Свинцовые аккумуляторы: зарядка и правильное обслуживание акб авто

Как работают?

Основой работы аккумулятора является электрохимический процесс взаимодействия свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты. При включении нагрузки на электроды происходит химическая реакция диоксида свинца с серной кислотой H₂SO₄, а также реакция окисления свинца до сульфата свинца. В процессе разряда на катоде («-») идет восстановление диоксида свинца, на аноде («+») — окисление свинца. Во время зарядки происходят обратные химические реакции и электролиз воды с выделением кислорода на аноде, водорода на катоде.

Реакции взаимодействия, протекающие в аккумуляторе, можно описать двумя формулами:

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O – разряд.
2PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ — заряд.

При разрядке идет процесс образования сульфата свинца в активных массах анода и катода, расходование серной кислоты H₂SO₄ и снижение плотности электролита. Во время зарядки происходят обратные реакции, идет образование серной кислоты, повышается плотность электролита. Окончание процесса заряда характеризуется завершением преобразования веществ на электродах, прекращением изменения электролита. Если продолжать зарядку, то возникает нежелательная реакция разложения воды (электролиз), идет выделение кислородных и водородных пузырьков в электролите, происходит иллюзия закипания. Если это произошло, необходимо добавить в аккумулятор дистиллированной воды для восстановления ее в электролите.

Современные новации в устройстве аккумуляторной батареи

Попытки устранить основные недостатки в конструкции аккумулятора автомобиля привели к созданию новых сплавов свинца, более стойких к агрессивному воздействию кислоты. Применение легирующих добавок кальция, олова, никеля позволили снизить саморазряд и потери воды до минимально возможного уровня. В днище корпуса устройства стали применяться ловушки для накопления частиц активной массы электродов, что в значительной мере снизило риск замыкания анода и катода в придонной части.

Устройство батареи автомобиля изменилось, она получила статус необслуживаемой. Теперь, по замыслу производителя, устройство не требует контроля уровня воды в банках аккумулятора и плотности электролита, как это было в старых моделях. В устройстве батареи появились приспособления в виде поплавкового индикатора-глазка, меняющего свой цвет в зависимости от состояния заряда.

Перспективные решения

Среди новшеств, появившихся в устройстве сравнительно недавно и призванных улучшить характеристики свинцово-кислотной батареи автомобиля можно отметить:

использование гелеобразных видов аккумуляторного электролита на основе соединений кремния. Нулевая потеря воды и хорошие эксплуатационные качества позволяют использовать такие устройства даже в салонах автомобилей;
применение электронных диагностических чипов, позволяющих тонко и дозированно вмешиваться в работу каждой банки устройства;
применение графита и углерода для формирования основы положительного и отрицательного электродов, что сделает батарею автомобиля легче и компактнее.

Совет! Несмотря на широко рекламируемое отсутствие необходимости обслуживать современные модели аккумуляторных батарей, основой долголетия – будет современная система зарядки и диагностики, позволяющая заряжать ее в оптимальных условиях.

Безламельные железоникелевые аккумуляторы со щелочным электролитом

Была разработана и внедрена идея стартерных аккумуляторов на основе щелочного электролита и электродами из прессованного порошка никеля и железа. Хорошо известна модель серии СЖН -50, выпускавшаяся в Советском Союзе ограниченными партиями для военной техники. Устройство батареи обладало хорошими характеристиками:

высокий ресурс, количество циклов заряд-разряд достигло 1000, что превысило ресурс кислотного;
малая чувствительность к условиям эксплуатации;
длительный перезаряд или хранение в разряженном состоянии не оказывали столь пагубного влияния на состояние устройства.

В устройстве использовалось большое количество дефицитного никеля, производство аккумулятора было сложным и нерентабельным.

Интересно! Практика эксплуатации советских щелочных аккумуляторов для автомобиля, показала возможность использования таких батарей в течении 15-20 лет при расчетном 10-летнем периоде, с условием тщательного соблюдения правил эксплуатации.

Современные ионно-литиевые автомобильные аккумуляторы

Массовое применение литиевых аккумуляторов на автомобиле ассоциируется с современными электромобилями, где подобное устройство широко применяется из-за высоких параметров емкости и малого веса. На рынке представлены вспомогательные ионно-литиевые аккумуляторы, предназначенные для быстрого заряда основного аккумулятора. Есть ряд устройств, оснащенных блоком ионисторов, позволяющих запускать двигатели с рабочим объемом не более 500 см3.

