Автомобильный аккумулятор

Емкость свинцового АКБ

Это один из основных параметров АКБ. Определяет электроэнергию, которою возможно получить от максимально заряженной батареи, разряжая ее до напряжения, определенного изготовителем.

Показатели емкости выражаются произведением количества тока (в амперах) на временной интервал в часах. Номинально, автомобильная АКБ емкостью 60 Ah должна в течение часа разряжаться током в 60A при напряжении 12v.

Можно предположить, что при изменении силы тока длительность функционирования изменится пропорционально. То есть при токе в 120A время работы составит порядка 30 мин. Что не соответствует действительности, так как сила тока при разряде напрямую влияет на емкость свинцово кислотных аккумуляторов. Например, при стартерных нагрузках в 255A емкость уменьшается более чем в два раза и для батареи в 60 Ah составит всего 25Ah. Что касается малых токов (2,75A), здесь будет наблюдаться незначительный прирост (примерно +5 Ah).

Помимо силы разрядного тока, емкость свинцово кислотных АКБ зависит от следующих факторов:

• Плотность электролита (процентное содержание серной кислоты). Более плотный электролит увеличивает емкость положительных электродов, но несколько снижает у отрицательных (особенно при низких температурах). К тому же ресурс положительных пластин сокращается из-за более интенсивных коррозионных процессов на их поверхности. Плотность электролита должна соответствовать совокупности требований, для которых создавалась конкретная батарея. Например, для автомобильных АКБ, работающих в условиях умеренного климата, оптимальной считается плотность 1,26–1,28 г/см3.
• Пористость рабочей поверхности пластин. Повышенная пористость позволяет увеличить фактическую площадь электрода, участвующую в электрохимической реакции и, как следствие – повысить емкость. Однако у этого показателя тоже есть свои ограничения (46% — 60%), так как чрезмерная пористость ускоряет деструкцию покрытия, что приводит к преждевременному выходу батареи из строя.
• Толщина пластин электрода. Более толстые электроды положительно влияют на емкость только при низких разрядных токах. При стартерных нагрузках внутренние элементы активной массы пластин не успевают среагировать с электролитом. Это в значительной степени уменьшает разницу между батареями с различной толщиной электрода и одинаковой активной площадью.

Состав и конструкция автомобильного аккумулятора

АКБ включает в себя следующие функциональные элементы:

• Корпус батареи. Изготовлен из прочного кислотостойкого пластика. Верхняя часть корпуса выполнена в виде крышки, на которой расположены перемычки между отдельными аккумуляторными элементами (банками), герметизирующая заливка, пробки, вентиляция и клеммные наконечники. Банки внутри корпуса разделены герметичными переборками.
• Электроды. В каждой банке их два набора, положительные и отрицательные. Материалом электродов служит свинцовый сплав различного состава, в зависимости от применяемой технологии. Увеличенная отдача в стартёрном режиме требует большой эффективной площади электродов, поэтому каждый из них состоит из нескольких пластин, расположенных в шахматном порядке по всему объёму банки. Электроды снабжены токосъёмниками, объединяющими одноимённые полюса и выведенными наверх, к токовым перемычкам между банками.
• Сепараторы. Располагаются между электродами и предотвращают возможные замыкания. Выполнены из пористого материала, хорошо пропитывающегося электролитом.
• Электролит. Представляет собой раствор чистой серной кислоты в дистиллированной воде. Обеспечивает электрохимические реакции на поверхности электродов. Плотность электролита строго определена при заливке и в дальнейшем зависит от степени заряженности батареи. Уровень электролита в каждой банке имеет нормированный допуск и должен контролироваться при эксплуатации. При этом расходу подвержена только испаряющаяся из раствора вода, которую и следует доливать.

Возможны разные исполнения аккумуляторов. В зависимости от материала электродов, они могут быть малообслуживаемыми или герметичными необслуживаемыми. В этом случае вентиляция и долив жидкости в эксплуатации не предусмотрены, пробки залиты пластмассой или отсутствуют.

Встречаются более дорогие и совершенные гелевые аккумуляторы. В них электролит находится в виде желеобразного геля, что обеспечивает дополнительный срок службы и высокие технические характеристики. Электроды имеют спиральную конструкцию, между ними располагаются сепараторы из стекловолокна, наполненные гелевым электролитом.

