Устройство и принцип работы аккумуляторной батареи

Назначение автомобильного аккумулятора

Наверняка вам знакома аббревиатура АКБ, но далеко не все знают, что обозначает буква «К». Так вот, расшифровывается это буквенное сочетание как «автомобильная кислотная батарея», и хотя современные аккумуляторы далеко не все кислотные, применительно к автомобилям это преобладающий тип аккумуляторов.

Функции автомобильного аккумулятора:

• питание стартера с целью пуска ДВС. АКБ способна на протяжении 30 секунд обеспечивать электроэнергией стартер. Последний, являясь электродвигателем, осуществляет холодный пуск основного силового агрегата;
• аккумулятор может обеспечивать питание бортовой сети транспортного средства, если нагрузка на генератор превысит его возможности электроснабжения потребителей;
• при неработающем моторе питание бортовой сети осуществляются исключительно посредством аккумуляторной батареи.

Отметим, что использование аккумулятора в качестве источника питания при работающем двигателе – ситуация экстраординарная, указывающая или на слишком большое количество потребителей (вернее, их суммарную мощность потребления электроэнергии), или на серьёзные неполадки в бортовой сети, требующие диагностики и оперативного устранения.

Впрочем, некоторое время до выхода генератора на оптимальный режим функционирования (это происходит при достижении частоты вращения коленвала показателя порядка 1800 об/минуту) часть его функций выполняет батарея. После того, как генератор заработал в полную мощность, он начинает восполнять потерянную при пуске мотора ёмкость АКБ и продолжает это делать до момента увеличения напряжения на контактах батареи до определённого значения.

Поскольку действующим веществом аккумулятора является раствор кислоты, он требует к себе бережного отношения. Могут представлять опасность и пары кислоты, выделяющиеся при кипении электролита (процесс, характерный при зарядке АКБ с помощью зарядного устройства). Необслуживаемые батареи в этом плане менее опасны, поскольку здесь газовыделение наружу сведено к минимуму.

Характеристика необслуживаемого аккумулятора

Маркировка аккумулятора

Сегодняшний уровень технического развития дал возможность фирмам автопроизводителям использовать наиболее совершенные и качественные аккумуляторы — необслуживаемые аккумуляторные батареи.

Устройство необслуживаемого аккумулятора автомобиля имеет характерные особенности, дающие приятную возможность потребителям уделять данной батарее минимум внимания.

Обслуживание автомобильного аккумулятора

Стоит обозначить, что необслуживаемый аккумулятор – это современный источник энергии, который в своем устройстве не предполагает и не имеет специальных отверстий для доливания воды или электролита, корпус данных батарей полностью герметичен.

С момента разработки автомобильного аккумулятора прошло более 150 лет и его базовое устройство остается без изменений для любого типа АКБ по настоящее время. Главными элементами АКБ являются: кислота и свинцовые пластины.

Основные характеристики

Выше были рассмотрены материалы, применяющиеся при изготовлении перезаряжаемых элементов питания, основные принципы их работы и способы соединения. Теперь можно перейти к их эксплуатационным качествам. Важнейшими эксплуатационными характеристиками являются:

• Плотность энергии АКБ. Этот показатель равен отношению полного количества электроэнергии, которую аккумулятор способен отдать, к его массе или объёму.
• Ёмкостью называют максимальный отдаваемый аккумулятором заряд во течение цикла разрядки, до достижения минимального значения напряжения на клеммах. В метрической системе такая величина выражается в кулонах (Кл), но в повседневной жизни гораздо чаще применяется внесистемная единица ампер-час (Ah) или, для слабых элементов питания миллиампер-час. Также в некоторых случаях может использоваться показатель, называемый энергетической ёмкостью. Он выражается в джоулях (система СИ) или в ватт-часах. Ёмкость показывает прибор какой мощности и в течение какого времени может питаться от конкретной АКБ.
• Температурный режим — диапазон значений температуры окружающей среды, в котором производитель рекомендует использование этого аккумулятора. При значительном отклонении от рекомендуемого изготовителем диапазона эксплуатационных температур, сильно возрастает вероятность того, что источник питания придёт в негодность. Это можно объяснить влиянием пониженных и повышенных температур на скорость течения химических реакций, а также на изменение давления внутри батареи.
• Саморазрядом АКБ называют потерю заряда, происходящую в заряженной батарее, при условии отсутствия нагрузки, подключённой к контактам. Величина этого показателя определяется, в основном, конструкцией батареи. Она может со временем возрастать из-за нарушения изоляции межу электродами по целому ряду причин.

