Как устроены и работают аккумуляторы

СОДЕРЖАНИЕ:

Устройство и принцип работы аккумулятора

Общие сведения
Общеизвестно, что аккумулятор играет одну из главных ролей в функционировании многих устройств, агрегатов, механизмов и электронных девайсов. В транспортных средствах подобное устройство называют автомобильной стартерной аккумуляторной батареей (АКБ). Принципиальная схема ее работы и устройства рассматривается еще в рамках курса физики в средней школе, однако к началу взрослой жизни многие из нас уже успевают изрядно подзабыть полученные знания.

Итак, что же такое аккумулятор, и каким образом он выполняет возложенные на него функции? В основу работы аккумулятора положен принцип возникновения разности потенциалов (напряжения) между двумя пластинами, погруженными в раствор электролита. Впервые элемент, работающий по такому принципу, был создан в 1836-1838 гг. Одна пластина в нем была медной, вторая – цинковой, которая очень быстро растворялась. За минувшие десятилетия элемент Даниэля-Якоби был существенно модернизирован, устройства, вырабатывающие электричество, стали гораздо компактнее и производительнее, к тому же «научились» многократно восстанавливать свой ресурс. Тем не менее, общий принцип действия аккумулятора остается неизменным и поныне.

Устройство аккумуляторной батареи
Впрочем, если быть до конца точным, честь создания свинцово-кислотной батареи принадлежит французскому физику Гастону Планту, и случилось это в 1859 г. Площадь первой аккумуляторной батареи была 10 кв. м! Современный аккумулятор – в сотни раз уменьшенная копия батареи Планта. Единственным видимым элементом автомобильной батареи является корпус, который обеспечивает целостность и общность конструкции.

В принципе, название аккумулятор абсолютно верно применительно лишь к одной, отдельно взятой ячейке, а объединенные воедино они должны именоваться аккумуляторной батареей. Так, стандартная 12 В аккумуляторная батарея для легкового автомобиля объединяет в себе шесть отдельных аккумуляторов («банок»), каждая из которых вырабатывает напряжение 2 В.

К корпусу батареи предъявляют весьма высокие и жесткие требования. Он должен быть невосприимчивым к воздействию агрессивным химических реагентов, переносить значительные температурные колебания и обладать высокой вибростойкостью. В подавляющем большинстве случаев корпус изготавливают из современного синтетического материала – полипропилена.

Корпус состоит из двух частей: из основной глубокой емкости, и закрывающей ее крышки. В зависимости от типа АКБ крышка может быть оснащена горловинами с пробками, либо лишь дренажной системой (которая помогает стабилизировать давление внутри батареи, и отводит образующийся газ).

В каждую из отдельных ячеек установлен собранный воедино пакет, состоящий из множества отдельных пластин, полярность в которых чередуется. Изготовленные из свинца пластины имеют решетчатую структуру из прямоугольных сот. Такая конструкция позволяет нанести на них основной рабочий реагент – активную массу. Поскольку наносят ее посредством намазывания, то аккумулятор так и называется – с пластинами намазного типа.

Существует еще два типа аккумуляторов – в одних установлены пластины увеличенной площади, а во вторых – из панцирной сетки. Однако при изготовлении автомобильных аккумуляторов применяют лишь намазные пластины.

Поскольку каждая из чередующихся пластин является электродом с противоположной полярностью, необходимо предотвратить вероятность их замыкания. С этой целью между каждой парой пластин вставлен сепаратор, изготовленный из пористого пластика, не препятствующего циркуляции электролита внутри ячейки. Ввиду того, что каждая пластина, несущая положительный заряд, помещена между двумя «минусовыми» (это предотвращает коробление), отрицательных пластин в ячейке всегда на одну больше.

Весь собранный пакет зафиксирован от возможных смещений и деформаций специальным бандажом. Плюсовые и минусовые токовыводы пластин объединены попарно и при помощи токосборников концентрируют свою энергию на выводных борнах аккумулятора. К ним подключают токоприемные клеммы автомобиля.

Принцип работы
Активные элементы – губчатый свинец на электроде «-», двуокись свинца на положительной пластине и раствор серной кислоты в воде (электролит, с плотностью 1,28 г/см3) – вступают в реакцию при инициировании нагрузки на клеммы аккумулятора. Начинается процесс вырабатывания электротока, который, в свою очередь, сопровождается образованием сульфата свинца на отрицательной пластине. Помимо этого из электролита выделяется вода, в результате чего снижается его плотность.

Если же на клеммы батареи начинает поступать электрический ток из внешнего источника (генератора, зарядного устройства), происходит обратный электрохимический процесс. На отрицательных электродах восстанавливается чистый свинец, а на положительных происходит регенерация диоксида свинца. Так же начинается повышение плотности электролита – весь этот процесс именуется методом двойной сульфатации. Таким образом аккумулятор практически полностью восстанавливает свои стартовые свойства. Чем более качественные материалы использованы при изготовлении аккумуляторной батареи, тем большее количество циклов разрядки-зарядки он способен выдержать, и тем дольше срок его службы.

Как работает аккумулятор?

Знание — сила, особенно, когда дело доходит до аккумулятора Вашего автомобиля и его (автомобиля) электрической системы. На самом деле, если двигатель — сердце нашего автомобиля, то аккумулятор — это его центральная нервная система (а, может быть, даже и душа) — он хранит и производит электроэнергию, а также контролирует силу тока электросети. Последнее, что Вы хотели бы — это остаться на пустынной трассе с умершим аккумулятором. Чем больше Вы знаете об аккумуляторе и электрической системе в целом, тем меньше вероятности попасть в такую ситуацию.

Как работает автомобильный аккумулятор?

Автомобильный аккумулятор обеспечивает всю электросистему машины необходимым количеством электроэнергии для питания всех электрических компонентов в Вашем автомобиле. И речь здесь идёт о довольно огромной ответственности. Без аккумулятора автомобиль, как Вы, наверное, уже поняли, никуда не поедет. Давайте взглянем на то, как работает этот мощный маленький ящик!

Химическая реакция — это главный принцип работы аккумулятора: он попросту преобразует химическую энергию в электрическую, необходимую для питания Вашего автомобиля, обеспечения напряжением стартера и множества других электрических узлов машины, а также электрическую — обратно в химическую. Ещё одна важная функция аккумулятора — он обеспечивает постоянство силы тока — он также стабилизирует напряжение для того, чтобы двигатель работал.

По-простому принцип работы аккумулятора можно охарактеризовать так: химические процессы в нём приводят в появлению электрического тока, которым питается автомобиль — особенно полезен такой ток, и больше всего его потребляется, когда Вы стартером раскручиваете двигатель, заводя его; когда же автомобиль заведён, то двигатель крутит генератор — и здесь мы видим процесс превращения механической энергии (кручение генератора) в электрическую — в свою очередь генератор передаёт произведённый им ток аккумулятору, и тот превращает уже электроэнергию в химическую — аккумулирует её, сохраняет, чтобы затем опять «накормить» ей тот стартер или любые иные электрические системы автомобиля, когда генератор не работает или же когда электроэнергии, производимой генератором недостаточно для обеспечения всех систем автомобиля.

Автомобильный аккумулятор имеет два полюса: один положительный и второй — отрицательный, и Вы, наверное, уже знаете это, если хотя бы раз видели или отсоединяли/крепили клеммы аккумулятора. Эти полюсы подключаются к машине и отвечают за питание ряда очень важных механизмов автомобиля, в том числе:

  • Запуск двигателя
  • Кондиционер
  • Воспроизведение аудиосистемы
  • Все световые механизмы (фары, задние фонари, разного рода подсветки и т.п.)
  • Стеклоочистители
  • Многое-многое другое.

В подавляющем большинстве случаев аккумулятор состоит из шести ячеек. В каждую ячейку помещаются два электрода, представляющих собой и изготовленных из восьми перекрывающихся металлических пластин. Эти восемь перекрывающихся металлических пластин образуют то, что известно как «гальванический элемент». Таким образом, в общей сложности каждая ячейка включает 2 электрода и 16 пластин. Именно через эти пластина производится питание электричеством автомобиля. Но как это работает?

На самом деле, всё достаточно просто — давайте резюмируем вышеописанное:

  • Батарея состоит из шести ячеек
  • Каждая ячейка состоит из двух наборов пластин
  • Каждый набор пластин включает в себя восемь перекрывающихся металлических пластин

А теперь немного химии.

Первый набор пластин в ячейке является положительным, а второй — отрицательным. Положительное сетка покрыта оксидом свинца и приносит электроны в ячейку. Отрицательный набор покрыт непосредственно свинцом, и он, наоборот, освобождает электроны. Металлические пластины — помните, восемь из них в каждой сетке, 16 в каждой ячейке — находятся в смеси воды и серной кислоты (на самом деле в этой концентрации только около 35 процентов серной кислоты, но этого более чем достаточно, чтобы, например, прожечь одежду и сильно обжечь кожу. Эта смесь действует как электролит — вещество, которое хорошо проводит электричество.

Когда аккумулятор заряжается (от генератора или другими способами), то происходит химическая реакция окисления свинца на положительном заряде, в результате чего электролит насыщается серной кислотой и удельный вес электролита повышается. Когда же аккумулятор, наоборот, разряжается, питая какие-либо электросистемы автомобиля (мы помним, что основной потребитель — это стартер), то за счёт восстановления свинца на другом — отрицательном наборе пластин, в результате которого образуется больше воды, и, следовательно, удельный вес электролита уменьшается. При этом, химический процесс в каждой из пластин настолько ничтожен, что выделяется очень мало энергии, но на выходе из аккумулятора легкового автомобиля, когда все эти реакции проходят по всем 6 ячейкам, мы и получаем уже сокровенные 12 Вольт.

Возможные неполадки аккумулятора

Аккумулятор со временем приходит в негодность — это естественный его износ и, кроме того, разного рода вредные процессы в нём и воздействия на него могут значительно укоротить срок его жизни. И первыми симптомами того, что в аккумуляторе есть неполадки, являются неспособность завести автомобиль (особенно, в морозную погоду).