Применение

В большинстве случаев возможность систематического использования аккумуляторов есть только в портативных устройствах радиосвязи и иной цифровой технике, где используются литий-ионные аккумуляторы и система контроля заряда-разряда встроена в устройство.
В бюджетном сегменте «простые» никель-металл-гидридные и никель-кадмиевые аккумуляторы используются в качестве бюджетной замены щелочных элементов питания (батареек).
В качестве источника тока для бюджетного аккумуляторного электроинструмента используются никель-кадмиевые аккумуляторы.

Если в первом случае обычно есть возможность выбирать между бюджетным устройством «стандартного» заряда и зарядным устройством с контролем заряда (капельный заряд, импульсный заряд, ускоренный заряд с контролем напряжения и т. д.), то во втором случае изделие комплектуется, как правило, трансформаторным источником питания для зарядки постоянным током, что при несоблюдении технических условий эксплуатации аккумулятора снижает срок его службы.

Цикл заряд/разряд

Аккумулятор автомобиля не хранит энергию, а содержит химические вещества, которые при взаимодействии производят электрический ток. Два разнородных металла помещаются в кислотную среду, которая называется электролитом. Возникает поток электронов и электроны из одной группы пластин переходят в другую.

Батарея заряжена

Полностью заряженная батарея содержит отрицательную пластину губчатого свинца (Pb) — катод, положительную пластину диоксида свинца (PbO₂) – анод, и электролит из раствора серной кислоты (H₂SO₄) и воды (H₂O).

Батарея разряжается

Когда аккумулятор разряжается, диоксид свинца на катоде восстанавливается, на аноде свинец окисляется. Металлы обоих пластин вступают в реакцию с SO₄, в результате образуется сульфат свинца (PbSO₄). Водород (H₂) из серной кислоты вступает в реакцию с кислородом (O₂) из положительной пластины и образуется вода (H₂O). При этом расходуется серная кислота и образуется вода. Правильная зарядка во многом определяет ресурс службы батареи.

Батарея разряжена

В полностью разряженном аккумуляторе обе пластины покрыты сульфатом свинца (PbSO₄), а электролит разбавлен до большей степени водой (H₂O).

Батарея заряжается
Процесс противоположен разрядке.
Сульфат (SO₄) покидает пластины и объединяется с водородом (H₂), превращаясь в серную кислоту (H₂SO₄). Свободный кислород (O₂) объединяется со свинцом (Pb) на положительной пластине с образованием диоксида свинца (PbO₂). Когда батарея приближается к полной зарядке, а водород образуется на отрицательных пластинах, а кислород — на положительном, происходит газообразование.

Как устроена АКБ?

Выше мы коротко рассмотрели, что такое и для чего нужна АКБ — это устройство для запасания и отдачи электричества, пока мотор не работает. Далее познакомимся с устройством аккумуляторных батарей.

Конструктивно батарея представляет собой несколько блоков электродов, имеющих разный электрический потенциал. Электроды помещены в герметичную емкость с жидким электролитом. В зависимости от необходимой силы тока и напряжения, этих блоков может быть несколько. В стандартном автомобильном аккумуляторе для легковых машин этих блоков 6 – по 2 Вольта в каждом. В грузовых аккумуляторах 12 блоков-ячеек.

Форм-фактор

Именно форм-фактор аккумуляторы унаследовали от предшественниц-батареек.

Типизация размеров и форм элементов питания позволяет комфортно производить замену, добиваясь оптимальной длительности работы.

На данный момент самыми распространёнными типоразмерами принято считать:

• АА. Они же пальчиковые. Объём производства этих батареек с маркировкой rechargeable, вероятно, превышает все остальные, вместе взятые. Их номинальное напряжение составляет 1,2 В, хотя свежезаряженные, они могут выдавать до 1,4. Ёмкость колеблется в широких пределах — от 200 mA до 3000 mА и даже больше.
• ААА. Другое название — мизинчиковые. Отличаются от предыдущего варианта только меньшими размерами. Их применение оправдано там, где стандартные АА просто не вместятся или будут слишком тяжёлыми. Правда, и ёмкость их меньше — обычно до 1500 мА.
• C и D. Похожи на обычные пальчиковые, но только крупнее. Соответственно, ёмкость их больше. Большой размер и масса диктует свою специфику применения, где не особо важен компактный размер, например, музыкальное и звуковое оборудование, а также различные автоматические системы.
• PP3. В России её традиционно называют «Крона» В отличие от батарейки, перезаряжаемое устройство выдаёт ток в 8,4 В. На «Кроне» функционируют многие электроприборы, некоторые пульты дистанционного управления и радиоуправляемые устройства.

