Современную жизнь сложно представить без автомобилей, мобильных устройств и электротехники. Для их бесперебойной работы необходимо использовать надежные источники энергии — аккумуляторные батареи. Без хорошей АКБ не заведется автомобильный двигатель, не будет автономно работать сотовый телефон, поэтому важность аккумуляторов сложно переоценить. Сегодня продолжают разрабатываться новые модели электромобилей, человечество активно ищет новые источники энергии, ставит современные энергетические системы и продолжает совершенствовать аккумуляторные батареи.
Аккумуляторы автомобильные используются как источник электроэнергии в различных транспортных средствах. Этот вид аккумуляторных батарей позволяет не только запустить двигатель, но и при неработающем двигателе также осуществлять электропитание, поддерживая сигнализацию, освещение, кондиционер и др.
Как устроен автомобильный аккумулятор.
Функционирование автомобильной АКБ базируется на принципе превращения энергии. Его суть очень проста – во время заряда аккумулятора электрическая энергия превращается в химическую, а в процессе разряда можно наблюдать противоположный процесс.
Автомобильный аккумулятор – небольшая емкость с электролитом, содержащим серную кислоту, в которую опущены металлические пластины.
Принцип работы аккумуляторных батарей основывается на химических реакциях между свинцом и диоксидом свинца в сернокислотной среде, в результате которых вырабатывается электричество. Во время разряжения аккумуляторной батареи (в моменты расхода энергии) происходят реакции восстановления диоксида свинца на катодной пластине и окисление свинца на анодной пластине. При обратной реакции, а именно при зарядке аккумулятора, на его пластинах происходят зеркально обратные реакции, к которым на завершающей стадии присоединяется еще электролитическая реакция воды (электролиз), которая в свою очередь сопровождается значительным выделением кислорода на аноде и водорода — на катоде.
Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора.
Химическая реакция (слева направо — разряд, справа налево — заряд):
Уравнение химической реакции.
При разряде аккумулятора расходуется серная кислота с одновременным образованием воды (и плотность электролита падает), а при заряде, наоборот, вода «расходуется» на образование серной кислоты (плотность электролита растет).
Уравнение, приведенное выше описывает основную реакцию, а она, увы, не протекает на 100%. При обратной реакции, т.е. при заряде, происходят некоторые необратимые процессы, которые снижают срок службы аккумулятора. Следует выделить три основных «побочных эффекта», которые с течением времени выводят батарею из строя:
сульфатация пластин - образование крупных кристаллов сульфата свинца. При глубоком разряде или несвоевременном заряде образуются большие и труднорастворимые кристаллы сульфата свинца, которые не возращаются в исходное состояние (свинец на аноде и диоксид свинца на катоде) образуя диэлектрический слой на поверхности пластин. Это снижает кол-во активной массы электродов и закупоривает оставшуюся, что препятствует протеканию электрохимических реакций. Собственно, поэтому глубоко разрядившийся аккумулятор не может зарядиться до прежнего уровня.
Коррозия пластин - окисление токоотводов. Токоотводы обычно представляют собой свинцовые решетки, на которые нанесено активное вещество. Решетки служат для удержания активных веществ и подвода к ним электрического тока. С течением времени свинец решеток реагирует с водой, содержащейся в электролите, и окисляется, образуя окись свинца. Коррозия увеличивает внутреннее сопротивление токоотводов и их прочность, что приводит к уменьшению емкости и постепенному разрушению аккумулятора.
Выкипание воды - чрезмерное выделение при заряде из воды водорода и кислорода. Активное газовыделение происходит в основном при заряде, а также при разряде или длительном бездействии аккумуляторной батареи. Этот процесс называется электролиз воды, и он должен происходить, ведь вода в последствии восстанавливается из газа. Однако, есть подвох - в состав свинцовых пластин добавляют сурьму и другие примеси для увеличения механической прочности пластин. Сурьма в сплаве положительных пластин способствует более интенсивному выделению кислорода, и, одновременно, электрохимическому переносу и отложению сурьмы на поверхности отрицательного электрода. Присутствие даже небольшого количества сурьмы на поверхности отрицательного электрода приводит к избыточному росту выделения водорода. Это приводит к избыточному испарению воды.
Собственно, все усовершенствования конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов, которые происходят с течением времени, направлены на устранение, прежде всего, данных проблем. Так, во второй половине XX века, сначала в военной промышленности, а потом и в гражданской, стали появляться, так называемые гелевые GEL и чуть позже AGM аккумуляторы. Часто приходится слышать “гелиевый”. Это ошибочное определение, так как ничего общего гелий с данной технологией не имеет. Гелевый, от слова гель, подразумевает, что электролит данного АКБ находится в желеобразном состоянии. Также часто приходиться слышать или видеть, когда аккумуляторы AGM обозначаются “гелевыми”. Это тоже неверно. Далее мы разберемся с их конструктивными особенностями, плюсами и минусами.