Итак, какие же могут быть проблемы с аккумулятором?

  • Низкий уровень жидкости в аккумуляторе: автомобильные аккумуляторы обычно имеют небольшую часть корпуса в виде полупрозрачной полосы — чтобы Вы всегда могли следить за уровнем жидкости Вашего аккумулятора. Если уровень жидкости ниже свинцовых пластин (проводник электричества) внутри аккумулятора, то это самое время, чтобы либо долить её, либо заменить аккумулятор.
  • «Отёк» аккумулятора — это когда корпус Вашего аккумулятора выглядит так, как-будто он съел очень много и вздулся. Это может указывать на срочную замену аккумулятора. Можно обвинить избыточное количества тепла в качестве причины вздутия аккумулятор и, как следствие, уменьшения срока службы аккумулятора.
  • Запах тухлых яиц от аккумулятора: Вы можете заметить острый запах тухлого яйца (на самом деле, это запах серы) вокруг своей батареи. Причина: протечка аккумулятора. Протечка эта, кроме запаха, также вызывает коррозию вокруг клемм.

Назначение аккумуляторной батареи. Как устроены и работают аккумуляторы

В своей хозяйственной деятельности человек использует различные устройства, в составе которых работают аккумуляторы. Это касается бытовой техники, мобильных устройств, часов, автомобилей, электроинструмента и много чего ещё. Вне зависимости от того, в какой сфере используются аккумуляторные батареи, принцип работы у них одинаков. В процессе зарядки АКБ накапливает электрическую энергию, а затем отдаёт для питания устройства. На сегодняшний день имеется много видов аккумуляторных батарей, у каждого из которых есть свои особенности в устройстве и функционировании. В этой статье мы поговорим про устройство автомобильного аккумулятора и его конструкцию.

Аккумулятор представляет собой один из ключевых элементов авто. Работая в бортовой сети автомобиля в связке генератором, он является источником электрического тока. Основные функции аккумуляторной батареи заключаются в следующем:

  • Обеспечение пуска мотора. Аккумулятор подаёт питание на стартер в момент запуска;
  • Обеспечение питания потребителей в сети автомобиля, когда мотор заглушён;
  • Обеспечивает питание во время поездки, если генератор перегружен.

Кроме того, при работе вместе с генератором АКБ осуществляет сглаживание пульсаций электрического тока в бортовой сети.

Напряжение аккумуляторных батарей для легковых автомобилей составляет 12 вольт. Ёмкость может лежать в пределах 40─130 Ач. Пусковой ток 300─1300 ампер. Значения справедливы для АКБ легковых машин и лёгкого коммерческого транспорта.

На грузовые авто и специальную технику могут устанавливаться батареи с напряжением 24 вольта. На мотоциклетной технике используются модели номиналом 6 вольт.

К аккумулятору для автомобиля обычно предъявляют следующие требования:

  • небольшой саморазряд;
  • высокий пусковой ток;
  • компактные габариты;
  • отсутствие или минимум обслуживания.

Устройство аккумулятора автомобиля

В подавляющем большинстве легковых автомобилей работают свинцово-кислотные батареи с жидким электролитом (WET). Их устройство и конструкция постоянно дорабатывается и совершенствуется. Кроме того, ведутся разработки новых типов автомобильных аккумуляторов. Ниже представлена схема автомобильного аккумулятора.

АКБ состоит из 6 банок (аккумуляторных элементов), подключённых последовательно. Все они заключены в пластиковый корпус, который не проводит электрический ток и стойкий к воздействию серной кислоты. В каждой банке есть набор положительных и отрицательных электродов, которые чередуются. Электрод представляет собой токоотводящую решётку, на которую нанесена обмазка (активная масса).

Для того чтобы предотвратить замыкание электродов разной полярности, они помещены в полиэтиленовые сепараторы. Электроды выполнены из свинца с различными легирующими добавками. Устройство современных АКБ часто подразумевает наличие электродов из сплава свинца с кальцием. Это позволяет снизить саморазряд и расход воды. Примером могут служить .

Вообще, можно выделить следующие актуальные разновидности WET аккумуляторов:

  • Малосурьмянистые (малообслуживаемые). Положительные и отрицательные электроды выполнены из сплава свинца с сурьмой (до 6%);
  • Кальциевые (необслуживаемые). Электроды выполнены из сплава свинца с кальцием;
  • Гибридные. Отрицательный электрод выполняется из свинца, легированного кальцием, а положительный ─ сурьмой.

Существуют также разные методы изготовления решёток электродов (литьё, просечка) и нанесения активной массы. Некоторые производители имеют свои запатентованные технологии. В основном все они ориентированы на улучшение отвода тока и уменьшение внутреннего сопротивления АКБ. В некоторых случаях в состав электродов добавляют серебро, тантал, олово для того, чтобы увеличить стойкость к коррозии.

В современном производстве при выпуске положительных электродов применяют несколько методов:

  • Power Frame. Это наиболее современная технология. В этом случае решётка электрода выполняется с опорной рамкой и внутренними направляющими. В результате повышается жёсткость конструкции;
  • Power Pass. Эта технология подразумевает наличие вертикальных направляющий к «уху» электрода;
  • Chess Plate. В этом случае направляющие располагаются в шахматном порядке.

На решётки электродов наносится обмазка или активная масса для увеличения поверхности взаимодействия с электролитом. Для положительных пластин используется диоксид свинца, а для отрицательных ─ губчатый свинец.

Устройство аккумулятора подразумевает погружение электродов в электролит. Это раствор серной кислоты в дистиллированной воде. Главной характеристикой электролита является его плотность. Эта величина изменяется в зависимости от степени заряда. Плотность максимальна на полностью заряженной АКБ и минимальна на разряженной.

Особенности конструкции разных видов автомобильных аккумуляторов

Кроме аккумуляторов WET с жидким электролитом, есть и другие виды свинцово-кислотных аккумуляторов. Это батареи AGM и GEL. Их устройство предусматривает наличие кислотного электролита в связанном состоянии. Часто эти батареи обобщённо называют , но это не совсем так. В AGM аккумуляторах электролитом пропитан материал из стекловолокна, который прилегает к свинцовым пластинам. На изображении ниже можно посмотреть устройство AGM аккумулятора.

Ещё одна разновидность свинцовых аккумуляторов называется GEL. Здесь кислотный электролит находится в гелеобразном состоянии. Это достигается за счёт добавления в кислоту оксида кремния. Этот вид АКБ практически не используется в легковых автомобилях. Батареи GEL можно встретить в мотоциклетной технике, скутерах, морском транспорте, домах на колёсах. А вот AGM батареи получают всё большее распространение в авто.

Популярность AGM растёт благодаря появлению автомобилей с системами старт-стоп и рекуперации энергии торможения. Требования к АКБ возрастают. От них требуется более высокий ток прокрутки, устойчивость к глубоким разрядам, длительный срок службы. Аккумуляторы AGM (расшифровывается, как Absorbed Glass Material) удовлетворяют требованиям современных автомобилей с большим количеством электроники на борту.

В продаже также можно встретить аккумуляторные батареи EFB или Enhanced Flooded Battery. По устройству эти АКБ можно отнести к WET батареям. Но в реальности они занимают промежуточную ступень между обычными WET и AGM аккумуляторами. В них залит жидкий кислотный электролит, а электроды имеют покрытие из микроволокна. Это обеспечивает большую аккумуляцию энергии, повышение токоотдачи и устойчивость к частым циклам заряд-разряд. Производители также рекомендуют использовать их в автомобилях с системами старт-стоп. Пока EFB и AGM не стали массовыми из-за высокой стоимости. Поэтому в большинстве машин используются аккумуляторы типа WET.

Стоит отметить, что при заряде АКБ идёт выделение газов. Поэтому корпуса аккумуляторов имеют систему отведения газов. Чтобы батарея оставалась герметичной используются предохранительные клапаны. Такие клапаны могут быть встроены в пробки. Их устройство позволяет им открываться при увеличении давления выше определённого предела.

Водород и кислород, которые выделяются на электродах при зарядке, взаимодействуют с выделением воды. А в случае превышения допустимого заряда они выпускаются в атмосферу. Этот механизм называют VRLA или Valve Regulated Lead Acid Battery. Устройство лабиринтной вентиляции в корпусе АКБ является более совершенным. В такой конструкции выделяющиеся газы конденсируются, и образующаяся вода возвращается обратно в банки аккумулятора.

Есть батареи, устройство которых предусматривает наличие пламегасителей. Эти приспособления обеспечивают отсекание пламени от внутреннего пространства аккумулятора при воспламенении газов. По своей конструкции пламегасители являются мембранами.
Аккумулятор подключается к автомобилю с помощью выводов из свинца. Положительного и отрицательного. Они выполняются разной толщины и маркируются соответствующим образом, чтобы не допустить ошибку при подключении.

В зависимости от положения выводов полярность аккумуляторной батареи может быть прямая или обратная. Читайте подробнее о том, как определить .

Устройство необслуживаемых батарей предусматривает наличие индикатором заряда. Его ещё называют гидрометром или просто «глазком». Подробнее об читайте в статье по ссылке.

Крепление аккумулятора в подкапотном пространстве выполняется двумя основными способами:

  • скобой за выступ корпуса АКБ. Такое крепление используется для аккумуляторов европейского типоразмера;
  • при помощи рамки. Применяется в случае с батареями азиатского типоразмера.

В широком смысле слова в технике под термином «Аккумулятор» понимается устройство, которое позволяет при одних условиях эксплуатации накапливать определенный вид энергии, а при других — расходовать ее для нужд человека.

Их применяют там, где необходимо собрать энергию за определенное время, а затем использовать ее для совершения больших трудоемких процессов. Например, гидравлические аккумуляторы, используемые в шлюзах, позволяют поднимать корабли на новый уровень русла реки.

Электрические аккумуляторы работают с электроэнергией по этому же принципу: вначале накапливают (аккумулируют) электричество от внешнего источника заряда, а затем отдают его подключенным потребителям для совершения работы. По своей природе они относятся к химическим источникам тока, способным совершать много раз периодические циклы разряда и заряда.