Существуют и другие типоразмеры аккумуляторных батареек, но они имеют меньшую распространённость.

Для того, чтобы получить батарею большей мощности, используются блоки аккумуляторов АА или ААА, соединённые последовательно. При этом ёмкость батареи остаётся равной ёмкости одного элемента в цепи, а выдаваемое напряжение — сумме единичных показателей. Например, распространённый формат батарей для игрушек и моделей на радиоуправлении — 4,8 В, то есть 4 «банки» по 1,2 В.

Как устроена батарейка

Внутри металлического корпуса щелочной ячейки находятся три основных химических вещества: цинк, диоксид марганца и гидроксид калия.

Щелочная батарейка. /Роджер Кларк

Это может показаться сложным, но способ производства электричества в батарейке на самом деле довольно прост: происходит химическая реакция, которая перемещает крошечные отрицательно заряженные частицы, называемые «электронами», вокруг, чтобы создать электрический ток.

Когда элемент подключен к цепи – например, к лампочке, – цинк внутри реагирует с диоксидом марганца и теряет электроны.

Электроны собираются с помощью металлического стержня внутри ячейки, что позволяет им течь из нижней части ячейки (отрицательный), через провода к лампе (чтобы она загорелась), а затем обратно в верхнюю часть ячейки. (положительный).

Эта реакция производит около 1,5 вольт электроэнергии. Поскольку не так много устройств могут работать при напряжении 1,5 В, очень часто два или четыре элемента используются вместе для увеличения мощности. Таким образом, четыре ячейки, соединенные вместе (конец в конец), дадут шесть вольт.

Источник Shutterstock

Когда большая часть цинка прореагировала с диоксидом марганца, мы говорим, что элемент «плоский», что означает, что он больше не может производить электричество. Поскольку химическая реакция, происходящая в щелочных элементах, не может быть легко изменена, это означает, что элемент не может быть перезаряжен.

Но помните, что большинство элементов и батарей можно утилизировать, поэтому убедитесь, что вы тщательно от них избавились.

Параметры АКБ

Для среднестатистического легкового автомобиля с ДВС промышленность выпускает аккумуляторы с рабочим напряжением 12 В. Такого значения вполне хватает для питания сети в машине. Бортовая сеть большинства грузовиков рассчитана на 24 В. Иногда в ней используется пара обычных двенадцативольтовых источников питания, подсоединённых последовательно.

Для мототехники характерным является использование питания на 6 В. Это позволяет снизить габариты ИП и обеспечить оптимальность работы ненагруженной бортовой сети.

Важным значением для АКБ является её ёмкость. Этот параметр измеряется в ампер-часах и может варьироваться у разных моделей от 45 до 130 Ач. В большинстве легковых машин используются агрегаты на 55–65 Ач. Дизельные ДВС более «прожорливые» по энергии, поэтому в них при прочих равных условиях будет стоять батарея на 5–10 Ач мощней, чем в аналогичном авто на бензине.

Основные требования, которые предъявляются к автомобильным источникам питания, могут быть такими:

• наибольший пусковой ток;
• минимальный саморазряд;
• небольшие габариты;
• необслуживаемость (либо минимальное вмешательство).

Одним из конструкционных значений является полярность. Это расположение клемм на внешней стороне корпуса. Для азиатских, европейских и американских моделей встречается несколько вариантов установки контактов.

Принцип действия

Замена аккумуляторной батареи на электропогрузчике

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединённых в одну электрическую цепь, составляют аккумуля́торную батаре́ю.

Свинцово-кислотный аккумулятор

Основная статья: Свинцово-кислотный аккумулятор

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в растворе серной кислоты.

Химическая реакция (слева направо — разряд, справа налево — заряд):

Анод:

Pb+SO42−−2e−⇆PbSO4{\displaystyle Pb+SO_{4}^{2-}-2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}}

Катод:

PbO2+SO42−+4H++2e−⇆PbSO4+2H2O{\displaystyle PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4H^{+}+2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}+2H_{2}O}

Литий-ионный аккумулятор

Основная статья: Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который внедряется (интеркалируется) в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи (например: в графит с образованием LiC₆, оксиды (LiMO₂) и соли (LiMRON) металла).