Устройство аккумуляторной батареи (АКБ)

Аккумулятор 12В состоит из нескольких независимых друг от друга банок — аккумуляторов по 2 В. каждый. Аккумуляторы последовательно собираются и соединяются между собой в одном корпусе.

1. Банка аккумулятора состоит из полюсных пластин, изолированных друг от друга кислотоупорными сепараторами.
2. Корпус аккумулятора изготовлен из специальной кислотоупорной пластмассы или эбонита. В корпусе вылиты специальные отсеки для установки банок аккумулятора.
3. Полюсная пластина представляет собой решетку с ячейками, изготавливаемую из свинца. В каждую ячейку решетки впрессовано активное вещество пористой структуры, что обеспечивает увеличение площади соприкосновения с электролитом.

В состав активного вещества входит свинцовый порошок с добавлением серной кислоты. В отрицательных пластинах размещается сернокислый барий. Во время формировки АКБ пластины заряжаются, и активное вещество превращается в диоксид свинца, а в отрицательных – в губчатый свинец.

Электролит – специальная жидкость, которая заливается в банки аккумулятора и служит для движения заряженных частиц от полюса к полюсу. Электролит состоит из серной кислоты и очищенной дистиллированной воды.

Дата изготовления

На каждом аккумуляторе должна быть указана маркировка года выпуска аккумулятора и дата. Единого ГОСТ или стандарта нет, поэтому производители выставляют маркировку даты выпуска аккумулятора так, как считают удобным для покупателя.

Основные части аккумулятора

Примером может послужить расшифровка маркировки даты на батареях Bosch и Varta (примером можно взять маркировку С0С453032):

1. Буква означает завод и страну, в которой был произведен аккумулятор (C – Чехия).
2. 0 – номер конвейера, на котором осуществлялась сборка.
3. Буква, обозначающая тип заказа: индивидуальный, опт, для автомобильного концерна.
4. 4 – означает, что АКБ выпущена в 2014 году.
5. 53 обозначают месяц выпуска. В конкретном примере 53 – месяц Май.

Итог можно подвести следующий: если ознакомиться с маркировкой и достаточно хорошо изучить – выбор аккумуляторной батареи любого типа перестанет быть проблемой, и никто не сможет обмануть вас «полезными советами», которые будут выгодны только продавцам.

Маркировка и характеристики тяговых АКБ

Основные характеристики тяговых аккумуляторов – это емкость, напряжение и максимальный разрядный ток.

Среднее напряжение для свинцово кислотного аккумулятора (одной секции) составляет 2V. На пике зарядки достигает показателей в 2,7V, а минимальные значения не должны опускаться ниже 1,8V, в противном случае возможна сульфатация решеток электрода.

Емкость характеризует количество энергии, которую способен отдать аккумулятор за определенное время, до тех пор, пока напряжение не станет ниже номинального. Единицы измерения этого показателя ампер-часы (Ah). Обеспечение энергией электродвигателей и работа в качестве резервного источника питания требует значительных емкостей (600Ah и более). Электрохимические реакции, протекающие при разрядке батареи напрямую зависят от окружающей температуры, поэтому изготовители указывают два варианта емкости тяговых батарей – при 5˚ C и при 20˚ С.

Устройство свинцового аккумулятора

• Электроды: решетки из свинца, в ячейках которых диоксид свинца;
• Разделительные пластины (которые не вступают в реакцию с кислотой);
• Электролит, в который погружены решетки;
• Корпус.

Кроме этого есть баретка для соединения пластин одной полярности, сливное отверстие с заглушкой, отрицательный и положительный выводы, опорные элементы, крышка.

Концентрация серной кислоты в электролите влияет на электрическую проводимость. Получается так, что чем больше проводимость, тем меньше сопротивление, что влияет на процент потерь. Если аккумулятор предполагается использовать в условиях холодного климата, то концентрация серной кислоты будет выше. Это необходимо для того, чтобы предотвратить замерзание электролита и последующий разрыв аккумулятора.