Во время работы постоянно происходят химические реакции между компонентами электродных пластин с заполняющим их веществом — электролитом.

Принципиальную схему устройства аккумулятора можно представить рисунком упрощенного вида, когда в корпус сосуда вставлены две пластины из разнородных металлов с выводами для обеспечения электрических контактов. Между пластинами залит электролит.

Работа аккумулятора при разряде

Когда к электродам подключена нагрузка, например, лампочка, то создается замкнутая электрическая цепь, через которую протекает ток разряда. Он формируется движением электронов в металлических частях и анионов с катионами в электролите.

Этот процесс условно показан на схеме с никель-кадмиевой конструкцией электродов.

Здесь в качестве материала положительного электрода используют окислы никеля с добавками графита, которые повышают электрическую проводимость. Металлом отрицательного электрода работает губчатый кадмий.

Во время разряда частицы активного кислорода из окислов никеля выделяются в электролит и направляются на отрицательные пластины, где окисляют кадмий.

Работа аккумулятора при заряде

При отключенной нагрузке на клеммы пластин подается постоянное (в определенных ситуациях пульсирующее) напряжение большей величины, чем у заряжаемого аккумулятора с той же полярностью, когда плюсовые и минусовые клеммы источника и потребителя совпадают.

Зарядное устройство всегда обладает большей мощностью, которая «подавляет» оставшуюся в аккумуляторе энергию и создает электрический ток с направлением, противоположным разряду. В результате внутренние химические процессы между электродами и электролитом изменяются. Например, на банке с никель кадмиевыми пластинами положительный электрод обогащается кислородом, а отрицательный — восстанавливается до состояния чистого кадмия.

При разряде и заряде аккумулятора происходит изменение химического состава материала пластин (электродов), а электролита не меняется.

Способы соединения аккумуляторов

Величина тока разряда, которую может выдержать одна банка, зависит от многих факторов, но в первую очередь от конструкции, примененных материалов и их габаритов. Чем значительнее площадь пластин у электродов, тем больший ток они могут выдерживать.

Этот принцип используется для параллельного подключения однотипных банок у аккумуляторов при необходимости увеличения тока на нагрузку. Но для заряда такой конструкции потребуется поднимать мощность источника. Этот способ используется редко для готовых конструкций, ведь сейчас намного проще сразу приобрести необходимый аккумулятор. Но им пользуются производители кислотных АКБ, соединяя различные пластины в единые блоки.

В зависимости от применяемых материалов, между двумя электродными пластинами распространенных в быту аккумуляторов может быть выработано напряжение 1,2/1,5 или 2,0 вольта. (На самом деле этот диапазон значительно шире.) Для многих электрических приборов его явно недостаточно. Поэтому однотипные аккумуляторы подключают последовательно, причем это часто делают в едином корпусе.

Примером подобной конструкции служит широко распространенная автомобильная разработка на основе серной кислоты и свинцовых пластин-электродов.

Обычно в народе, особенно среди водителей транспорта, принято называть аккумулятором любое устройство, независимо от количества его составных элементов — банок. Однако, это не совсем правильно. Собранная из нескольких последовательно подключенных банок конструкция является уже батареей, за которой закрепилось сокращенное название «АКБ» . Ее внутреннее устройство показано на рисунке.

Любая из банок состоит из двух блоков с набором пластин для положительного и отрицательного электродов. Блоки входят друг в друга без металлического контакта с возможностью надежной гальванической связи через электролит.

При этом контактные пластины имеют дополнительную решетку и отдалены между собой разделительной пластиной — сепаратором.

Соединение пластин в блоки увеличивает их рабочую площадь, снижает общее удельное сопротивление всей конструкции, позволяет повышать мощность подключаемой нагрузки.

С внешней стороны корпуса такая АКБ имеет элементы, показанные на рисунке ниже.

Из него видно, что прочный пластмассовый корпус закрыт герметично крышкой и сверху оборудован двумя клеммами (обычно конусной формы) для подключения к электрической схеме автомобиля. На их выводах выбита маркировка полярности: «+» и «-». Как правило, для блокировки ошибок при подключении диаметр положительной клеммы немного больше, чем у отрицательной.

У обслуживаемых аккумуляторных батарей сверху каждой банки размещена заливная горловина для контроля уровня электролита или доливки дистиллированной воды при эксплуатации. В нее вворачиваются пробка, которая предохраняет внутренние полости банки от попадания загрязнений и одновременно не дает выливаться электролиту при наклонах АКБ.

Поскольку при мощном заряде возможно бурное выделение газов из электролита (а этот процесс возможен при интенсивной езде), то в пробках делаются отверстия для предотвращения повышения давления внутри банки. Через них выходят кислород и водород, а также пары электролита. Подобные ситуации, связанные с чрезмерными токами заряда, желательно избегать.

На этом же рисунке показано соединение элементов между банками и расположение пластин-электродов.

Стартерные автомобильные АКБ (свинцово-кислотные) работают по принципу двойной сульфатации. На них во время разряда/заряда происходит электрохимический процесс, сопровождающийся изменением химического состава активной массы электродов с выделением/поглощением в электролит (серную кислоту) воды.

Этим объясняется повышение удельной плотности электролита при заряде и снижение при разряде батареи. Другими словами, величина плотности позволяет оценивать электрическое состояние АКБ. Для ее замера используют специальный прибор — автомобильный ареометр.

Входящая в состав электролита кислотных батарей дистиллированная вода при отрицательной температуре переходит в твердое состояние — лед. Поэтому, чтобы автомобильные аккумуляторы не замерзали в холодное время, необходимо применять специальные меры, предусмотренные правилами эксплуатации.

Какие существуют типы аккумуляторов

Современное производство для различных целей выпускает более трех десятков разнообразных по составу электродов и электролиту изделий. Только на основе лития работает 12 известных моделей.

В качестве металла электродов могут встретиться:

Как работает батарейка: строение и состав

Батарейки являются наиболее распространенным источником питания. Современный мир не представляет себя без различной электроники, для них необходима электроэнергия. Не всегда получается применять обычные сетевые источники, для этого и нужны гальванические элементы. Глядя на них наверняка каждый задавался вопросом из чего состоит батарейка и как она работает.

Что такое батарейка

Обыкновенная батарейка представляет собой электрический источник питания на основе химических реакций. При взаимодействии двух металлических электродов в жидком или твердом электролите происходит выработка энергии в результате взаимодействия элементов. Первая батарейка была изобретена более 2000 лет тому назад, при реакции меди и железа в уксусе вырабатывалось напряжение 1 В.

Важно! Одиночные гальванические элементы не подлежат восстановлению заряда.

Разновидности

По форме и размерам согласно мировым стандартам элементы питания разделяются на такие виды:

  • АА- пальчиковая;
  • ААА- мизинчиковая;
  • АААА;
  • С- дюймовочка;
  • D- бочка;
  • квадратная;
  • РР3- крона;
  • Источники питания миниатюрных размеров.

В настоящее время существует большое количество разнообразных источников питания. Между собой они отличаются материалами, применяемыми для изготовления электродов и электролита. Среди многочисленных батареек выделяют несколько основных видов:

Солевые

Такие гальванические элементы имеют низкую стоимость относительно аналогов, однако имеется один существенный недостаток это низкая внутренняя емкость таких батареек.

Щелочные

Состав батарейки такого вида отличается от своих аналогов применяемым электролитом, в них используется активная щелочь гидроксид калия KOH. Электрод выполнен из двуокиси таких металлов, как цинк и марганец. Нашли широкое применение в современной электронике, на корпусе элементов указывается маркировка «ALKALINE».

Основным плюсом такой батарейки является продолжительный срок службы, в процессе эксплуатации номинальное напряжение понижается с меньшей скоростью. К минусам относят повышенную стоимость.

Серебряные

В качестве электролита применяют КОН, в состав электродов включено серебро. В таких элементах отмечают значительно увеличение срока службы, повышенную энергетическую плотность, постоянное номинальное напряжение, а также полную безвредность. Недостатками являются высокая цена.

Ртутные

В строении таких батареек используется цинк в качестве металла для анода, катод выполняется из ртутного оксида. Электроды разделяются сепаратором пропитанным электролитом. Такой элемент питания способен выполнять функции аккумулятора, однако емкость будет постепенно понижаться с каждым циклом восстановления заряда. При разряде происходит слипание ртути, а при заряде образуются дендриты цинка. Во время эксплуатации не допускается разгерметизация корпуса в связи с повышенной вредностью паров ртути. К преимуществам относят сохранение длительных значений плотности энергии, емкости и напряжения.

Внимание! Ртутные источники питания являются опасными для здоровья человека и окружающей среды.

Литиевые

Данные элементы питания постепенно вытесняют все аналоги. Отрицательные электроды такой батарейки сделаны из лития. В них постоянно совершенствуются основные технические характеристики. К плюсам батареек с литиевым электродом относят увеличение срока хранения, широкий диапазон рабочих температур, повышенная внутренняя емкость. Основным минусом является повышенная стоимость.

Устройство батарейки

Рассмотрим, как устроена батарейка на примере щелочного элемента в разрезе. В качестве материала для отрицательного электрода применяется цинк, он пропитывается щелочным электролитом. Вывод анода на корпус изготавливается в виде стальной тарелки. Положительный электрод производят из никелированной стали.

Для того, чтобы не возникало коротких замыканий необходимо изолировать оболочку. Специальная прокладка удерживает газы, которые образуются в ходе химических реакций, так как их количество незначительно, камера для сбора выполняется малых размеров. В конструкции присутствует предохранительная мембрана, она защищает батарейку от возникновения короткого замыкания. Мембрана прорывается, и излишний электролит вытекает наружу.

Принцип работы батарейки

Любой химический источник питания имеет в своей конструкции положительно и отрицательно заряженные электроды, а также активный электролит. Заряженные частицы электроны перемещаются от минуса к плюсу при подключении нагрузки. Катод выполняет восстановительную функцию, напитываясь зарядом от анода. Жидкий или твердый электролит выполняет функцию проводника для заряженных частиц.

