Автомобильный аккумулятор - это многоразовый химический источник тока. Он отвечает за выполнение 3 функций:
1. Запуск двигателя - основная функция.
2. Питание электросистем автомобиля, когда двигатель заглушен. Например, питание энергозависимой памяти бортового компьютера, сигнализации и д.р.
3. Ликвидация нехватки мощности генератора при повышенных нагрузках на электросеть.
Самым распространенным типом АКБ на данный момент является свинцовый стартерный аккумулятор классического образца. Его изобретателем является французский физик Гастон Планте. За полтора века его конструкция не претерпела каких либо глобальных изменений. Обусловлено это тем, что в ней используются относительно не дорогие материалы, а технология изготовления хорошо освоена и автоматизирована.
Основные характеристики аккумуляторовЕмкость аккумулятора - это количество электричества, полученное от аккумулятора при его разряде до определенного конечного напряжения.
На практике емкость аккумулятора принято выражать в ампер-часах (А•ч). Разрядную емкость Cp можно рассчитать, умножив силу разрядного тока Ip на продолжительность разряда Tp (при условии, что Ip остается постоянной)
Cp=Ip•Tp
Разрядная емкость (емкость которая указывается изготовителем) называется номинальной емкостью. Кроме нее, важным показателем является также емкость, сообщаемая аккумуляторной батарее при заряде, которая вычисляется по формуле (при Iз = const):
Cз = Iз • Tз
Резервная ёмкость - это величина, характеризующая сколько времени способен проехать автомобиль с неисправным генератором, при токе разряда 25А.. При этом нельзя просто разделить номинальную емкость АКБ на 25 А. При таком токе резервная ёмкость составит примерно 2/3 от номинальной. Как правило, значение резервной ёмкости указывается на маркировке АКБ в минутах.
Пусковой ток. Или ток холодной прокрутки. Это максимальный ток, который способен отдавать аккумулятор без просадки напряжения на клеммах ниже 9В в течение 30 секунд при −18oC.
Пример маркировки АКБУсловное обозначение. 6 СТ-62 А3 соответственно (1) (2)-(3) (4)
(1)
Цифра, указывающая число "банок" в АКБ (6-12В, 3-6В)
(2)
Буквы, указывающие тип АКБ (СТ - стартерная)
(3)
Емкость АКБ в ампер-часах
(4)
Дополнительные обозначения ("А" - общая крышка, "З" - залитая и полностью заряженная, "Э" - корпус из эбонита, "Т" - корпус и термопластичной пластмассы, "М" - сепаратор-мипласт из ПВХ, "П" - сепаратор-конверт из полиэтилена.)
Что касается выбора - главным критерием в любом случае остается емкость аккумулятора. Многие полагают, что чем больше - тем лучше. Но это не совсем так. На автомобильных заводах все компоненты электрической системы тщательно подбирают, чтобы создать некий баланс . В противном случае, может получиться так, что мощности аккумулятора не будет хватать на всю электронику в автомобиле, или наоборот, если аккумулятор будет слишком большим, генератор не сможет его нормально зарядить. Соответственно если вы ставите на свой внедорожник дополнительное электрооборудование (дополнительный свет, лебедку и/или другие мощные потребители электроэнергии) вам необходим как более емкий аккумулятор, так и соответствующий ему по мощности генератор, чтобы не потерять тот самый баланс.
Устройство АКБ и принцип работы
Принцип работы строится на превращении энергии:
при заряде - электрической в химическую, при разряде (все наоборот) - химической в электрическую.
Активные вещества свинцового аккумулятора, участвующие в токообразующих реакциях:
на положительном электроде - это двуокись свинца (темно-коричневого цвета)
на отрицательном - губчатый свинец (серого цвета)
электролит - водный раствор серной кислоты
В ходе разрядки активная масса отрицательного электрода превращается из губчатого свинца в сульфат свинца, отдавая два электрона в электрическую цепь.Активная масса положительного электрода при разряде, так же превращается из двуокиси свинца в сульфат свинца, поглощая два электрона.
В результате разрядки аккумулятора активные материалы электродов преобразуются в сульфат свинца. При формировании сульфата свинца расходуется серная кислота, что снижает концентрацию электролита и соответственно уменьшается его плотности.
