1. Аккумуляторная батарея, устройство и рабочий процесс

1.1 Рабочий процесс

Аккумулятор (лат. accumulator собиратель, от лат. accumulo собираю, накопляю) — устройство для накопления энергии с целью её последующего использования, энергоноситель. На протяжении вот уже более чем 145 лет, начиная с того момента, 1859 когда первый аккумулятор был подарен Гастоном Планте Французской Академии наук, конструкция данного устройства так и не изменилась. В 1900 году немецкая фирма Varta произвела первые стартерные аккумуляторы для автомобилей.

Рисунок 1.1 Заряд (а) и разряд (б) аккумулятора

Накапливание в аккумуляторе электрической энергии происходит при пропускании по нему тока от постороннего источника (рис. 1.1, а). Этот процесс, называемый зарядом аккумулятора, сопровождается превращением электрической энергии в химическую, в результате чего аккумулятор сам становится источником тока. При разряде аккумулятора (рис. 1.1, б) происходит обратное превращение химической энергии в электрическую.

Простейший аккумулятор состоит из ёмкости заполненной электролитом (водный раствор H₂SO₄) и двух электродов, положительного из PbO₂и отрицательного из Pb.

Электрохимические реакции при разряде и заряде аккумулятора могут быть выражены уравнением:

PbO₂+ Pb + 2H₂SO₄↔ 2PbSO₄+ 2H₂O

Читая это уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево — процесс заряда.

Из всего вышесказанного следует, что количество запасаемой аккумулятором энергии (емкость) определяется объемом активной массы и электролита.

1.2 Устройство

Впервые серийно аккумуляторные батареи стали устанавливать на автомобили Cadillac в 1912 г. На первых автомобилях аккумуляторные батареи были снимаемые, т.к. из-за отсутствия бортового генератора после разряда их приходилась подзаряжать от внешнего источника тока.

В автомобиле аккумуляторная батарея выполняет три функции: во-первых, запускает двигатель, во-вторых, питает бортовые электрические устройства в то время, когда двигатель не работает, и, наконец, при работающем двигателе помогает генератору, когда тот не справляется с нагрузкой в бортовой электрической сети.

Рисунок 1.2 Банка АКБ

Стандартная современная 12-вольтовая автомобильная аккумуляторная батарея (АКБ) выполнена из шести последовательно соединенных между элементарных аккумуляторов (банок) с выходным напряжением около 2 вольт. Положительно заряженная пластина (электрод) представляет собой свинцовую решетку с активной массой из двуокиси свинца (PbO₂ темно-коричневого цвета), а электрод со знаком минус - решетку с активной массой из губчатого свинца (Pbсерого цвета). Электроды соединяются в полублоки (рис. 1.2) и вставляются друг в друга. Во избежание возникновения короткого замыкания между пластинами, их разделяют пористыми сепараторами из изоляционного материала. Собранные блоки помещаются в корпус и заливаются электролитом (раствором серной кислоты плотностью 1.27-1.29 г/см³). Полюса (баретки) крайних элементов соединяются с расположенными снаружи корпуса контактными выводами - борнами.

В токообразующем процессе принимает участие также электролит — водный раствор серной кислоты плотностью 1,28 г/см³. В процессе разряда активная масса как положительного, так и отрицательного электродов превращается в сульфат свинца (двойная сульфатация). При этом плотность электролита снижется к концу разряда до 1,08-1,10 г/см³.

АКБ обычно размещается в моторном отсеке (крайне редко в багажнике или в салоне). Однако высокой температуры она не переносит. С целью снижения уровня шума производители все тщательнее закрывают любые отверстия в моторном отсеке, что, как правило, приводит к повышению температуры внутри него. Верхний предел рабочей температуры аккумуляторов — 100 ^оС, выше него электролит закипает. Однако даже при приближении к этой температуре срок службы батарей все равно снижается в три-четыре раза. На сегодняшний день это, пожалуй, самая большая проблема для производителей аккумуляторов.