Требования предъявляемые к конструкциям устройствам и принципу работы аккумуляторной батареи

Тяговые аккумуляторные батареи

Как можно понять из названия тяговых АКБ, предназначены оны для того, чтобы тянуть. Но не в буквальном смысле слова, как лошадь, например. Аккумуляторные батареи этого типа используются лишь для питания силовых установок, а те уже непосредственно выполняют полезную работу. Тянут, поднимают, вращают, освещают, обогревают и даже развлекают. Любая из этих работ требует такого источника питания, который мог бы длительное время отдавать энергию умеренными порциями, и не терять своей работоспособности в результате глубоких циклических разрядов.

Тяговые аккумуляторы: устройство

Первое, в чём можно заметить отличие тягового аккумулятора от обычного — устройство. Конструктивно это стандартные свинцовые пластины (электроды), помещённые в электролитную среду. Рабочие детали упакованы в герметичном корпусе из диэлектрического материала. Наружу выведены две клеммы — положительная и отрицательная.

Электролит в тяговых АКБ может быть как наливным, так и гелеобразным. В последнее время особой популярностью пользуются так называемые AGM аккумуляторы, в которых жидким электролитом пропитаны пористые маты, плотно контактирующие со свинцовыми пластинами.

Сферы применения силовых батарей

Применяются тяговые АКБ в тех сферах, где требуется стабильное и продолжительное питание умеренной мощности. Самый наглядный пример — различная движущаяся техника и системы альтернативной энергетики:

• электромобили;
• небольшие лодки;
• электровелосипеды;
• машинки для езды по полям для гольфа;
• погрузчики;
• ветряные и солнечные системы генерации энергии.

Особенно распространены тяговые аккумуляторы в специальной технике, применяемой для погрузки и перевозки грузов. Благодаря отсутствию выхлопных газов она может эксплуатироваться в закрытых помещениях. Плавательные средства на электротяге тоже имеют свои преимущества — экологичность, отсутствие шума и вибрации.

Характеристики аккумуляторных батарей

Обозначение на аккумуляторной батарее

Стартерные аккумуляторные батареи, из­готавливаемые в Германии, маркируются с указанием номинального напряжения, номи­нальной емкости и испытательного тока раз­ряда в холодном состоянии (например, DIN EN 50342). Стартерные аккумуля­торные батареи, изготавливаемые в Германии, идентифицируются девятизначным номером (ETN) согласно стандарту EN 50342. Этот но­мер содержит информацию о номинальном напряжении, номинальной емкости и низко­температурном испытательном токе.

Например: 555 059 042 означает: 12 В (первая цифра кода); 55 А-ч; специальный тип конструкции (059); низкотемпературный испытательный ток 420 А.

Емкость аккумуляторной батарею

Емкость — это время, в течение которого аккумуля­торная батарея способна отдавать определенный ток при заданных условиях. Емкость уменьшается по мере того, как увеличивается разрядный ток и уменьшается температура электролита.

Номинальная емкость АКБ

Стандарт DIN EN 50342 определяет номинальную емкость K₂₀ как заряд, который аккумуляторная батарея способна отдать в течение 20 ч до напря­жения отсечки 10,5 В (1,75 В/элемент) при задан­ном постоянном разрядном токе I₂₀ (I₂₀=K₂₀ /20 ч) при 25 °С. Номинальная емкость аккумуляторной батареи зависит от количества используемого ак­тивного материала (масса положительных пла­стин, масса отрицательных пластин, электролит) и не влияет на количество пластин.

Низкотемпературный испытательный ток

Низкотемпературный испытательный ток I_сс (ранее I_КР) показывает способность аккуму­ляторной батареи выдавать ток при низких температурах. Согласно стандарту DIN EN 50342, напряжение на выводах аккумулятор­ной батареи при I_сс и -18°С через 10 с после начала разряда должно составлять не менее 7,5 В (1,25 В на элемент). Более подробная информация о времени разрядки приведена в стандарте DIN EN 50342. Краткосрочное по­ведение аккумуляторной батареи вовремя раз­ряда при I_cc, главным образом, определяется числом пластин, их площадью поверхности, а также промежутком между пластинами и материалом сепаратора.

Еще одной переменной, характеризующей пусковую реакцию, является внутреннее со­противление R_i. К полностью заряженной аккумуляторной батарее (12 В) при -18°С применимо уравнение: R_i < 4000/I_cc (мОм), где I_cc указывается в амперах. Внутреннее со­противление аккумуляторной батареи и другие сопротивления в контуре стартера определяют частоту проворачивания двигателя.