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:

Видео устройства аккумулятора:

Принцип работы аккумулятора в автомобиле

Теперь, когда вы знаете, как устроен автомобильный аккумулятор, поговорим о процессах в нём. Процессы, происходящие в свинцово-кислотном аккумуляторе, можно описать следующими реакциями: Заряд описывается реакцией слева направо, а разряд ─ справа налево.

Анод (положительный электрод):

PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e− -> PbSO4 + 2H2O

Катод (отрицательный электрод):

Pb + SO42- − 2e− ->PbSO4

При включении потребителей электрического тока начинается разряд АКБ. При этом диоксид свинца на положительных пластинах и губчатый свинец на отрицательных вступают в реакцию с серной кислотой. В результате выделяется сульфат свинца и вода. По мере разрядки батареи плотность электролита снижается.

Когда аккумулятор заряжается вода из электролита и сульфат свинца на пластинах преобразуются в PbO2, Pb, H2SO4. Плотность электролита растёт по мере зарядки и доходит примерно до 1,29 гр/см3 при полном заряде. Процесс растворения сульфата свинца проходит не до конца. Поэтому идёт постоянный процесс сульфатации пластин АКБ.

Зарядка аккумулятора автомобиля

Саморазряд аккумулятора зависит от типа батареи, температуры ОС, легирующих добавок в сплаве пластин. Срок службы большинства автомобильных аккумуляторов составляет 3─5 лет и сильно зависит от условий эксплуатации и регулярного обслуживания.

Принцип действия аккумуляторов

Принцип действия аккумулятора основан на образовании разности потенциалов между двумя электродами, погруженными электролит. При подключении нагрузки (электротехнических устройств) к клеммам аккумулятора в реакцию вступают электролит и активные элементы электродов. Происходит процесс перемещения электронов, который, по сути, и является электротоком.

При разряде аккумулятора (подключении нагрузки) губчатый свинец анода выделяет положительные двухвалентные ионы свинца в электролит. Избыточные электроны перемещаются по внешней замкнутой электрической цепи к катоду, где происходит восстановление четырехвалентных ионов свинца до двухвалентных.

Ионы кислорода от диоксида свинца катода и ионы водорода из электролита соединяются, образуя молекулы воды. Поэтому плотность электролита понижается.

При заряде происходят обратные реакции. Под воздействием внешнего напряжения ионы двухвалентного свинца положительного электрода отдают по два электрона и окисляются в четырехвалентные. Эти электроны движутся к аноду и нейтрализуют ионы двухвалентного свинца, восстанавливая губчатый свинец. На катоде, путем промежуточных реакций, снова образуется двуокись свинца.

Из видео Вы сможете более подробно узнать, как работает аккумулятор.

Для чего нужна аккумуляторная батарея

Основное назначение автомобильного аккумулятора – обеспечение электрическим током стартер. Это электрическое устройство приводится в движение, только посредством постоянного тока высокой мощности.

легко справляется с такой нагрузкой, кроме этого, изделие позволяет многократно осуществлять запуск двигателя.

• Осветительные приборы.
• Звуковой сигнал.
• Стеклоочистители.
• Сигнализацию.
• Дополнительное электрическое оборудование.

Наибольшая потребность в АКБ возникает во время стоянки, ведь в этот момент генератор не вырабатывает электрический ток, а вся нагрузка полностью ложится на плечи химического элемента питания. Также аккумулятор берёт на себя «обязанность» по обеспечению автомобиля электричеством в момент, когда обороты двигателя слишком малы, чтобы раскрутить якорь генератора до определённых значений.

Если автомобиль с двигателем внутреннего сгорания нуждается в АКБ только в момент запуска, а также при отключённом генераторе, то такая разновидность машин, как электромобили использует электродвижущую силу батареи в качестве основного энергоносителя.

Свинцовые батареи практически не способны эффективно справиться с этой задачей, поэтому для питания мощных электромоторов применяются литий -ионные или кадмиевые батареи.

Принцип работы свинцовых аккумуляторов

Работают на реакции диоксида свинца и свинца, которая происходит в растворе серной кислоты.

Когда к электродам подключаются потребители энергии, стартует химическая реакция. Оксид свинца вступает в реакцию с серной кислотой, а свинец окисляется. Вообще, в аккумуляторе происходит шесть десятков разных химических реакций, но важны только две. Когда происходит разрядка аккумулятора, диоксид свинца восстанавливается на катоде, а на аноде происходит окисление свинца. Когда аккумулятор заряжают, происходит обратная реакция. Говоря простыми словами, все происходит ровно наоборот.