Интересно знать! В результате химических реакций внутри элемента питания происходит необратимое разрушение металлических элементов питания, батарейка теряет свою емкость.

Применение

Различные виды могут применяться по-разному, зависит это от их основных конструктивных свойств и характеристик:

  • Элементы питания с твердым электролитом используют в устройствах с малым значением потребляемого тока. Например, часы фонарики с малой мощностью, а также пульты дистанционного управления.
  • Щелочные батарейки применяют в электротехнике с повышенным значением тока, к ним можно отнести различные камеры и магнитофоны, а также игрушки с электродвигателем.
  • Источники питания с серебряными электродами способны обеспечить электроэнергией в калькуляторах, переносных инструментах и аппаратах для улучшения слуха.
  • Литиевые батарейки используют в портативной электронике, где необходимо стабильное значение емкости и потребляемого тока.

Выбор источника питания

Для правильного выбора элементов питания необходимо обратить внимание на следующие факторы:

  1. В аппаратах и оборудовании какого вида он будет применяться.
  2. Электролит какого состава используется в конструкции.
  3. Стоимость батарейки, иногда более выгодно приобрести несколько дешевых, чем один очень дорогой.
  4. Каждый элемент питания на корпусе имеет маркировку, по которой можно определить вид и состав источника питания.
  5. Необходимо ориентироваться по условиям окружающей среды в процессе эксплуатации.
  6. Рекомендуется приобретать источники питания, произведенные сравнительно недавно, так как с течением времени емкость может понижаться.
  7. Перед покупкой следует обратить внимание на целостность упаковки и самого корпуса элемента.
  8. Батарейка должна конструктивно соответствовать своему посадочному месту в электроприборе.

Правильный выбор и соблюдение требований к безопасной эксплуатации позволит продлить работу любого элемента питания. Для определенных видов техники необходим свой вид батарейки.

Устройство автомобильного аккумулятора

Аккумуляторная батарея – основной элемент бытовых приборов, садовых агрегатов, автомобилей, некоторой спецтехники. Хотя для техники, отличающейся функционалом, применяются разные аккумуляторы, их принципы работы схожи, подобны они и комплектацией.

Изучение базовых элементов АКБ, особенностей их взаимодействия дает возможность избавиться от проблем, возникающих в процессе использования, во время восстановления, замены отдельных компонентов. Разобравшись в том, как устроен аккумулятор, как он функционирует, несложно поддерживать его в работоспособном виде 3–5 лет.

Для чего предназначена АКБ?

Аккумуляторная батарея, работающая в связке с генератором, представляет собой основной источник электроэнергии. Она предназначена для выполнения таких функций:

  • Быстрый запуск двигателя. В момент запуска посредством АКБ на стартер подается питание.
  • Подпитка основных элементов в тот момент, когда двигатель в автомобиле не функционирует.
  • Постоянная подача питания в тот момент, когда наступает перегрузка генератора. Такое возможно только при условии, что генератор практически вышел из строя.
  • Сглаживания скачков электрического тока, которые возникают в бортовой сети. Это способствует тому, что автомобильный аккумулятор функционирует лучше.

Принимая во внимание назначение аккумуляторной батареи, выполняя основные рекомендации, можно увеличить срок ее использования.

Просмотрите видео про устройство аккумуляторы и для чего он нужен.

Основные характеристики аккумуляторной батареи

Изучение характеристики аккумулятора дает возможность понять, в каких условиях можно эксплуатировать устройство, какие параметры нужно поддерживать.

  • Емкость стандартного автомобильного аккумулятора. Данная характеристика позволяет установить, какое количество энергии может отдать устройство. Для отслеживания данной величины можно использовать нагрузочную вилку или же иные приборы, работающие автономно. И такую проверку необходимо периодически осуществлять, чтобы понимать, в каком состоянии агрегат.
  • Пусковой ток. На все аккумуляторные батареи производители наносят этот параметр. Зная, какой ток в аккумуляторе, владельцы автомобилей поддерживают заданный показатель.
  • Электродвижущая сила. Отображает напряжение в определенный момент времени на клеммах. Для установления характеристики аккумуляторных батарей применяются мультиметры. ЭДС во многом зависит от плотности, состава электролита.
  • Уровень сопротивления. Эта характеристика зависит от температуры, величины заряда, состояния пластин и крепежных деталей. Для автомобиля технические характеристики эти не менее значимы.
  • Полярность. Автомобили комплектуются аккумуляторами, которые имеют обратную (европейские модели) или прямую (российские модели) полярность. Определить тип автомобильных источников питания несложно. Для этого нужно обратить внимание на расположение клемм.
  • Период хранения и эксплуатации. В технической документации фиксируются сроки. Для того чтобы их немного увеличить, нужно ответственно подходить к процессу использования, соблюдать правила обслуживания. От точности выполнения установленных правил зависит, в каком состоянии будут аккумуляторы и характеристики.
Каждый электрик должен знать:  Что такое электрический ток

Все вышеперечисленные характеристики аккумуляторов необходимо учитывать при подборе нового устройства.

Особенности технологического исполнения

Изучая характеристики аккумуляторов, нужно обратить внимание и на технологическое исполнение. Все АКБ разделены на такие модели:

  1. Обслуживаемые. Допускается замены банок, других элементов. Сейчас их не выпускают.
  2. Необслуживаемые. Они выделяются повышенной силой пускового тока, продолжительностью использования. Потребности в их обслуживании нет.
  3. Минимально обслуживаемые. К данному типу относят большую часть представленных на рынке источников питания. Такие устройства выделяются идеальной ценой и оптимальными для использования характеристиками.

Саморазряд АКБ

Процесс снижения емкости во время простоя источника питания называется саморазрядом. Основная причина его возникновения – окислительно-восстановительные процессы, которые протекают на электродах. Спровоцировать саморазряд может и загрязнение.

Саморазряд имеет определенные особенности:

  • Вероятность его возникновения при низкой температуре минимальна. Поэтому для хранения источника питания лучше использовать сухие и прохладные места.
  • Активность саморазряда повышается при ухудшении работы аккумулятора.

Устройство аккумулятора автомобиля

Большинство легковых автотранспортных средств оснащено свинцово-кислотными батареями. При этом устройство автомобильного аккумулятора постоянно модернизируется, совершенствуется. Изучение основных компонентов агрегата избавит от сложностей.

Основой любой АКБ является гальванический элемент, состоящих из двух электродов, отличающихся полярностью. Для подготовки электродов, включенных в состав источника питания, применены решетчатые свинцовые пластины.

Не менее важный компонент – электролит, включающий серную кислоту, дистиллированную воду. Электродный блок омывается этим составом.

Сепаратор, сосредоточенный между электродами, предназначен для предотвращения их соприкосновения. Для его подготовки использовано пористое сырье. Сепаратор не влияет на циркуляцию электролитной смеси, поэтому и параметры автомобильной акб не меняются.

Для соединения отдельных компонентов источника питания, создания выводов используются подготовленные из свинца перемычки. Их включают в устройство батареи практически все изготовители. Полярные выводы отличаются габаритами, поэтому и вероятность неправильного подключения снижается.

Корпус предназначен для создания целостной конструкции и обеспечения удобства эксплуатации аккумулятора автомобиля. Для его изготовления применяют сырье, обладающее определенными качествами:

  • Стойкость. Состояние корпуса не меняется под действием химических веществ, влаги, температуры.
  • Надежность.
  • Прочность. Корпус, как и радиаторы, выдерживает определенные нагрузки.

Компании, модернизирующие устройство аккумулятора автомобиля, пользуются полипропиленом и другими синтетическими материалами, которые обладают схожими свойствами, во время изготовления основы.

Из чего состоит корпус? В его состав включен моноблок, в котором располагаются все компоненты, а также герметичная крышка.

Устройство старой аккумуляторной батареи отличалось тем, что гальванические компоненты были дополнены пробками. Для добавления дистиллированной воды они изымались.

В современных устройствах такие действия осуществляются по-другому. Ведь устройство и принцип работы отличается.

Дополнительные элементы

В работающих источниках питания протекают химические реакции, способствующие образованию газа. Для того чтобы снизить его негативное влияние, некоторые производители оснащают батарею газоотводом. Отвод выполняется в определенную сторону. Все зависит от того, какой тип источника питания использован для комплектации авто, где он сосредоточен.

Изучая устройство автомобильного аккумулятора, проверяя его состояние, автомобилисты предотвращают появление проблем. Отслеживание состояния пластин, электролита – задача ответственных водителей.

Принцип работы аккумулятора в автомобиле

Ознакомившись со строением, необходимо изучить и принцип работы аккумулятора. Только выполнение установленных правил обеспечит продолжительную эксплуатацию.

Основные моменты

Как только к АКБ подключаются потребители, свинец, из которого изготовлены пластины, вступает в реакцию с электролитом (серной кислотой). В итоге, формируется вода, а также сульфат свинца. Из-за того, что образуется вода, электролит становится менее плотным.

При подключении кислотных аккумуляторов к источнику питания вода постепенно испаряется, а плотность электролита возрастает. Поскольку сульфат свинца растворяется не полностью, пластины окисляются постоянно.

От того, насколько большое количество энергии отдается, зависит толщина формирующегося свинцового налета. Со временем толщина налета начинает влиять на количество вырабатываемой энергии, работу автомобильной аккумуляторной батареи. Поэтому допускать разрядку не стоит.

Для зарядки применяют специальное сетевое устройство или же генератор. Второй вариант используется чаще, поскольку посредством генератора поддерживается максимальный ток разряда, приемлемая мощность. Применяя для зарядки сетевое оборудование, необходимо следить за температурными показателями, уровнем влажности, величиной тока и напряжения.

Разряд АКБ

Процесс разрядки источника питания заключается в передаче электроэнергии бортовой сети. Параллельно процент воды, присутствующий в электролите, увеличивается, а уровень серной кислоты снижается. Разряд новой аккумуляторной батареи занимает больше времени, чем разряд старой.