Отличия между тяговыми и стартёрными аккумуляторами

Что же касается отличий, то их гораздо больше, чем сходств. К тому же, они более существенные и заметные даже невооружённым глазом:

• Параметры свинцовых пластин — у стартёрных они тоньше, и их количественно больше при одинаковых ёмкостях АКБ. У тяговых же аккумуляторных батарей электроды массивные, и их меньше визуально (если заглянуть внутрь корпуса). За счёт этого они лучше переносят глубокие разряды и дольше не рассыпаются.
• Пиковые нагрузки — стартёрные АКБ для них просто созданы, тогда как тяговые аналоги физически не могут отдавать большие токи. Площадь пластин у них сравнительно маленькая, а из-за этого менее интенсивно проходят электрохимические реакции. Но не следует думать, что тяговые батареи совсем немощные в плане пиковых нагрузок. Это не совсем так. На кое-что и они способны.
• Чувствительность к глубоким разрядам — у стартёрных аккумуляторов крайне низкая. Некоторые модели уже после двух-трёх разрядов в ноль теряют до половины номинальной ёмкости. На сегодня больше всего этим недостатком «славятся» так называемые кальциевые АКБ. Тяговые же аккумуляторы к глубоким разрядам более стойкие, и не теряют ресурс в результате такой эксплуатации.
• Количество циклов заряда-разряда — тяговые АКБ в этом плане существенно выигрывают у стартёрных. Более того, последние вообще не рекомендуется часто разряжать более, чем на 30%, так как они быстро подвергаются сульфатации, теряют ёмкость и способность отдавать большие пусковые токи.
• Габариты и вес — при одинаковых номинальных ёмкостях тяговые аккумуляторы заметно больше, чем стартёрные. Это связано и с упомянутой выше толщиной пластин, и с более массивными корпусами.
• Стоимость — сравнивать по этому критерию сложно, так как оба варианта есть и в дешёвом, и в дорогом исполнении. Но кое-какая тенденция, всё же, просматривается. Тяговые — дороже.

Ещё по Интернету гуляет байка, что тяговые АКБ лучше «приспособлены» к высоким и отрицательным температурам окружающей среды. На самом деле разница в этом плане если и есть, то очень маленькая. Тяговые АКБ наравне со стартёрными могут замерзать на морозе в разряженном состоянии, а также терять много электролита из-за перегрева. Кроме того, при низких температурах они значительно меньше накапливают и отдают энергии, чем при оптимальных +20°C. Это надо учитывать, например, если на той же лодке с электротягой вы затеяли дальний заплыв ранней весной.

Стартёрные аккумуляторные батареи

Название стартёрных АКБ тоже указывает на их непосредственное предназначение. Задача аккумулятора этого типа — запитать стартер для запуска двигателя внутреннего сгорания. Роль эта хоть и кратковременная (3—8 секунд), но из-за большой мощности требует отдачи большого тока. Например, чтобы запустить средний по объёму бензиновый двигатель внутреннего сгорания, нужен стартер мощностью полтора-два киловатта. При номинальном напряжении АКБ 12 вольт для выдачи такой мощности требуется ток силой 100—150 ампер. А если стартер плохо крутит, то вдвое, а то и втрое больше.

Устройство стартёрного аккумулятора только лишь по конфигурации имеет сходства с тяговыми аналогами. В них имеются те же свинцовые пластины, контактирующие с электролитом. Есть диэлектрический герметичный корпус и выведенные наружу две клеммы — «плюс» и «минус». Однако, в отличие от тяговых АКБ, в стартёрных пластины намного тоньше. Это делается для того, чтобы увеличить площадь поверхности активной массы, участвующей в электрохимических процессах внутри аккумулятора. А чем больше площадь, тем выше токи можно «выжать» из АКБ.

Применяются стартёрные батареи только там, где эти самые большие пусковые токи нужны. То есть, в различного рода технике, оснащённой двигателями внутреннего сгорания. Это и легковые автомобили, и грузовые, и мотоциклы, и тракторы, и комбайны.

Устройство аккумуляторной батареи

Компоненты аккумуляторной батареи

Автомобильные аккумуляторные батареи напря­жением 12 В содержат шесть последовательно соединенных и отделенных перегородками галь­ванических элементов в полипропиленовом кор­пусе (рис. «Необслуживаемая стартерная аккумуляторная батарея» ). Каждый гальванический элемент включает наборы положительных и отрицатель­ных пластин. Эти наборы, в свою очередь, со­стоят из пластин (свинцовая решетка и активная масса) и микропористого материала (сепаратор), который изолирует пластины противоположных полярностей. Сепараторы образуют карманы, в которые погружаются пластины. Электролит представляет собой раствор серной кислоты, который проникает в поры пластин и сепараторы, а также в пустоты гальванических элементов. Полюсные выводы, соединительные элементы гальванических элементов и перемычки пластин выполнены из свинца; щели в перегородках межэлементных соединений тщательно уплотнены. Для обеспечения герметичной связи цельной крышки с корпусом аккумуляторной батареи используется процесс горячей опрессовки. На стандартных аккумуляторных батареях каждый элемент закрывается собственной пробкой с вентиляционным отверстием. Вентиляционные отверстия с закрученными пробками позволяют образующимся при зарядке аккумуляторной батареи газам улетучиваться. У необслуживае­мых аккумуляторных батарей, выполненных в герметичном исполнении, нет пробок заливных горловин, однако они также имеют вентиляци­онные отверстия.