Важно! Ионно-литиевый аккумулятор невероятно чувствителен к перезарядке и требует точной работы электронного блока управления. При неисправном чипе возможны случаи его возгорания.

Видео устройства аккумулятора:

Как поднять плотность электролита в аккумуляторе
Как проверить автомобильный аккумулятор мультиметром
Средний срок службы автомобильного аккумулятора
Каким должно быть напряжение АКБ машины

Определяем тип и режим работы аккумулятора

Во-первых, чтобы понять, какой алгоритм зарядки подойдет конкретной АКБ, требуется определиться с классом батареи, чей принцип работы базируется на реакциях свинца в растворе серной кислоты. Она может быть либо обслуживаемой (то есть легко заряжаемой аналоговой зарядкой), либо необслуживаемой (требующей для подзарядки подключения специальных зарядных приспособлений).
Во-вторых, аккумулятор может эксплуатироваться в 2-х режимах: буферном (будучи постоянно подключенным к сети и периодически активируемым для самостоятельной) и циклическом (использование такого АКБ состоит из постоянной смены циклов «разрядка-подзарядка»).

Среди обслуживаемых SLA числятся, преимущественно, классические автомобильные аккумуляторы. Основная масса свинцово-кислотных источников тока, используемых в мото транспорте, лодках, катерах, Станциях без перебойного питания и т.д. принадлежит к герметичным, необслуживаемым, буферным и гелевым.

Разновидности и особенности свинцовых АКБ

На практике сейчас можно встретить самые разные батареи. Это позволяет решать самые разные задачи по энергообеспечению самых разных устройств. Разберем наиболее популярные виды аккумуляторов.

Lead-Acid. Требуют обслуживания. Считаются классическими автомобильными стартерными батареями. Сюда входят сурьмянистые, малосурьмянистые, гибридные и кислотно-кальциевые аккумуляторы. Обычно используют для двигателей внутреннего сгорания, но это не единственный вариант использования. Бывают варианты на 6v и 12v. Основной недостаток – высокий уровень саморазряда.

AGM VRLA. Современные необслуживаемые батареи. Могут иметь вольтаж – 2v, 4v, 6v и 12v. Основная отличительная особенность – сепараторы выполнены из стекловолокна. Также обычно используется абсорбированный электролит. Это позволяет увеличить срок эксплуатации АКБ в полтора раза. Использование технологии сепараторов из стекловолокна сделало возможным увеличивать зарядный ток, что ускоряет зарядку. Обычно AGM батареи допускается заряжать током в 25-30% от емкости. Разработано несколько разновидностей, подходящих для разных буферных и циклических режимов.

VRLA. Необслуживаемые АКБ с герметичным корпусом (необслуживаемые кальциевые и EFB). Могут иметь вольтаж – 2V, 4V, 6V и 12V. Предназначены для эксплуатации в буферном режиме. Не требуют дополнительной вентиляции при использовании в помещениях.

GEL VLRA. Одна из самых современных модификаций. Тут применяется геле образный электролит. Однообразная консистенция, позволяет добиваться наиболее эффективного контакта электролита с электродом, что увеличивает емкость. Также гель позволяет продлить срок службы батареи. Является необслуживаемой батареей. Требует периодической зарядки, для продления срока эксплуатации нужно использовать только высокоточное зарядное устройство, оно должно обеспечивать точный уровень силы тока. Существует несколько разновидностей, отличающихся особенностями электродов. Обозначение каждого из них позволяет определить возможность использования АКБ в определенных условиях. Есть батареи 2v, 4v, 6v, 12v, 24v, 36v и 48v.

OPzV. Это необслуживаемые АКБ 2V. Имеют трубчатые пластины электродов. Отличаются устойчивостью к глубокому разряду и продолжительностью службы до 22 лет.

Кислотные аккумуляторы – обслуживание

На данный момент существует два типа свинцово-кислотных аккумуляторов: традиционный и герметичный (необслуживаемый).

Для обслуживания классического типа АКБ характерны следующие действия:

Осмотр электрических соединений.
Проверка уровня электролита и его плотности.
Диагностика емкости свинцово-кислотного аккумулятора (метод контрольного разряда).
Поиск следов электролита на крышке аккумулятора.

Заметив проблему, ее стоит как можно быстрее купировать, до того, как аккумулятор придет в негодность или вызовет ряд других нежелательных проблем.