Заряд АКБ

Процесс зарядки автомобильной батареи – накопление определенного количества электрической энергии, которая в дальнейшем преобразуется в химическую.

Зарядка АКБ начинается с того момента, как запускается двигатель автотранспортного средства и начинает работать генератор. Современные машины оснащаются высоковольтными батареями, от которых и заряжаются аккумуляторы. И это нужно учитывать, изучая принцип действия аккумулятора.

Процесс зарядки, разрядки влияет на то, как работает автомобильный аккумулятор, насколько быстро запускается двигатель.

Правила эксплуатации автомобильного аккумулятора

Выполнение нескольких правил позволит эксплуатировать АКБ дольше.

  1. Не допускается полная разрядка аккумулятора автомобильного. Нормальная эксплуатация источника питания заключается в постоянной подзарядке. Если полной разрядки АКБ избежать не удалось, приступать к зарядке необходимо быстро. В противном случае, емкость начнет стремительно снижаться.
  2. Поступающее от генератора напряжения варьируется в диапазоне 13–14В, какой бы режим работы ни был выбран. На клеммах источника питания напряжение – 13В и выше. Уровень заряда неэксплуатируемых автоаккумуляторов не менее значим.
  3. Подключаться к источнику питания при неработающем моторе нежелательно. Это способствует быстрой разрядке автомобильного аккумулятора. К потребителям причислен климат-контроль, фары, акустика.
  4. С источника питания обязательно удаляется пыль, грязь, дабы исключить быстрый саморазряд. С клемм нужно убирать окислы, которые затрудняют процесс запуска мотора. Они способствуют снижению напряжения, появлению проблем с мощностью.
  5. Вибрация наносит вред аккумуляторной батареи. Поэтому периодически должна выполнять проверка крепежа. Минимальные смещения провоцируют нарушения, появление дефектов.
  6. Техническое обслуживание, изучение принципа работы современного автомобильного аккумулятора выполняется только при отключенной «массе».
  7. Полностью или частично разряженный аккумулятор нельзя оставлять при отрицательной температуре на улице. Ведь в состав электролита входит дистиллированная вода, которая замерзает в мороз.
  8. Ежегодно источник питания передается в сервисный центр. Здесь проводятся проверки, ремонтные работы.

Продолжительность эксплуатации щелочного, кислотного автомобильного аккумулятора зависит от:

  • Правильности выполнения внесенных в техническую документацию требований.
  • Поддержания требуемого заряда.
  • Своевременности очистки, профилактического осмотра.

Только у автомобилистов, уделяющих внимание вышеперечисленным правилам, нет никаких проблем с автоаккумуляторами в течение установленного изготовителями срока. Ведь они соблюдают рекомендации, проходят ежегодный техосмотр, проверяют источник питания.

Интересное видео по устройству аккумулятора

guarblog.ru

Во-первых, это емкость, выраженная в ампер-часах. Она характеризует способность аккумулятора давать определенный ток в течение определенного времени. Например, ёмкость 40 ампер-час означает, что аккумулятор может давать ток в 1 ампер в течение 40 часов (или в 2 ампера в течение 20 часов и т.д.)

В-третьих, — резервная емкость. Этот параметр, особенно почитаемый в Америке, показывает интервал времени (в минутах), в течение которого аккумулятор способен давать ток 25 А (т.е. в течение какого времени он сможет подменять собой вышедший из строя генератор).

Стандартный автомобильный аккумулятор состоит из шести 2-вольтовых элементов, что дает на выходе 12 вольт. Каждый элемент состоит из свинцовых решетчатых пластин, покрытых активным веществом и погруженных в электролит. Отрицательные пластины покрыты мелкопористым свинцом, а положительные двуокисью свинца. Когда к аккумулятору подключают нагрузку, активное вещество вступает в химическую реакцию с сернокислотным электролитом, вырабатывая электрический ток. На пластинах при этом осаждается сульфат свинца, и электролит, соответственно, истощается. При зарядке эта реакция проходит в обратном направлении, и способность аккумулятора давать ток восстанавливается.

Автомобильный аккумулятор выполняет три функции:

во-первых, он запускает двигатель;

во-вторых, питает некоторые электрические устройства, например, сигнализацию и телефон, когда двигатель не работает.

в-третьих, он «помогает» генератору, когда тот не справляется с нагрузкой.

Холостой режим аккумулятора

Простаивание автомобиля зимой в «пробках» — настоящая проблема для аккумулятора. Работающие одновременно вентилятор, фары, обогреватель заднего окна и стеклоочистители способны забрать больше тока, чем производит генератор. За 45 минут такой работы средний аккумулятор может истощиться настолько, что повторный запуск выключенного двигателя окажется уже невозможным. Для восстановления потребуется не меньше 30 минут нормальной езды, прежде чем можно будет снова остановиться.

Отчего они выходят из строя? Вообще то, в самом аккумуляторе ломаться особенно нечему. Во всяком случае, причина большинства неисправностей неисправностей связана не с собственными его дефектами, а с наличием дополнительного оборудования, например, оставленных включенными габаритов, сигнализации и телефона, тока утечки, что не редкость на не новом автомобиле. Эти устройства особенно любят преподносить «сюрпризы» во время длительных стоянок автомобиля, например, в аэропортах.

Производители автомобилей в целях экономии ставят «слабый» аккумулятор, какой только можно, поэтому любая дополнительная электрическая нагрузка может привести к неисправности.

Сам аккумулятор в процессе службы, конечно, изнашивается и, в конце концов, выходит из строя. Это происходит вследствие коррозии пластин, обеднения их активного покрытия и истощения электролита. Тому способствует повышенная температура, так что чаще всего повреждения происходят летом, а с первым морозцем начинается «веселая жизнь». Обычно срок службы батареи составляет около четырех лет, но в большой степени зависит от режима эксплуатации.

Однако, если ваш аккумулятор вдруг начал барахлить, не спишите его выбрасывать. Наш опыт показывает, что огромное количество автомобильных аккумуляторов, считавшихся неисправными, были просто-напросто разряжены. Попробуйте зарядить разряженный аккумулятор, причем как можно скорее. Чем дольше аккумулятор остается незаряженым, тем сильнее сульфатация пластин, и тем проблематичнее будет его восстановление.

Аккумулятор требует заботы

Многие владельцы автомобилей бывают искренне удивлены, когда узнают, что аккумулятор тоже требует «техобслуживания». Это прискорбно, потому что капелька заботы и внимания могут сберечь кучу времени и денег.

Уход за аккумулятором чрезвычайно прост и практически сводится лишь к регулярным проверкам уровня электролита. Низкий уровень может свидетельствовать об излишней зарядке, что обычно вызвано неисправностью генератора. Если же электролита недостает только в одном из элементов, то выход из строя всего аккумулятора уже не за горами. В теплую погоду он еще кое-как поработает, но первые же холода его прикончат.

Несколько лет назад в большом ходу были «аккумуляторы, не требующие ухода», что конструктивно сводилось к глухой герметизации верхней крышки. Со временем мода эта прошла, поскольку, в случае, если, по каким-то причинам, потеря электролита все же происходила, долить его уже было нельзя.

Доливая аккумулятор, помните об одной особенности. Во время зарядки уровень электролита несколько повышается, поэтому доливать следует с учетом этого эффекта. А что может сотворить кислота, попавшая на корпус батареи или на детали кузова, мы все прекрасно знаем.

Помните, что опасность возгорания кислорода и водорода, выделяющихся во время зарядки (а также после ее завершения),вполне реальна. Хотя большинство серьезных производителей оборудуют крышки аккумуляторов ограничителями пламени, призванными предотвратить его попадание внутрь аккумулятора, подобная вероятность по-прежнему сохраняется- как говорится, береженого Бог бережет. Помните также, что искра возникает не только при отсоединении клеммы. Статического электричества от синтетической одежды может оказаться достаточно, чтобы вызвать взрыв.

Взрыв аккумулятора можно сравнить по мощности с выстрелом из ружья калибра 12 мм. Результат представляет собой жуткое зрелище, и происходит это чаще, чем вы можете себе представить. Например, в осторожной Америке в год бывает более десяти тысяч подобных случаев.

При том, что взрыв, вероятно, не будет смертельным, он может серьезно травмировать вас, особенно лицо, так как осколки пластика разлетаются во все стороны. Поэтому всегда следует быть в защитных очках.

Следующий момент, на который следует обратить внимание,- вибрация. После высокой температуры и электрической перегрузки, это — основная причина износа батарей. Механизм данного воздействия прост: любая «болтанка» постепенно стряхивает активное вещество с пластин. Поэтому проследите, чтобы аккумулятор был прочно закреплен.

И, наконец, проверьте клеммы. Они должны быть чистыми и хорошо затянутыми во избежание искрения. Некоторые смазывают клеммы густой смазкой, другие считают, что это только способствует накоплению грязи, так что выбор за вами.

Аккумулятор, безнадёжно «севший» однажды морозным утром в понедельник,- вот нередкая причина крушения стольких блестящих служебных карьер.

Так что же делать?

Можно попытаться завести машину несколькими способами: «прикурить» от аккумулятора другого автомобиля(что может оказаться проблематичным при современном уровне «накручености» электроники); толкнуть машину или потянуть на буксире (но не при наличии каталитического нейтрализатора); пойти купить новую батарею.

Последний способ особенно плох, ибо в подавляющем большинстве случаев «севший» аккумулятор можно восстановить.

При правильной зарядке он в большинстве случаев восстанавливается до исходного состояния и продолжает и дальше жить и бороться.

Прошли времена, когда аккумулятор просто подключали к и оставляли на ночь. Зарядку аккумулятора нужно производить с определенной «скоростью»,иначе вас ждут разные неприятности.

В идеале зарядный ток для обычной свинцово-кислотной батареи должен составлять 10% от ее ампер-часовой характеристики. Например, полностью разрядившийся аккумулятор ёмкостью 50 ампер-часов следует заряжать при силе тока 5 ампер в течение десяти часов. Зарядка должна проходить со снятыми крышками.