Основные функции АКБ.
Автомобильный аккумулятор выполняет три функции. Основанная функция АКБ – это запуск двигателя. Также, батарея питает бортовые электрические устройства – при неработающем двигателе. Вторая важная функция – возможность аварийного питания, источником которого аккумулятор выступает в случае поломки генератора. Третья функция – это достижение баланса напряжения, которое поступает от генератора. Эта функция характерна для инжекторных двигателей.
Устройство аккумулятора автомобиля существенно не меняется уже много десятилетий. Хотя развитие технологий и появление новых материалов более высокого качества способствует более надежной конструкции и работе АКБ.
Основу работы аккумулятора составляет принцип возникновения разности потенциалов – то есть, напряжения. Оно возникает между пластинами, которые погружены в раствор электролита.
АКБ – устройство, которое, в зависимости от типа и производителя, имеет определенные конструктивно-технологические различия. Но общий принцип – одинаков: все аккумуляторные батареи содержат электроды, разделенные сепараторами, и помещенные в пространство, заполненное электролитом.
Корпус
Корпус аккумулятора состоит из двух частей: основной глубокой емкости и закрывающей крышки. Она может быть оснащена горловинами с пробками или системой, при помощи которой стабилизируется давление внутри батареи, и отводится образующийся газ. Конструкция корпуса зависит от типа АКБ.
Сам корпус изготовлен из материала, к которому предъявляются большие требования прочности и безопасности. Он должен быть устойчив к воздействию агрессивных химических реагентов, переносить колебания температуры и сильную вибрацию. В большинстве современных аккумуляторов корпус сделан из полипропилена.
Внутренние отсеки
Стандартное устройство аккумуляторной батареи представляет собой контейнер, состоящий из шести секций (или, как их называют, «банок»). Каждая секция – это отдельный источник питания. Она вырабатывает порядка 2 – 2,1 В. Стандартная АКБ рассчитана на 12 В.
В каждой из ячеек находится набор (или пакет) из отдельных пластин с чередующейся полярностью. То есть, одна пластина положительная, другая отрицательная. Причем, пластины отделены друг от друга. Пластины сделаны из свинца и имеют решетчатую структуру в виде прямоугольных сот. Это облегчает нанесение них активной массы – основного рабочего реагента.
Пластины
Для увеличения прочности пластин в них добавляют сурьму. У этой технологии есть и свои недостатки: присутствие сурьмы способствует выкипанию воды из электролита. Это – основная причина, по которой практически во все типы АКБ необходимо доливать воду. Но технологии не стоят на месте. Устройство автомобильных аккумуляторов совершенствуется. Количество сурьмы в свинцовых пластинах значительно уменьшилось, благодаря чему появились малообслуживаемые и гибридные аккумуляторы.
На положительный электрод наносится двуокись свинца, на отрицательный – губчатый свинец. Внутрь заливается электролит, который является водным раствором серной кислоты.
Каждая чередующаяся пластина является электродом, имеющим противоположную полярность. Таким образом, с целью предотвращения замыкания, между каждой парой пластин располагается сепаратор. Он изготовлен из пористого пластика и не создает препятствий для циркуляции электролита внутри ячейки.
Пластин с отрицательной полярностью больше на 1 единицу, так как каждая пластина с положительным зарядом помещена между двумя отрицательными (минусовыми).
Пакет с пластинами надежно фиксируется, чтобы предотвратить смещение и деформацию. Фиксация осуществляется при помощи специального бандажа. Токовыводы пластин (плюсовые и минусовые) объединены в пары. Концентрация энергии происходит при помощи токосборников – на выводные борны аккумулятора. К ним токоприемные клеммы.
Устройство АКБ обеспечивает максимальную надежность. Современные аккумуляторы – это качественные устройства, выступающие источниками питания даже для самых мощных автомобилей.
Виды современных аккумуляторов
Современные АКБ подразделяются на два основных вида: классические и необслуживаемые. Классические существуют уже больше ста лет и описаны выше. Необслуживаемые аккумуляторные батареи были созданы всего несколько десятилетий назад. Они эффективно работают в любом, даже перевернутом, положении. Вместо жидкого электролита в них применяется гелиевый, или адсорбированный сепараторами. Устройство автомобильного аккумулятора, который является необслуживаемым, подразумевает максимальную герметичность. Для отвода газов, которые выделяются при заряде и разряде, предусмотрен специальный клапан.
Главное различие необслуживаемых АКБ от классических – в более низких разрядных и зарядных токах. Причина – в конструкции необслуживаемых батарей. При больших токах классическая АКБ активно выделяет газ и «закипает». У необслуживаемых и герметизированных батарей этого нет.