Правила обслуживания кислотного аккумулятора

Обслуживание и уход за АКБ своими руками

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы практически не нуждаются в обслуживании. Современные технологии позволили избежать проблем, которые могли привести к быстрому износу.Тем не менее, профилактическая проверка электрических соединений будет не лишней. Во время нее следует обследовать как клеммы, так и саму поверхность аккумулятора. Нежелательными признаками окажутся:

Следы окислов и белого налета.
Разболтанные соединения (болтовые или винтовые).
Не укрепленные клеммы.
Видимые механические повреждения.

В случае обнаружения перечисленных проблем следует избавиться от них самостоятельно или при помощи специалистов.

После внешней проверки стоит прибегнуть к использованию тестера аккумулятора. Специальное устройство позволит точно определить емкость без традиционного контрольного разряда.

Области применения свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотные аккумуляторы используются повсеместно, так как свинец и его оксид отвечают наиболее важным требованиям:

элементы часто встречаются в природе и довольно легко добываются;
они в паре способны накапливать и отдавать энергию лучше, чем все другие элементы;
аккумуляторы из них просты и дешевы в производстве;
долгий срок службы, возможность многократной перезарядки;
простое обслуживание, что особенно характерно для герметичных конструкций.

Из-за этого батареи применяются в следующих областях:

сигнализационные системы;
стартёры в автомобилях;
системы пожарной безопасности;
системы аварийной подачи электроэнергии на телевидении, в реанимационных отделениях;
электрические весы и кассовые аппараты;
системы бесперебойного электроснабжения или аварийного отключения в компьютерной технике или их сетях;
детские игрушки;
в лёгких самолётах.

Тем не менее, имеются некоторые минусы:

аккумуляторы чувствительны с холоду;
отходы из них опасны для экологии;
количество циклов довольно ограничено;
есть лимиты у выдаваемой мощности.

Как правильно заряжать аккумулятор

Правильная зарядка состоит из нескольких способов. Первый способ, посредством которого заряд происходит постоянным током, проходит под контролем человека. Второй способ, с помощью постоянного напряжение, более простой. Но АКБ зарядится только на 80 процентов.

Есть еще один метод. Он соединяет первые два и называется комбинированным и не является бюджетным. Так как требует покупки дорогого зарядного устройства.

Зарядка постоянным током

Шаги процедуры зарядки первым методом:

Подключить зарядной устройство к АКБ. Положительную клемму – к выводу со знаком «плюс», отрицательную клемму – к выводу со знаком «минус»
Установить ток в размере 10 процентов от номинального.
Заряжать в течение нескольких часов. Затем проверить мультиметром напряжение в выводах электродов.
Устройство должно показать 14 Вольт. Перестать заряжать.
Если автовладелец заряжал АКБ силой тока 6 Ампер, то снизить силу до 3 А. иначе повысится кипение.
Когда напряжение повысится до 15 Вольт, понизить силу тока еще раз до 1,5 А. Продолжать заряжать до тех пор, пока эти значения тока и напряжения изменяться не будут.

Процесс зарядки постоянным напряжением проще.

Зарядка постоянным напряжением

Используя этот способ, нужно установить напряжение заряда около 14 В. Если первый метод был медленным, то процесс данной подзарядки пройдет быстро. Около 6 часов понадобится, чтобы зарядить АКБ до 90 процентов.

Зарядка в автоматическом режиме

Еще более просто метод – это зарядка в автоматическом режиме. Устройство питания подключают к аккумулятору, далее прибор самостоятельно настраивает нужный способ зарядки для подключенного АКБ.

После того, как будет заряжен аккумулятор полностью, зарядный прибор отключается.

Автоматическое зарядное устройство Вымпел 150

История применения аккумуляторных батарей

Свинцово-кислотная батарея – первая перезаряжаемая батарея, разработанная для коммерческого использования в 1850-х годах. Несмотря на довольно приличный возраст в более чем 150 лет, они по-прежнему активно применяются в современных устройствах. Более того, они активно применяются в приложениях, где, казалось бы, вполне возможно обойтись современными технологиями. Некоторые распространенные устройства вполне активно применяют СКБ, такие как источники бесперебойного питания (ИБП), гольфкары или вилочные погрузчики. Удивительно, но рынок свинцово-кислотных аккумуляторов по-прежнему растет для определенных ниш и проектов.