При зарядке аккумулятора идут обратные процессы с образованием серной кислоты, в результате чего растет плотность электролита. Когда реакции преобразования веществ в активных массах "+" и "-" электродов завершены, плотность электролита перестает меняться, что свидетельствует окончанию заряда аккумулятора. При последующей зарядке начинается электролитическое разложение воды на кислород и водород. Выделяются они из электролита в виде пузырьков газа, создавая ощущение того, что электролит кипит, что тоже служит сигналом окончания процесса заряда.
Конструкция
Конструктивно в стандартном автомобильном аккумуляторе присутствуют шесть двухвольтовых элементов (банок), дающих на выходе в сумме 12 вольт.
Каждая банка состоит из пространственно разделенных разноименных электродов, погруженных в раствор электролита внутри прочного корпуса, который устойчив к химическому воздействию электролита, механическим нагрузкам и температурным колебаниям.
Типы АКБ
Традиционная (обслуживаемая) АКБ
Её конструкция кпредставляет собой блок из 6 банок с отдельными крышками, либо моноблок с общей крышкой.
В производстве таких батарей используется свинец с добавлением сурьмы. Легирование свинца сурьмой не велико, всего 6-12 процентов. Но при использовании такого сплава гидролиз воды (электролитическое разложение на водород и кислород) происходит уже при 12 В, то есть аккумулятор постоянно кипит, даже при исправной работе электрической системы автомобиля. А это значит постоянное разложение и улетучивание воды в воздух. Поэтому приходится постоянно следить за уровнем и плотностью электролита.
Малосурьмянистые, кальциевый и гибридные АКБ (необслуживаемые)
Эта проблема решилась с появлением малосурьмянистых, кальциевых и гибридных (комбинированные) аккумуляторов.
Решение напрашивалось само собой - необходимо было свести уровень сурьмы к минимуму либо заменить ее другим элементом и проблема испарения воды решилась, аккумулятор стал практически необслуживаемым.
Американцы из фирм Delco Remy и GNB в 50-е годы реализовали так называемый кальциевый свинец, в результате чего на свет появились кальциевые аккумуляторы. Европейцы остановились на малосурьмянистом свинце (Baren, Varta, Bosch). Оба варианта обеспечивали стойкость к гидролизу при напряжении до 16 В, вода теперь практически не испарялась.
Малосурьмянистые и кальциевые аккумуляторы различаются лишь используемыми материалами. Их основные достоинства: неприхотливость и большая надежность по сравнению с классическими моделями, остаются одинаковыми. Соответственно особой разницы для покупателя между ними нет.
Следующим шагом развития стало появление гибридных моделей - это комбинация малосурьмянистого и кальциевого аккумуляторов. Отрицательные пластины делают из кальциевого свинца, а положительные из малосурьмянистого. Вызвано это тем, что у кальциевых аккумуляторов при длительной глубокой разрядке положительные пластины начинают покрываться сульфатом кальция, блокирующем электрохимические реакции. Данный процесс является необратимым, что приводит к порче батареи.
В конце 90-х годов начинается производство аккумуляторов с токоотводами из свинцово-кальциевого сплава с многокомпонентными добавками, в том числе и серебра, что позволило серьезно уменьшить потери емкости при глубоком разряде. Расход воды у них так мал, что конструкторы убирают заливные пробки, тем самым делая АКБ полностью необслуживаемыми.
Это стало возможным благодаря развитию технологий как производителей аккумуляторов, так и автомобильного электрооборудования. Ведь для стабильной и долговременной работы полностью необслуживаемой аккумуляторной батареи (без отверстий для доливки воды) необходимо обеспечить стабильное зарядное напряжение, что сведет к минимуму разложение воды при заряде аккумулятора. Но с другой стороны, степень заряженности аккумуляторной батареи должна быть достаточной для безотказной работы электрооборудования. Одновременное соблюдение этих двух условий стало возможно благодаря созданию интегральных рэле-регуляторов напряжения, стабильно поддерживающих зарядное напряжение (с точностью 0,1В)
Герметизированные АКБ (гелевые и AGM-батареи)[/color]
Их также относят к необслуживаемым автомобильным аккумуляторам. В качестве загустителя для создания гелеобразного электролита применяют силикагель, аллюмогель и другие вещества. При пропитке серной кислотой они образуют тиксотропный гель (консистенция похожа на воск).
