляторов
АКБ окружают людей в их повседневной жизни буквально повсюду – в мелкой и крупной домашней технике, средствах связи, любимом автомобиле. Несмотря на это, многие не знают, каков принцип работы аккумулятора, и посему не умеют с ним обращаться. На самом деле есть один генеральный принцип, которому подчинена работа батарей всех видов. Это обратимые химические реакции, происходящие циклично. Во время разряда аккумуляторной батареи происходит превращение энергии химической в электрическую, что обеспечивает работу технического устройства, к которому подключен АКБ. Когда запас этой энергии будет исчерпан на определенный процент, производят зарядку аккумулятора. Во время нее также идут химические превращения, но уже с обратным эффектом. То есть поступление электрического тока вызывает накопление запасов химической энергии.
Отличают разные аккумуляторы между собой два аспекта – тип электролита и материал, из которого выполнены электроды. Основой для электролита выступают кислоты или щелочи, которые после разбавления водой или другими добавками приобретают вид готовой гомогенной смеси различной консистенции (жидкой либо гелевой). Вещество, выступающее электродом, способно изменять свойства готового изделия. Самыми распространенными являются литиевые, свинцовые и никель-кадмиевые батареи.
Об автомобильных аккумуляторах
Принцип работы стандартного автомобильного аккумулятора опирается на его конструкцию и не зависит от того, залит в него кислотный или щелочной электролит.
Внутри диэлектрического и нерастворимого серной кислотой корпуса из специального пластика помещаются шесть банок-батареек, последовательно прикрепленных друг к другу. В каждой из этих банок есть по несколько электродов с зарядами «плюс» и «минус», которые выглядят как отводящая ток решетка, смазанная специальной химически активной массой.
Чтобы решетки с разными знаками случайно не соприкоснулись и не закоротили, каждая из них погружена в разделитель из полиэтилена. Сами электроды сделаны обычно из свинца с разнообразными примесями.
Если быть точным, то таких свинцовых решеток бывает три вида:
- Малосурьмянистые . И аноды, и катоды сделаны из сплава свинец+сурьма и требуют мало обслуживающих процедур.
- Кальциевые . Здесь примесь, соответственно, кальций. Такие электроды вообще не нужно обслуживать.
- Гибридные . Один электрод, с минусом, делается из кальциевого сплава, а положительный содержит сурьму.
Можно с уверенностью утверждать, что свинцово-кислотный — самый востребованный и распространенный вид аккумулятора для авто. Принцип работы свинцового аккумулятора основывается на активном взаимодействии серной кислоты с диоксидом свинца.
Когда батарея эксплуатируется, то есть нужна электрическая энергия, на катоде свинец окисляется, а его диоксид на аноде, напротив, участвует в восстановительной реакции. При зарядке, как нетрудно догадаться, взаимодействия идут в обратную сторону.
Это все происходит за счет кислоты в электролите, часть ее распадается, соответственно, концентрация падает. Именно этим обусловлена необходимость периодически обновлять жидкость в батарее.
С гелевыми аккумуляторами такого не случается. Состояние электролита в них не позволяет ему испаряться, если, конечно, не перегреть АКБ во время подзарядки. Как правильно заряжать гелевые аккумуляторы, читайте здесь →
Именно благодаря отсутствию необходимости периодически восполнять запасы активного вещества батареи с желеобразным электролитом относят к категории необслуживаемых. Еще одно их преимущество в том, что гель не отсоединяется от электрических контактов, а значит, невозможны внезапные сбои и замыкания.
Как устроен литий-ионный аккумулятор?
Его конструкция не отличается сложностью: анод из пористого углерода, литиевый катод, пластина-сепаратор между ними и проводник тока – вещество-электролит. Во время разрядки ионы отделяются от анода и движутся на литий по электролиту, минуя сепаратор. Во время питания батареи все происходит с точностью до наоборот – литий отдает ионы, углерод принимает. Так и происходит процесс ионного круговорота между разнозарядными электродами литий-ионной батареи.
Точный состав катода может отличаться в конкретной модели или у определенного производителя АКБ. Дело в том, что многие фирмы тестируют разнообразные типы литиевых соединений для того чтобы изменять показатели устройств по своему усмотрению.