И хочется быстрее, да нельзя. Это может привести к перегреву, а то и к закипанию электролита. Могут покоробиться и пластины, тогда аккумулятору — конец. Если же ваш аккумулятор герметичный, «не требующий ухода»,то его приходится заряжать еще медленнее — не более 2.5% от ампер-часовой характеристики.

Так, в том же примере полностью разрядившийся герметичный аккумулятор на 50 ампер-часов требует тока зарядки 1,25 ампер в течении 40 часов. Для частично разрядившихся аккумуляторов это время будет, конечно, меньше.

Большинство зарядных устройств снабжено регулятором зарядного тока. Особенно удобно, если есть режим » снижающейся зарядки». В этом случае по мере заряжения аккумулятора зарядный ток автоматически уменьшается, что позволяет предотвратить возможный перезаряд.

Общее правило здесь — чем медленнее заряжаешь, тем лучше.

Однако, не держите аккумулятор под зарядкой слишком долго. Относительно определения момента, когда следует процесс закончить, мнения расходятся. Некоторые вычисляют необходимое для зарядки время и по его прошествии выключают устройство, другие ждут, пока все элементы не начнут пузыриться, и выключают только тогда.

Некоторые более мощные оборудованы функцией быстрой зарядки. Ее следует использовать только при чрезвычайных обстоятельствах, когда нужно завести как можно скорее. В этом режиме повышенный ток зарядки подается определенного промежутка времени, после чего устройство само отключается. Жизнь аккумулятора это все равно сокращает.

Электрическим аккумулятором называют . Химические процессы внутри аккумулятора, в отличие от оных в одноразовых гальванических элементах, таких как щелочные или солевые батарейки, обратимы. Циклы заряда-разряда, накопления и отдачи электрической энергии, могут многократно повторяться.

Так, сам принцип действия аккумулятора позволяет циклически использовать его для автономного электроснабжения разнообразных устройств, портативных приборов, транспортных средств, медицинского оборудования и т. д. в совершенно различных сферах.

Произнося слово «аккумулятор», имеют ввиду или сам аккумулятор или аккумуляторную ячейку. Несколько последовательно или параллельно соединенных друг с другом аккумуляторных ячеек образуют аккумуляторную батарею, как и несколько соединенных аккумуляторов.

Первый аккумулятор, то есть гальванический элемент многоразового использования, появился, по официальным данным, в 1803 году. Его создал немецкий физик и химик Иоганн Вильгельм Риттер. Друг Эрстеда, Риттер, не будучи ученым, изучал химическое действие света, проводил эксперименты с электролизом, ему, кстати, принадлежит открытие ультрафиолетовой части электромагнитного спектра.

Однажды экспериментируя с вольтовым столбом, Риттер взял пятьдесят кружков из меди, куски влажного сукна, и составил столб из пятидесяти таких кружков и влажного сукна между ними. Пропустив через конструкцию ток от вольтова столба, Риттер обнаружил, что его столб зарядился и сам стал источником электричества. Это и был первый аккумулятор.

Обратимость химической реакции в электролите и на электродах аккумулятора позволяет восстанавливать работоспособность аккумулятора — заряжать его после разряда. Ток в процессе заряда пропускается через аккумулятор в направлении, противоположном разряду.

Так например, свинцово-кислотный аккумулятор работает благодаря электрохимическим реакциям свинца и диоксида свинца в серной кислоте. Формулы ниже отражают обратимые реакции, протекающие на аноде и на катоде: слева направо — реакция при разряде, справа налево — заряд.

Рассмотрим теперь устройство аккумулятора на примере автомобильной стартерной батареи. Ее напряжение 12 вольт. Состоит батарея из шести соединенных последовательно гальванических элементов, разделенных перегородками.

Последовательное соединение в данном случае обозначает, что отрицательный вывод одной ячейки подключен к положительному выводу следующей ячейки.

Каждый элемент включает в себя пару решетчатых электродов из свинцово-сурьмянистого сплава, погруженных в электролит, представляющий собой 38% водный раствор серной кислоты. Пористый сепаратор изолирует электроды друг от друга, предотвращая замыкания между ними, но свободно пропускает через себя электролит. То есть жидкость заполняет как ячейки свинцовых пластин, так и поры сепараторов.

Одноименные пластины соединены между собой свинцовыми перемычками, как и разделенные перегородками пакеты пластин, составляющие отдельные элементы, и выводы аккумулятора — тоже изготовлены из свинца.

Выводы автомобильного аккумулятора всегда немного отличаются в размере друг от друга — плюсовая клемма больше в диаметре чем минусовая, чтобы не ошибиться при подключении.

Корпус аккумулятора изготавливается из диэлектрического материала устойчивого к агрессивным средам, к перепадам температур и к вибрациям. Сегодня корпусы стартерных АКБ делают из полипропилена.

Корпус представляет собой герметично закрытую емкость с крышкой, оснащенную отбортовками для прочного крепления. В корпусах старых аккумуляторов всегда предусматривались пробки над каждым из гальванических элементов, составляющих батарею, чтобы можно было при необходимости доливать в них дистиллированную воду. Современные необслуживаемые аккумуляторы пробок на корпусах не имеют.

Аккумулятор — это важнейшая деталь машины, поэтому поддержание батареи в исправном состоянии будет являться залогом эффективного запуска двигателя, а также бесперебойной работы бортовых потребителей электричества. Чтобы правильно эксплуатировать АКБ необходимо ознакомиться с основными принципами работы этого устройства. В этой статье будут подробно рассказано, как устроен автомобильный аккумулятор.

Из чего состоит аккумулятор

Автомобильный элемент питания собирается на заводе из многих элементов, поэтому для понимания принципа работы источника электрического тока необходимо знать назначение каждого компонента. Аккумуляторная батарея состоит из следующих частей.

Корпус. Современная АКБ изготавливается из ударопрочного полипропилена. Этот материал хорошо переносит не только повышенные механические нагрузки и вибрации, но и устойчив к воздействую кислоты, которая в виде раствора заполняет внутренние полости батареи. Кроме этого полипропилен устойчив к большим перепадам температуры. Корпус АКБ разделён на 6 герметически отделённых между собой секций, в которые, в процессе изготовления батареи, устанавливаются свинцовые электроды и сепараторы.

Сепараторы. Сепараторы устанавливаются между электродами и служат диэлектриками, которые надёжно предохраняет элементы батареи от короткого замыкания. Эти элементы также изготавливаются из кислотоустойчивого полимера, который не разрушается при воздействии агрессивной среды в течение всего времени эксплуатации АКБ.

Электроды. В большинстве выпускаемых аккумуляторных батарей используются свинцовые пластины с различными примесями, в ячейках которых находится масса, состоящая из свинцового порошка и серной кислоты. Пластины современных аккумуляторов могут быть изготовлены из свинца легированного кальцием, что позволяет значительно увеличить ресурс батареи.

Электролит. Электролит представляет собой раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Эта жидкость необходима для того, чтобы электрический ток свободно протекал от отрицательных электродов к положительным. В дорогих батареях вместо жидкого электролита он может быть запечатанным использован гель. Благодаря этим качествам гелевые аккумуляторы выпускаются в виде полностью необслуживаемых изделий.

Клеммы. У всех батарей имеются клеммы, они могут быть разных типов стандартные (европейские), ASIA (тонкие конусы для азиатских автомобилей) и винтовые (для американских автомобилей). Изредка можно встреть батареи с четырьмя клеммами на корпусе.

  • У необслуживаемых батарей вместо стандартных шести пробок по бокам имеются 2 клапана сброса давления (в случае закипания электролита через них будет сбрасываться газ).
  • Некоторые аккумуляторы оснащены «глазком», с помощью которого можно легко определить степень заряженности и уровень электролита.

Как устроен аккумулятор

Аккумуляторная батарея устроена таким образом, чтобы в результате подачи на её клеммы постоянного тока происходило эффективное накапливание электрической энергии. Автомобильная АКБ состоит из 6 изолированных друг от друга ёмкостей, в которых находятся отрицательные и положительные пластины, отделённые между собой сепараторами.

Каждая такая банка позволяет аккумулировать электрический ток напряжением до 2,1 В. Для получения стандартного напряжения бортовой сети автомобиля, применяется схема последовательного подключения таких электрических элементов. Немаловажной особенностью современных кислотных аккумуляторов является полная герметизация корпуса изделия. Несмотря на невозможность обслуживания устройств накопления электроэнергии этого типа, их функциональность и безопасность использования находится на более высоком уровне по сравнению с изделиями с пробками.

Принцип работы аккумулятора

Автомобильный свинцовый аккумулятор представляет собой восстанавливаемый химический элемент питания, в котором образование электричества происходит в результате реакции между двуокисью свинца, губчатым свинцом и раствором серной кислоты.

При подаче постоянного тока на клеммы аккумулятора на отрицательных пластинах образуется чистый свинец, а на положительных – диоксид свинца. При подключении батареи к различным устройствам и агрегатам, потребляющим электроэнергию, происходит обратный процесс, при котором на отрицательных электродах образуется сульфат свинца, а из электролита высвобождается чистая вода.

В зависимости от типа аккумуляторной батареи такая последовательность может повторяться тысячи раз, прежде чем произойдёт сульфатация или разрушение пластин.

Особенности конструкций

Аккумуляторные батареи могут существенно отличаться друг от друга. К особенностям конструкции АКБ можно отнести:

  1. Размер аккумулятора.
  2. Состав металлического сплава пластин.
  3. Вид электролита.
  4. Расположение электрических выводов на корпусе.

От размера пластин и количества электролита в каждой банке будет зависеть ёмкость АКБ, поэтому изделия, устанавливаемые для запуска дизельных установок грузовых автомобилей, могут в несколько раз превышать по массе и объёму батареи для легковых авто.

От вида свинцового сплава будет зависеть внутреннее электрическое сопротивление батареи и устойчивость элемента к воздействию агрессивной среды. Также состав металла будет влиять на интенсивность испарения влаги, поэтому для необслуживаемых моделей пластины изготавливаются из легированного кальцием свинца.