В Absorbed Glass Mat (AGM)-батареях кислотным электролитом пропитывается специальное стекловолокно, находящееся между пластинами электродов. Цены на АКБ AGM примерно соответствуют стоимости гелевых аккумуляторов.
Преимущество герметизированных батарей состоит в том, что такие аккумуляторы могут выдержать сильный разряд (до 100%), большее число циклов заряда/разряда (относительно традиционных акб), электролит не нужно доливать, саморазряд очень низкий, возможность работы в любом положении.
Гелевые и AGM аккумуляторы являются герметизированными, но не являются герметичными как, например, никель-кадмиевые герметичные аккумуляторы. Во всех свинцовых герметизированных аккумуляторах есть предохранительный клапан. Он служит для того, чтобы корпус не разорвало давлением изнутри. Дело в том, что выделение водорода на отрицательном электроде в процессе заряда, особенно на завершающей стадии, полностью подавить невозможно. Избыток водорода вызывает увеличение давления внутри аккумулятора, для сбрасывания которого и служит клапан.
Нормальная эксплуатация герметизированных свинцовых автомобильных аккумуляторов возможна только при точном поддержании зарядного напряжения. Его величина зависит от рекомендаций производителя (ориентировочно для гелеобразных 14,35В, а для адсорбированных 14,4В). В случае превышения этих пороговых значений всего на 0,05В скорость газовыделения становится так велика, что ведет к нарушению контакта активной массы электродов с электролитом, а также к высыханию аккумулятора, в результате чего батарея "умирает".
Жесткие ограничения величины зарядного напряжения вместе с высокой стоимостью герметизированных АКБ в сравнении с необслуживаемыми, привели к их малой распространенности, не смотря на очевидные преимущества.
Причины выхода из строя АКБ
Причины выхода из строя аккумулятора
· Полная выработка ресурса
· Преждевременный износ
· Заводской брак
Главной причиной естественной (полная выработка ресурса) смерти аккумуляторов является физика электрохимического процесса зарядки и разрядки. Накапливая и отдавая ток, пластины с нанесенной на них активной массой расширяются и сжимаются, что приводит к разрушению их структуры. Масса начинает опадать и скапливается на дне, что приводит к замыканию электродов еще до того, как они полностью оголяются и перестают накапливать заряд.
а - положительный электрод, б - отрицательный
Для продления срока службы батарейки на дне организуют дополнительные емкости, перегороженные ребрами, в которые собирается осыпающийся шлам. Также между активными пластинами начали устанавливать специальные конвертеры-сепараторы, которые представляют собой пористую структуру, легко пропускают электролит, но предотвращают замыкание.
Основная причина преждевременного выхода из строя аккумулятора - глубокий разряд. Происходит он из-за длительного электрического голодания. Причин тому может быть множество: неисправный генератор, окисления контактов, а также замыканий на корпус, ток идет не к батарее, а на нагревание кузовных деталей автомобиля. В таких случаях очень легко загнать свой АКБ в такое состояние, из которого восстановить его будет уже невозможно. Глубоко разряженный аккумулятор необходимо как можно быстрее зарядить, иначе чем дольше он будет стоять разряженным, тем сильнее будет сульфатация пластин и тем сильнее будет потеряна емкость!
При разрядке происходит преобразование активной массы в Сульфат свинца, но их пористая структура не препятствует проникновению электролита к электродам и при зарядке они леегко растворяются. При глубоком же разряде происходит перекресталлизация - образуются большие и труднорастворимые кристаллы, соответственно уменьшается площадь активной массы и емкость падает.
Хронический недозаряд тоже не сулит ничего хорошего. Особенно в зимнее время. Активная масса быстро оплывает, емкость падает и в один прекрасный момент ваш автомобиль уже не заведется.Еще одним фактором, который приводит к преждевременной смерти аккумулятора, является его перезарядка. В этом случае начинается процесс, разрушения и осыпания активной массы положительных пластин. При определенных условиях может даже произойти взрыв АКБ.
Перезаряд может наступить как в случае неисправной электросистемы на автомобиле, так и при стационарном заряде. Кальциевые и гибридные аккумуляторы менее подвержены этой угрозе, благодаря своеобразному составу свинца, который обеспечивает окончание подзарядки батареи в случае ее 95-97 % заряда.