Впрочем, очевидно – улучшая одни характеристики, неизбежно приходится жертвовать другими. Чаще всего литий-ионные АКБ с повышенной емкостью, заботой об эксплуатирующих его людях и природной среде оказываются чрезмерно дорогостоящими или требуют слишком много внимания.
Но чего не отнять у батарей с литием, что составляет их принципиальную разницу с другими типами аккумуляторов, так это низкий уровень саморазряда.
Li-Pol аккумуляторные батареи
Литий-полимерные — это следующий этап развития литий-ионных АКБ. Принципиальная разница понятна из названия — в качестве электролита начинает использоваться полимерное соединение. Из-за прочности существующих в нем химических связей такой аккумулятор становится максимально безопасным, неправильная эксплуатация может сломать его самого, но не нанести вред владельцу, как это бывало с литиевыми АКБ с жидким наполнителем. Полимерный неопасно перегревать или протыкать острым предметом, в то время как жидкостной элемент уже давно бы взорвался.
Еще один огромный плюс Li-Pol батарей — их огромная проводимость. Из-за того, что в процессе реакций на анодах и катодах батарея приобретает свойства хорошего полупроводника, она способна передавать ток, в разы превышающий ее собственную электроемкость.
Щелочные батареи
Методика функционирования щелочного аккумулятора основывается на химических превращениях в щелочной среде. Именно поэтому для электродов таких АКБ применяют соединения металлов, которые активно взаимодействуют именно со щелочами.
Гидроокись никеля на электроде с положительным зарядом превращается в гидрат его закиси из-за череды реакций со свободными ионами в электролите. На катоде в это же время идут похожие взаимодействия, но только с образованием гидрата окиси железа. Между только что создавшимися веществами образуется разница в потенциалах, за счет которой и выделяется электроэнергия. В процессе подзарядки реакции те же самые, только в обратном порядке, вещества восстанавливаются до исходных.
Ni-Cd аккумулятор
Батареи никель-кадмиевого типа обычно применяют для некрупной техники, например, для шуруповерта. Принцип их устройства и работы схож с автомобильным АКБ, только в гораздо меньших масштабах – те же последовательно соединенные несколько маленьких батареек, совместно вырабатывающих нужные электрические показатели, а внутри них – уже знакомые аноды, катоды, пластины сепараторов и жидкий электролит.
Специфические характеристики, присущие только этому типу аккумуляторов, обеспечивают именно химические свойства никеля и кадмия. Они же накладывают и обязательство быть осторожным, особенно при утилизации. Это вызвано тем, что кадмий – довольно токсичный элемент.
При аккуратной же эксплуатации шуруповертов с такими АКБ приборы гарантированно будут работать долгое время на высокой мощности, в любых погодных и температурных условиях. К тому же их можно очень быстро заряжать.
Ni-MH аккумулятор
По своему устройству и механизму работы никель-металл-гидридные батареи очень похожи на кадмиевые и были изобретены практически сразу после них. Основное отличие состоит в материале, из которого изготовлен отрицательный электрод.
В аккумуляторах типа Ni-MH он состоит из особого справа металлов, которые абсорбируют водород. Часть из них реагируют с ионами электролита с выделением тепловой энергии, другая часть – с ее поглощением, в результате чего возможно безопасное и экологически безвредное использование такого устройства.
Как работает зарядное устройство для АКБ?
ЗУ для аккумулятора обычно состоит из выпрямителя и трансформатора и создает ток с постоянным напряжением около 14 вольт. Также хорошие приборы содержат элементы, которые следят за напряжением на питаемом аккумуляторе и в нужный момент выключают зарядку.
По ходу процесса работы зарядного устройства для автомобильного аккумулятора или для любого другого подаваемый им ток сам собой падает. Вызвано это тем, что в заряжающемся АКБ увеличивается сопротивление, и он больше не пропускает ток с большим напряжением. Если в зарядке есть измеритель, то он фиксирует тот момент, когда в батарее достигнуто напряжение в 12В, после чего ее можно отключать от сети.
АКБ – вещь не такая сложная, как может показаться. Ее устройство легко понять, к тому же, принцип работы одинаков для разных видов. Знать его владельцу аккумулятора хоть в машине, хоть в настенных часах, очень полезно – это поможет поступать правильно на всех этапах – выбора, обслуживания и утилизации батарейки.