От вида электролита, применяемого в банках аккумулятора, также зависит большое количество параметров батареи. Жидкий раствор замерзает при низких температурах воздуха, а при кипении приводит к испарению воды, поэтому замена его на гель позволяет существенно увеличить ресурс изделий. Гелевые аккумуляторы значительно лучше переносят глубокий разряд, что позволяет использовать их не только в качестве пусковых устройств, но и для питания силовых электрических установок.

Аккумуляторы могут отличаться и по расположению клемм на корпусе. Этот параметр следует обязательно учитывать при подборе новой АКБ, иначе потребуется удлинять плюсовой провод автомобиля, подключаемый к источнику питания.

Аккумуляторная батарея предназначена для питания током потребителей до пуска двигателя и для пуска двигателя. На погрузчиках применяются кислотные аккумуляторные батареи. Аккумуляторная батарея состоит из нескольких аккумуляторов соединённых последовательно. Аккумулятор – это химический возобновляемый источник электрической энергии. Действие аккумулятора основано на последовательном превращении электрической энергии в химическую (зарядка) и обратно – химической энергии в электрическую (разрядка).

Аккумуляторная батарея состоит из бака 4, разделённого внутри перегородками на отделения. В каждом из них (банке) помещается один аккумулятор. Бак изготавливают из кислостойкой пластмассы или эбонита. Он имеет на дне рёбра 3, на которые опираются пластины. В каждую банку помещён набор положительных 2 и отрицательных 1 пластин.

Пластины аккумулятора изготавливают в виде решёток, заполненных активной массой – порошкообразным свинцом. Для увеличения запаса энергии число парных пластин увеличивают. Количество электричества, которое отдаёт полностью заряженный аккумулятор при непрерывном разряде постоянной силой тока до определённого конечного напряжения, называют ёмкостью аккумулятора. Ёмкость аккумулятора измеряют в ампер-часах.

Положительные пластины соединены с полюсным штырём, имеющий знак «+», а отрицательные – с полюсным штырём со знаком «-». Положительная пластина расположена между отрицательными пластинами, поэтому отрицательных пластин на одну больше, чем положительных. Пластины разделены пористыми перегородками – сепараторами 9. они изготовлены из микропористой пластмассы или стекловолокна. Сепараторы предотвращают короткое замыкание пластин и свободно пропускают электролит. Банку закрывают крышкой 6, в которой предусмотрено отверстие для заполнения банки электролитом.

Заливное отверстие закрывается пробкой 5. В пробке расположено вентиляционное отверстие, сообщающее полость аккумулятора с атмосферой, что необходимо для выхода газов, выделяющихся при химических реакциях.

На аккумуляторе указывают марку. Например: 6 СТ – 50 ЭМ. Её расшифровывают следующим образом:

6 – число последовательно соединённых аккумуляторов;

СТ – батарея стартерная;

50 – номинальная ёмкость батареи в ампер-часах при 20-часовом разрядном токе 2,5 А;

Э – материал бака – эбонит;

М – материал сепараторов – микропористая пластмасса;

Электролит изготавливают из серной кислоты H 2 SO 4 и дистиллированной воды. Соотношение кислоты и воды в электролите определяют по его плотности. Плотность измеряют денсиметром (ареометром). Плотность электролита для нашего региона должна быть 1,27 – 1,28 г/см 3 . Уровень электролита в аккумуляторе должен быть на 10-15мм выше уровня пластин.

Во время эксплуатации аккумуляторной батареи необходимо:

Контролировать уровень электролита;

Следить затем, чтобы наконечники проводов были надёжно закреплены и имели хороший контакт;

В случае окисления клемм и наконечников проводов необходимо провода отсоединить, клеммы и наконечники проводов зачистить, затем поставить на место, создав хороший контакт и смазать техническим вазелином;

Следить затем, чтобы поверхность аккумулятора была чистой и сухой (пыль электропроводна, может протекать ток утечки, и АКБ будет разряжаться).

В основу работы такого распространённого устройства, как автомобильный аккумулятор (АКБ), заложен химический эффект «двойной сульфатации», который был открыт ещё в 19 веке. С тех пор появилось множество различных модификаций и типов таких изделий, однако суть их функционирования и устройство аккумулятора остаются всё теми же, а изменился лишь внешний вид.

Единственное, что удалось достичь инженерам за эти годы, – повысить эффективность протекающих при сульфатации химических реакций и сократить непроизводительные расходы на изготовление аккумуляторной продукции.

Назначение АКБ

Прежде чем рассмотреть, как работает аккумулятор, имеет смысл ознакомиться с основными функциями, которые он выполняет в автомобиле. Свинцово-кислотные АКБ, устанавливаемые в современную машину, имеют сразу несколько назначений, основными из которых являются:

  • «Прокрутка» стартёра при пуске двигателя;
  • Электропитание всего бортового оборудования;
  • Возможность подключения дополнительных потребителей (магнитолы, фонаря, нетбука и т. п.).

Важно! В последних двух случаях основное назначение аккумуляторной батареи – выполнять функцию своеобразного буфера, обеспечивающего подкачку энергии в дополнение к основному её источнику – встроенному генератору.

Такой режим необходим при недостаточных оборотах двигателя, характерных для медленной езды или остановки в пробках, когда генератор работает не на полную мощность, а потребители нуждаются в дополнительной подпитке.

Особую роль принимает на себя этот элемент в критических ситуациях, связанных с обстоятельствами из разряда «форс-мажорных». Это поломка электрогенератора или же одного из управляющих элементов, работающих в цепи бортового питания (регулятора напряжения, выпрямителя и т. д.). К этой же категории неполадок с автомобилем следует отнести обрыв приводного ремня генератора.

При рассмотрении конструкции кислотной АКБ в ней можно выделить следующие важнейшие составляющие:

  • Пластиковый корпус в виде прямоугольной ёмкости, изготовленный из специального материала (он должен быть устойчив к кислотам и щелочам, то есть инертен);
  • Несколько модулей, нередко называемых банками, расположение которых предусмотрено в общем корпусе;

Дополнительная информация. Каждая из таких банок – полноценный источник тока, который при объединении с другими образует батарею питающих элементов на соответствующее напряжение.

  • Каждая банка (элемент) состоит, в свою очередь, из нескольких соединённых последовательно ячеек, разделенных диэлектрическими пластинами. Эти ячейки изготавливаются на основе свинца и его диоксида, образуя анодные и катодные части сепаратора (отрицательные и положительные полюса сборок). Они также представляют собой отдельные источники тока, соединяемые в пары; их емкость за счёт образования параллельных цепочек кратно увеличивается.

Помимо указанных составляющих, в комплект аккумуляторной батареи входят межэлементные перемычки и ручка для удобства переноски изделия.

Все рассмотренные выше компоненты АКБ (пакеты) заливаются раствором очищенной серной кислоты, разбавленной до нужной концентрации посредством дистиллированной воды. Общее представление о составе типового аккумулятора можно получить, ознакомившись с размещённым ниже рисунком.

Принцип работы

Принцип работы аккумулятора состоит в следующем:

  • После заливки во внутренние банки электролита в результате бурной химической реакции на катодных пластинах происходит оседание сульфата свинца;
  • Этот процесс сопровождается выделением большого количества химической энергии, которая в жидкой среде (за счёт электролиза) преобразуются в электрический ток;
  • По мере расхода энергии в процессе эксплуатации АКБ плотность электролитического состава постепенно падает, что приводит к существенному снижению его концентрации. Для восстановления работоспособности «подсевшего» аккумулятора требуется его зарядка, осуществляемая от мощного зарядного устройства.

При подаче на клеммы АКБ напряжения 12 Вольт (при его подзарядке) наблюдается процесс, обратный его разрядке. При этом свинцовая составляющая полностью восстанавливается до исходного состояния с одновременным повышением концентрации (плотности) электролита. Таким образом, можно сказать, что принцип действия аккумулятора состоит в протекании химических реакций в искусственно созданных условиях аккумуляторной батареи.

Поддержание рабочего режима (правила подзарядки)

«Штатная» подзарядка свинцово-кислотного АКБ осуществляется от электрогенератора во время передвижения транспортного средства. При интенсивном расходе мощности батареи она нуждается в дополнительном восстановлении, производимом в стационарных условиях (в гараже или непосредственно в доме).

Для такой подзарядки потребуется специальное устройство, получившее название «зарядное». Его электрическая схема имеется в любой литературе, посвящённой обслуживанию автомобильных батарей (смотрите фото ниже).

Важно! Особенно востребован такой прибор при зимней эксплуатации автомобиля, то есть в условиях, когда способность охлаждённой батареи к зарядке резко понижается.

Одновременно с этим потребление электроэнергии, затрачиваемой на раскрутку холодного двигателя, резко возрастает. В связи с этим специалисты советуют заряжать АКБ в теплых условиях после его предварительного обогрева.

Также не рекомендуется допускать полной разрядки батарей и нахождения их в этом состоянии длительное время. Исключением являются ситуации, когда аккумулятор искусственно переводится в состояние консервации и заливается на зиму дистиллированным раствором (но и в этом случае нужно подзаряжать его хотя бы раз в месяц).

Расположение АКБ в пределах подкапотного пространства гарантирует удобство его обслуживания, заключающегося в проверке плотности электролитического состава. Для её систематического контроля применяются специальные приборы, называемые ареометрами. С их помощью удаётся измерить плотность электролита при одновременной проверке напряжения АКБ в режиме рабочей нагрузки.

Комплексный поход к измерению основных параметров кислотных батарей позволяет заранее определиться со всеми слабыми местами эксплуатируемого изделия и предпринять какие-то меры по их устранению.

Щелочные батареи

Конструкция

Устройство щелочных батарей аналогично рассмотренным ранее кислотным изделиям. Но их зарядные пластины изготавливаются на основе других химических компонентов, а электролитическим составом служит доведённый до нужной плотности едкий калий.