Первое, довольно ощутимое нововведение в свинцово-кислотную технологию пришло в 1970-е годы, когда были изобретены герметичные СКБ или необслуживаемые СКБ. Данная модернизация состояла в появлении специальных клапанов для стравливания газов при зарядке/разрядке аккумуляторов. Кроме того, применение увлажнённого сепаратора сделало возможным эксплуатировать аккумулятор в наклонном положении без протеканий электролита.

СКБ, или англ. SLA, часто классифицируют по типу или применению. В настоящее время наиболее распространенными являются два типа: гель, известный также как свинцово-кислотная батарея с регулируемым клапаном (valve-regulated lead acid (VRLA)) и абсорбирующий стеклянный мат (absorbent glass mat AGM). Аккумуляторы AGM используются для небольших ИБП, аварийного освещения и инвалидных колясок, в то время как VRLA предназначается для приложений более крупного формата, таких как резервное питание для сотовых ретрансляционных мачт, интернет-центров и вилочных погрузчиков. Свинцово-кислотные аккумуляторы также можно классифицировать по следующим признакам: автомобильные (стартер или SLI — запуск, освещение, зажигание); тяговые (тяга или глубокий цикл); стационарные (источники бесперебойного питания). Основным недостатком SLA во всех этих приложениях является жизненный цикл — если они многократно разряжаются, они сильно повреждаются.

Удивительно, но свинцово-кислотные аккумуляторы были бесспорными лидерами рынка аккумуляторных батарей в течении многих десятилетий, вплоть до появления литий-ионных батарей в 1980-х годах. Литий-ионная батарея представляет собой перезаряжаемую ячейку, в которой ионы лития движутся от отрицательного электрода к положительному во время разряда, и наоборот во время заряда. Литий-ионные аккумуляторы используют интеркалированные литиевые соединения, но не содержат металлического лития, который используется в одноразовых батареях.

Литий-ионный аккумулятор впервые был изобретен в 1970-х годах. В 1980-х на рынок была выпущена первая коммерческая версия батареи с катодом на основе оксида кобальта. Данный тип устройств имел значительно большие возможности по весу и емкости, по сравнению с системами на никелевой основе. Новые литий-ионные аккумуляторы способствовали огромному росту рынка мобильных телефонов и ноутбуков. Первоначально, из-за соображений безопасности, вводились более безопасные варианты, которые включали добавки на основе никеля и марганца в кобальт-оксидный материал катода, в дополнение к инновациям в строительстве клеток.

Первые литий-ионные элементы, представленные на рынке, были в жестких алюминиевых или стальных банках, и, как правило, имели только несколько форм-факторов цилиндрической или призматической (форма кирпича) формы. Однако, с расширением спектра применения литий-ионной технологии начали изменяться и их габаритные размеры.

Например, менее дорогие версии более старой технологии применяются в ноутбуках и сотовых телефонах. Современные тонкие литий-полимерные элементы используются в смартфонах, планшетах и носимых устройствах. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы используются в электроинструментах, электрических велосипедах и других устройствах. Такая вариация предвещает полную замену свинцово-кислотных устройств во все новых и новых приложениях, направленных на улучшение габаритных и силовых показателей.

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.

Индикатор емкости

Стандартным способом проверки емкости АКБ принято считать контрольный разряд. Полностью заряженную АКБ разряжают постоянным током. Сила потребляемого тока должна быть кратной емкости батареи (оптимальным считается соотношение 1 к 20). Например, при номинальной емкости 60 Ah свинцово кислотный аккумулятор разряжают током 3 A в течение 20 часов.

Вышеописанный способ достаточно трудоемок и сложен, к тому же во время проведения замеров батареей нельзя пользоваться. Чтобы быстро протестировать свинцовый аккумулятор следует использовать специальные устройства, такие как «Нагрузочная вилка» или подобные им индикаторы емкости .

Разновидности

По режиму работы кислотные батареи можно разделить на три группы:

Циклический — принцип работы происходит по циклу – полный разряд — полный заряд, периодически отключается от источника питания. Считается наиболее жестким режимом, количество циклов стопроцентной разрядки ограничено.
Буферный — широко используемый режим, щадящий для АКБ, при нем не допускается полного разряда, характерно постоянное подключение к источнику питания.
Смешанный — комбинация буферного и циклических режимов, но большая часть времени работы проходит в буферном.