Когда аккумулятор заряжают, происходит расход раствора серной кислоты, из которого выделяется вода (так как она легче), а плотность электролита, соответственно, снижается (при зарядке опять же происходит обратный процесс). При этом кислород и водород могут выделяться из электролита в виде пузырьков, что называют «кипением».

Это не только крайне нежелательное явление, но и опасное сразу по двум причинам:

• Вода расходуется, плотность электролита повышается;
• Существует определенный риск взрыва газов.

Потери воды можно возместить доливкой новой (используют исключительно дистиллированную воду без каких-либо примесей), а при заряде снижают зарядный ток (если в самом аккумуляторе повышается напряжение). Отметим, что не у всех свинцово-кислотных аккумуляторов предусмотрена возможность доливки воды, что делает их по сути расходным устройством, так как возместить потери (которые будут в любом случае) невозможно. Конечно, если не пытаться вскрыть его самостоятельно, что делать не рекомендуется.

Утилизация свинцовых аккумуляторов

Многие в детстве выплавляли свинец из решеток разобранных аккумуляторов, которые валялись везде. Но соединения свинца токсичны, такой АКБ нельзя просто выкинуть на свалку или хранить на своем участке или в гараже и уже тем более дома. Это может привести к серьезным проблемам со здоровьем. На предприятиях, которые занимаются их переработкой, процесс выглядит следующим образом:

• Нейтрализация электролита;
• Разбор корпуса и дробление его на части;
• Разделение металлических и пластиковых элементов;
• С помощью химических соединений нейтрализуют остатки серной кислоты;
• Металл переплавляют.

Отличие Li-Pol, щелочных аккумуляторов от Ni-Cd и Ni-Mh.

Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы

Данный вид аккумуляторов широко применяли несколько лет назад для различного инструмента. Такие источники в своей структуре содержат кадмий, который является тяжелым металлом и токсичен, но хорошо ведет себя на морозе и имеет не высокую стоимость.

Новые модели аккумуляторов раньше приходят в негодность, чем батареи выпущенные 20 лет назад. Но уровень технических характеристик присущий современным решениям намного выше, чем у их предшественников.

Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы

Такие батареи претерпели некоторые изменения по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми. Избавились от токсичных металлов, стали легче по весу и теперь можно не боятся причинить вред окружающей среде при ликвидации таких аккумуляторов. Еще удалось повысить энергоемкость и уменьшить эффект памяти.

Li-Pol Литий-полимерный аккумуляторы

Вид этих аккумуляторов — улучшенная модернизация литий-ионных. Электролит был заменен полимерными материалами. Такие батареи установлены в смартфонах, планшетах, ноутбуках, цифровой фототехнике и др. Особенность таких источников энергии состоит в форме изготовления, она может быть очень тонкой, что позволяет поместить батарею в любой корпус. Главное преимущество литий-полимерных элементов питания в том, что они не имеют эффекта памяти и энергоемкие.

Щелочные аккумуляторы.

Широкое применение щелочные аккумуляторы нашли в бытовой технике. Известные модели таких батарей — тип ААА и АА. Они установлены в:

• детских игрушках
• портативных приборах
• карманных фонарях
• фото, видео аппаратуре
• аудио магнитофонах, плеерах и пр.

Щелочной электролит впервые нашел применение в химически активных источниках тока благодаря Вальдемару Джангнеру в 1899 году. С этого времени ученые разных стран вовлечены в разработку щелочных источников питания.

Принцип действия аккумуляторной батареи таков: при работе щелочного элемента происходит химическая реакция, при которой цинк окислившись выделяет гидроксид цинка, далее последний распадается на оксид цинка и воду. При этом происходит восстановление оксида марганца на катоде. Формула выглядит следующим образом:

Таблица сравнения 4-х видов АКБ
Вид аккумулятора	Ni-Cd	Ni-Mh	Щелочные АКБ	Li-Pol
Работа при низких температурах	+	+	+	— быстро теряет емкость
Цена	низкая	средняя	средняя	Высокая
Быстрая зарядка	+	+	—	+
Кол-во циклов разряда-заряда	1000	300-500	300	1000-2000
Токсичность	+	—	—	—
Эффект памяти	+	низкий	+	—
Саморазрядка	+	+	—	—

Обычный аккумулятор оказывается сложной и в то же время простой вещью, если разобраться с ней. Прежде чем выбрать для авто элемент питания, стоит изучить нюансы, которые в последствии могут сыграют весомую роль в вашей жизни.

https://youtube.com/watch?v=Ip-BMxu8tZA

Как выбрать автомобильные аккумуляторы?