Материал решетчатых пластин аккумуляторной батареи

Пластины аккумуляторной батареи состоят из свинцовых решеток и активного материала, которым покрываются свинцовые решетки во время производствен­ного процесса. Активный материал положи­тельной пластины содержит пористый диоксид свинца (РbO₂, оранжево-коричневого цвета), а отрицательной пластины — чистый свинец в виде «губчатого свинца» (РЬ, серого-зеленого цвета). Другими словами, чистый свинец также имеет крайне пористую форму.

По разным причинам (жидкотекучесть, об­работка, механическая прочность, стойкость к коррозии), для решеток используется сплав свинца с сурьмой. Стандартные способы из­готовления решеток — отливка, прокатка и штамповка.

Свинцово-сурьмяный сплав (PbSb)

Сурьма добавляется для придания твердости. Однако в течение срока службы аккумулятор­ной батареи из-за коррозии положительной решетки сурьма все больше отделяется. Она мигрирует к отрицательной пластине, проходя через электролит и сепараторы, и «отравляет» ее, образуя локальные гальванические пары. Эти гальванические пары повышают самораз­ряд отрицательной пластины и уменьшают на­пряжение газовыделения. Все это вызывает повышенный расход воды при перезарядке, что способствует высвобождению сурьмы. Этот механизм самовозбуждения приводит к постоянному снижению мощности на про­тяжении всего срока службы аккумуляторной батареи. Она становится неспособной достичь необходимого заряда, и электролит прихо­дится часто проверять.

Свинцово-кальциевый сплав (РbСа)

Кальций используется для повышения твердости отрицательных пластин. Кальций электрохимически неактивен при потенциальных условиях, существующих в свинцовых аккумуляторных батареях. Это означает, что предотвращается «отравление» отрицательной пластины и саморазряд.

Еще одним преимуществом является высо­кое напряжение газообразования, стабильное в течение срока службы, и связанный с этим расход воды (меньший по сравнению со спла­вом свинца с сурьмой).

Свинцово-кальциевые сплавы с добавлением серебра (РЬСаAg)

Помимо снижения содержания кальция и уве­личения содержания олова этот сплав также имеет определенный процент серебра (Ag). Он имеет более тонкую структуру решетки и показал себя крайне стойким даже при высо­ких температурах, ускоряющих коррозию. Это сказывается, когда происходит деструктивный перезаряд при высокой плотности электролита и (что в равной степени нежелательно) в пере­рывах в эксплуатации при высокой плотности электролита.

Свинцово-кальциево-оловянные сплавы (PbCaSn)

Этот сплав используется для решеток, изго­тавливаемых непрерывной прокаткой и штам­повкой, и содержит гораздо больше олова, чем РЬСаAg. Он отличается крайне высокой стойкостью к коррозии при небольшой массе решетки.

Можно ли использовать стартёрный аккумулятор вместо тягового

В теории заменять стартёрную АКБ на тяговую, или наоборот, нельзя. Во-первых, пиковой мощности тягового аккумулятора может не хватить для стабильной прокрутки стартера. Во-вторых, стартёрные батареи нецелесообразно использовать там, где они будут долго и часто пребывать в полуразряженном состоянии. Скорый износ в виде потери ёмкости сделает такую эксплуатацию крайне невыгодной.

Кроме всего прочего, тяговые АКБ больше по размерам, чем стартёрные той же ёмкости. Соответственно, могут возникнуть трудности даже с тем, чтобы установить аккумулятор на штатное место под капотом автомобиля.

Тем не менее, есть масса примеров, когда эти две технологии являются взаимозаменяемыми, и довольно неплохо себя проявляют, так сказать, не в своей тарелке. Хороший пример — солнечные или ветровые электростанции гаражных масштабов. В таких системах лучше, конечно, использовать тяговые аккумуляторы. Однако при грамотном подходе к вопросу заряжать от альтернативных источников можно и стартёрные АКБ.

В завершение вернёмся немного к автомобилям. Тяговый аккумулятор вместо стартёрного использовать, может быть, и не стоит. Но зато они часто приспосабливаются на роль вспомогательных источников энергии. То есть, под капотом свою непосредственную роль выполняет штатный стартёрный аккумулятор, а в багажник устанавливается дополнительно силовой. От него при необходимости запитываются такие потребители, как холодильник, инвертор, кипятильник и прочие мобильные принадлежности, используемые вдали от цивилизации.