Алюминий-ионный аккумулятор состоит из металлического алюминиевого анода, катода из графита в виде пены и жидкого ионного невоспламеняющегося электролита. Батарея работает по принципу электрохимического осаждения: происходит растворение алюминия на аноде, далее в среде жидкого электролита анионы хлоралюмината интеркалируют в графит. Количество возможных перезарядок батареи — более 7,5 тыс. циклов без потери мощности.

Основные технические характеристики аккумуляторов

Номинальная емкость аккумулятора

Номинальная емкость элемента – способность накапливать и отдавать электроэнергию постоянного тока, определяет время автономной работы ИБП. Емкость электрического аккумулятора показывает время питания подключенной к нему нагрузки.

Емкость всегда указывается на корпусе АКБ, а также на упаковке, ведь именно по этому критерию большинство пользователей выбирают нужную модель.

Пусковой ток

Величину, характеризующую параметр тока, протекающего в стартере автомобиля в момент пуска силового узла, принято считать пусковым током. Пусковой ток или стартерный возникает в момент, когда в замке зажигания поворачивается ключ и начинает проворачиваться стартер. Единица измерения величины – Ампер. Он же ток холодной прокрутки является показателем, как аккумулятор поведет себя в морозную погоду и сможет запустить двигатель при минусовых показателях. Определяется мощностью тока, которую батарея может выдать в течение первых 30 секунд при температуре -18°С. При высоких показателях пускового тока увеличиваются шансы завести машину при минусовой температуре.

Полярность

Порядок расположения на крышке аккумулятора присоединительных клемм, которые являются токовыводящими соединительными элементами, называется полярностью. Полюса всего два – положительный и отрицательный, вариантов расположения – прямое и обратное.

Прямая полярность – отечественная разработка. Чтобы ее определить, нужно повернуть аккумулятор таким образом, чтобы этикетка была перед глазами. При расположении плюсовой клеммы слева, а минусовой справа, можно утверждать, что акб с прямой полярностью. На иномарках устанавливаются аккумуляторные батареи обратной полярности.

Прямая, обратная полярность

Исполнение корпуса

Корпус большинства аккумуляторов состоит из ударопрочного полипропилена, который характеризуется как материал легкий, не вступающий в химическую реакцию с агрессивным электролитом АКБ. Полипропилен довольно стоек к перепадам температур, возникающих под капотом автомобиля, нагрев может достигать до +60 ̊С, а при морозах до -30°С. Корпус большинства АКБ состоит из ручки для переноса, пробок, индикатора заряда, клемм для подключения к электросети. Вес АКБ емкостью 55Ач около 16,5 кг. Традиционно появились американский, европейский, азиатский и российский типы корпусов.

Европейские корпусы и американские имеют идентичные габариты. Например, у батарей емкостью 60 Ач общая высота от 17,5 до 19 сантиметров. У азиатских этот показатель немного выше, до 22 сантиметров за счет верхнего расположения электродов

Именно поэтому важно корректно анализировать возможности посадочного места под капотом, чтобы надежно закрепить АКБ прижимной планкой и избежать замыкания при случайном касании токоотводами металлических частей кузова

У АКБ с европейским типом корпуса клеммы находятся в углублении, их верхний край не выступает над плоскостью крышки. Иногда клеммы дополнительно защищены от внешнего воздействия специальными крышечками. Азиатский тип корпуса – это коробка, на которой клеммы расположились на верхней крышке, верхний край клемм является самой высокой точкой аккумулятора. Какую клемму снимать с аккумулятора первой читайте здесь. 

Российский стандарт акб

Европейские корпусы и американские имеют идентичные габариты

Тип и размер клемм

Распространены аккумуляторы с клеммами трех разных стандартов: тип Euro – Type 1, и Asia –Type 3, «под болт» – американский стандарт. В типе Euro плюсовая клемма имеет диаметр 19,5 мм, минусовая клемма – 17,9 мм. В типе Asia клемма плюс имеет диаметр 12,7 мм, клемма минусовая – 11,1 мм. Клеммы «под болт» находятся на боковой стенке аккумулятора и сверху. Болт, соединённый с проводом, продевается в отверстие клеммы и фиксируется гайкой.

Американский стандарт