После изучения прилавков на предмет того, какие бывают автомобильные легковые и грузовые аккумуляторы (для грузовых автомобилей и для легковушек), становится понятно, что при покупке следует руководствоваться параметрами транспортного средства. Найти их можно в инструкции по эксплуатации

В первую очередь необходимо обращать внимание на емкость АКБ, которая отображает способность батареи питать электронные устройства при неисправном генераторе

Самым популярным считается автомобильный аккумулятор 90 А/ч, но это не универсальный параметр, поэтому заглядывайте в документацию машины перед походом в магазин. Чтобы исключить долгий процесс подбора, покупки и установки батареи, возьмите старый агрегат с собой в магазин. Еще необходимо учитывать и то, что сейчас на рынке полно разных подделок, поэтому, покупая АКБ, обязательно нужно следить за тем, чтобы была указана страна производителя, завод и дата изготовления.

Кроме того, среди комплектующих должен быть технический паспорт, да и на корпусе не допускается наличие никаких дефектов. Часто можно встретиться с проблемой, когда габариты батареи не подходят под гнездо, которое отведено ей под капотом. Поэтому лучше указать консультанту при покупке технические параметры авто, чтобы найти модель аккумулятора по каталогу. Но и это не всегда срабатывает, почему-то критическими становятся буквально пара миллиметров, и батарея уже не ставится на место. Оптимальный выход – принести старую АКБ в магазин, но это не всегда просто, ведь имеет данный агрегат весьма ощутимую массу.

Главная →

Устройство → Электрическая система → Аккумулятор →

Основные характеристики АКБ

Коэффициент преобразования энергии

Поступающая к батарее энергия во время заряда аккумулятора больше отдаваемой им при разряде. Превышение энергии «заряда» к энергии «разряда» основывается на необходимости покрытия затрат при протекании электрических и химических процессов.

Для полного заряда нужно 105–110 % энергии от количества расходованной ранее. Таким образом, коэффициент преобразования будет иметь значение от 1,05 до 1,10.

Емкость

Емкость АКБ пропорциональна выдаваемому ей количеству электрического тока. Единица измерения емкости—ампер-часы (А-ч).

На показатели емкости влияют разрядный ток и температура. Она имеет свойство снижаться при увеличении разрядного тока и падении температуры, в частности при значениях меньше 0 градусов.

Номинальное напряжение

Стандартное напряжение каждого элемента АКБ соответствует 2 В, а напряжение всей цепи батарей равно количеству гальванических элементов. Аккумулятор машины состоит из 6 батарей, что соответствует номинальной емкости в 12 В.

Ток холодной прокрутки

Данный показатель служит характеристикой пусковых возможностей аккумулятора при его эксплуатации в условиях низкой температуры. Этот параметр замеряется при –18 °С. Напряжение полностью заряженного АКБ не опускается ниже заданного в течение определенного количества времени. Уровень тока влияет на запуск двигателя автомобиля, так как чем выше величина тока в холодной прокрутке, тем легче двигатель будет запускаться в зимнее время года.

Напряжение

Напряжение, значение которого измерено между двумя полюсными выводами аккумулятора – напряжение на клеммах.

Напряжение газовыделения – параметр, при превышении которого в корпусе аккумулятора образуется вода. Это возникает при превышении напряжения всей батареи, максимально допустимое значение при этом 14,4 В.

Разложение воды приводит к образованию водорода и кислорода, которые в соединении образуют газ

Внимание — это взрывоопасно!. Напряжение покоя или напряжение холостого хода – состояние, когда нагрузки на выходах АКБ нет

Циклы заряда и разряда изменяют напряжение холостого хода. При восстановлении количества серной кислоты между гальваническими элементами напряжение холостого хода приходит к окончательному значению – напряжению покоя

Напряжение покоя или напряжение холостого хода – состояние, когда нагрузки на выходах АКБ нет. Циклы заряда и разряда изменяют напряжение холостого хода. При восстановлении количества серной кислоты между гальваническими элементами напряжение холостого хода приходит к окончательному значению – напряжению покоя.