Самые распространенные кислотные батареи, представленные на рынке, можно разделить на виды:

Вид	Обслуживание	Описание	Вольтаж, V
Lead-Acid	Обслуживаемые	Автомобильные АКБ, бывают: малосурьмянистые, сурьмянистые, кислотно-кальциевые, гибридные.	612
AGM VRLA	Не требуют обслуживания	Сепараторы изготовлены из стекловолокна, циклический и буферный режим работы.	24612
VRLA	Не требуют обслуживания	Герметичный корпус, бывают кальциевые, не выделяют газов, используются в буферном режиме.	24612
GEL VLRA	Не требуют обслуживания	В качестве электролита — селикагель, что продлевает срок службы АКБ, буферный режим эксплуатации.	24612243648
OPzV	Не требуют обслуживания	Электроды трубчатой конструкции, устойчивы к полному разряду, срок службы — около 22 лет.	2

История появления подобных АКБ

Первым, кто создал и спроектировал реально рабочую свинцово-кислотную АКБ, был французский ученый – Гастон Планте. Этот человек был всерьез заинтересован в создании универсальных на тот момент аккумуляторных батарей, так как имел не только научный интерес, но и отчасти финансовый. Согласно историческим сводкам, Гастону Планте производители аккумуляторов, коих на тот момент было немного, предлагали немалые деньги за создание нового вида аккумулятора и удобной зарядки к нему.

В итоге, французскому учёному частично удалось достичь поставленной цели. Если быть точнее, Планте создал конструкцию АКБ с использованием свинцовых электродов и 10-% раствором серной кислоты. Несмотря на инновационность кислотного аккумулятора в те года, недостаток у него был существенный – необходимость прохождения огромного количества циклов «заряд-разряд» для зарядки батареи «на полную». К слову, количество данных циклов было настолько велико, что для полного вмещения в АКБ электроэнергии могло потребоваться несколько лет. Во многом это происходило из-за используемой в батареях конструкции свинцовых электродов и сепараторов, вследствие чего последующие несколько десятилетий умы «аккумуляторного дела» боролись именно с этим недочётом батарей.

Так, в период с 1880-1900 годов такие учёные как Фор и Фолькмар спроектировали чуть ли не идеальный среди всех типов конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов. Суть такой батареи заключалась в использовании не цельных пластин из свинца, а лишь его окисла, объединённого с сурьмой и нанесённого на специальные пластины. Позже, Селлон запатентовал наиболее удачный вид конструкции данной АКБ, внедрив в неё намазанную окислами свинца и сурьмы металлическую решётку, что в итоге:

увеличило ёмкость аккумуляторов в несколько раз;
усилило коммерческий интерес со стороны компаний к АКБ;
и, в целом, совершило некоторый эволюционный скачок в аккумуляторном деле.

В 1970 годов произошла герметизация аккумуляторов, вследствие замены в них стандартных кислотных электролитов, на усовершенствованные газы и гели. В итоге, АКБ стала отчасти герметична

Однако полной герметизации добиться не удалось, так как, в любом случае, при зарядке и разрядке батареи образуются некоторые газы, которые важно выпускать из внутренностей аккумулятора для его же блага. Именно с тех пор герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы стали использоваться в огромнейших масштабах и практически не изменялись, за исключением незначительных усовершенствований электролитов и электродов, используемых в их конструкции

Общие правила зарядки свинцово кислотных АКБ

Даже герметичные батареи требуют периодической подзарядки. В зависимости от особенностей эксплуатации — это действие может требоваться, как после каждого рабочего цикла, или раз в полгода-год (автомобильные АКБ).

Информация о емкости указывается непосредственно на корпусе аккумулятора.

Также часто можно услышать рекомендации, что обязательно требуется открывать крышки. Современные герметичные АКБ не требуют этого. В крышках имеется специальная система вентиляции, поэтому проблем не возникает.

Обязательно зарядка должна производиться при комнатной температуре.

Батареи с электролитом-гелем можно сразу заряжать зарядом до 20-30% от емкости. Это не принесет им вреда. Оптимально для таких АКБ использовать автоматические зарядные устройства, которые без вашего участия отрегулируют необходимую силу тока.

Нельзя хранить свинцово-кислотные батареи в разряженном состоянии. Поэтому, обязательно после разряда сразу заряжайте аккумулятор, это продлит срок его эксплуатации.