Ещё одно отличие наблюдается в таких важных деталях, как конструкция корпуса для батарей, расположение выводов клеммных контактов, а также наличие своеобразной «рубашки» вокруг каждой аккумуляторной пластины.

«Отрицательные» пластины такого аккумулятора изготавливаются из кадмия с примесью железа, а положительные полюса – из гидроокиси никеля с добавлением графита, улучшающим электропроводность катода. Между собой такие пластины соединены попарно в банки, которые также объединяются в параллельные блоки.

При зарядке аккумулятора щелочного типа происходят химические превращения, сопровождающиеся выделением большого количества энергии, трансформируемой в электрическую форму.

Достоинства и недостатки

К достоинствам изделий из класса щелочных следует отнести:

  • Повышенная устойчивость к деформациям и механическим воздействиям, включая тряску и удары;
  • Большие, чем у кислотных аналогов разрядные токи;
  • Отсутствие вредных для человека газовых выделений;
  • Меньшие габариты и удобство переноски с места на место;
  • Высокий эксплуатационный ресурс (они прослужат в разы дольше, чем кислотные изделия);
  • Не критичность к зарядным процессам (к явлениям недостаточного заряда или перезарядки).

Последнее преимущество можно дополнить тем, что по достижении максимального уровня зарядки и продолжении этого процесса ничего опасного с аккумулятором произойти не может. В этом случае происходит разложение воды на свои естественные компоненты и понижение уровня залитого раствора (электролита), что в принципе не несёт никакой угрозы и компенсируется простой доливкой дистиллированной воды.

Единственный недостаток аккумуляторов этого типа – их сравнительно высокая стоимость.

Подводя итог всему сказанному, отметим, что понимание того, как устроен АКБ, и в чём состоит принцип его работы, позволит пользователю существенно продлить срок эксплуатации этого важного автомобильного атрибута. При таком подходе к использованию АКБ многим любителям удаётся не только сэкономить на его обслуживании, но и получить определённые «дивиденды» в виде безопасной и комфортной езды.

Как устроен аккумулятор телефона и принцип его работы

Ушли в прошлое времена, когда аккумуляторные батареи для сотовых телефонов собирали аналогично автомобильным, только в миниатюре. Лишь 20 лет назад аккумулятор сотового телефона был устроен из частей как бы повторяющих весь комплекс устройств большего собрата. На рисунке показан разрез одного из таких элементов.

Как устроен аккумулятор телефона и принцип его работы

Наука и практика совместными усилиями продвигает технический прогресс. В 1991 году появились литий-ионные аккумуляторы, в которых катодный материал электродов наносится на алюминиевую фольгу, анодный — на медную.

Ионы лития, под воздействием электрического тока, внедряются в кристаллическую решетку графита и образуют с молекулами углерода химические связи. При разрыве этих связей высвобождается энергия, превращающаяся на полюсах батареи в электрический ток.

В последние годы появились литий-полимерные аккумуляторы.

На схеме видно как просто устроен такой аккумулятор для сотового телефона.

Банки аккумулятора телефона

Банки аккумулятора – это мягкие пластиковые пакеты, заполненные раствором лития в полимере, по консистенции похожим на сметану. Для контроля за состоянием батареи к банкам подключен контроллер. Он устроен в виде электронной платы и может ограничивать подключение зарядного устройства, не соответствующего по параметрам, и аккумулятор сотового телефона заряжаться не будет, как бы мы ни старались. Вместо обычных 2 контактов для соединения с платой сотового телефона в устройстве аккумулятора применяется коннектор – многополюсное соединение.

Каждый электрик должен знать:  Формулы и уравнения с комплексными числами

Как устроен аккумулятор телефона и принцип его работы

Процесс накапливания и отдачи энергии таких источников постоянного тока аналогичен литий-ионным аккумуляторам, но их производство гораздо дешевле, хотя по некоторым характеристикам они проигрывают своим предшественникам.

Основные предосторожности, которые нужно соблюдать при использовании малогабаритных телефонных аккумуляторов, ничем не отличаются от эксплуатационных мер безопасности кислотных или щелочных источников постоянного тока, устанавливаемых на автомобилях. Заряд повышенным напряжением, приводящим к перегреву или короткое замыкание банок аккумулятора может привести к пожару. А от маленькой искры, как известно, разгорается большое пламя.

Именно поэтому на каждом аккумуляторе установлен контроллер батареи, отключающий зарядку при достижении определенного значения и выключающий телефон, когда разрядка доходит до критической черты.

itpress

Олег Скрипкин

Пожалуй, самым распространенным сегодня нестационарным источником питания является электрический аккумулятор. Ведь аккумуляторы бывают не только электрические, но и гидравлические, пневматические, механические (например, пружина механических часов). Электроаккумуляторы обладают оптимальными характеристиками по сравнению с другими видами накопителей энергии — они легче и компактнее, без движущихся частей, дольше сохраняют энергию без потерь, у них достаточно высокий коэффициент полезного действия. Поэтому они нашли применение в различных электроприборах и аппаратуре. Как основной источник питания аккумулятор применяется в портативных компьютерах, мобильных и радиотелефонах, фото- и видеокамерах; как резервный — в источниках бесперебойного питания, а также в большинстве устройств, обладающих CMOS-памятью. Это и BIOS твоего компьютера, и настройки каналов твоего телевизора и видеомагнитофона. И даже в мобильном телефоне есть второй маленький аккумулятор, который сохраняет его настройки при снятой основной батарее. Но в процессе работы, особенно при неправильной эксплуатации, аккумулятор может потерять свои свойства. Как восстановить аккумулятор, мы расскажем в этой статье.

Принцип действия аккумулятора

Аккумулятор (от лат. accumulatio — накопление) — устройство накопления энергии для ее последующего использования. Электрический аккумулятор (дальше – просто «аккумулятор») накапливает энергию за счет обратимого химического процесса — преобразует при зарядке электрическую энергию в химическую, а затем по мере надобности отдает ее потребителю. Аккумуляторная батарея является набором последовательно соединенных аккумуляторов и может дополнительно снабжаться встроенными логическими элементами, термодатчиками и предохранителями, которые позволяют контролировать процесс зарядки.

Основные принципы действия химических источников электрического тока были открыты еще в конце 18 века, и все современные аккумуляторы изготовлены на их основе, а конструкция с того времени практически не изменилась – появились лишь новые материалы и технологии, позволившие уменьшить размеры и повысить емкость батарей.

Если в электролит (растворы кислот, щелочей или солей, а также расплавы солей, в которых присутствуют свободные ионы — части молекул с положительным или отрицательным зарядом) погрузить два электрода из разных материалов (с разным химическим потенциалом), то на них начнется осаждение заряженных ионов. При этом на аноде — электроде с отрицательным химическим потенциалом (например, графитовом стержне) — будут осаждаться положительные ионы (катионы), и он станет положительным полюсом аккумулятора. Соответственно на втором электроде — катоде (например, цинковой банке) — осядут отрицательные ионы (анионы), и он станет отрицательным полюсом. Этот электрохимический окислительно-восстановительный процесс назван «гальваническим» (в честь Луиджи Гальвани — итальянского ученого, открывшего возникновение разности потенциалов при контакте металла с электролитом). На этом принципе основана работа гальванических элементов питания — как одноразовых (элементов «первого рода», элементов Лекланше), так и перезаряжаемых (элементов «второго рода» — аккумуляторов), а также топливных элементов, в которых электролит для реакции подается непрерывно.

Перезарядка

Перезарядка аккумуляторов возможна за счет обратимости химических процессов при пропускании электрического тока. При этом происходит процесс восстановления материала электродов и насыщение электролита (возврат осевших на электродах ионов в раствор). Так как химические процессы окисления-восстановления являются достаточно медленными и сопровождаются выделением тепла (аккумуляторы при зарядке и быстрой разрядке греются, кислотные могут закипеть, а литиевые — даже взорваться), то зарядка является достаточно длительным процессом (8-16 часов). Естественно, и отдать энергию сразу аккумуляторы не способны. В этом их отличие от конденсаторов, которые не являются гальваническими элементами — они только накапливают заряд на поверхности обкладок, намного меньший, чем может хранить электролит в том же объеме, но зато могут и отдать весь заряд практически мгновенно.

Виды аккумуляторов

Наиболее распространенными аккумуляторами являются кислотные (например, автомобильные) и «сухие» (для портативных компьютеров, сотовых телефонов и т.п.), где электролит либо загерметизирован или связан твердым материалом, либо находится в гелеобразном состоянии. Среди бытовых аккумуляторных элементов сегодня наиболее распространены три вида: никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металлгидридные (Ni-MH) и литий-ионные (Li-Ion).

Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют никелевый анод и кадмиевый катод, рабочее напряжение 1.2 В. Несмотря на невысокую емкость Ni-Cd элементов (порядка 0.5-1 Ач для элементов формата АА – «пальчиковые батарейки»), они имеют свои преимущества. Они обладают низким внутренним сопротивлением, потому способны подавать на выход достаточно сильный ток без падения напряжения до полной разрядки, обеспечивают большое число циклов зарядки/разрядки (500-1000). Но применение кадмия в процессе электролиза вызывает выделение водорода, который может привести к взрыву. Для предотвращения разрушения корпуса аккумулятора в нем делают вентиляционные отверстия, через которые выходят излишки водорода. По этой причине нельзя герметично закрывать эти элементы, а корпуса батарей необходимо делать с отверстиями. Кроме того, кадмий является токсичным веществом, и должен быть переработан после утилизации. Никель-кадмиевые аккумуляторы характеризуются саморазрядом в пределах 10% в первые сутки после зарядки и примерно по 10% каждый месяц. Саморазряд является следствием химической реакции, протекающей в аккумуляторе даже при отсутствии нагрузки.

Эффект «памяти» аккумуляторов

Основная проблема Ni-Cd аккумуляторов — это эффект «памяти» уровня заряда: если такой элемент разрядить не полностью, то на аноде образуются кристаллы кадмия, уменьшающие полезную емкость батареи. При достижении того же «неполного» уровня при следующей разрядке напряжение упадет точно так же, как если бы аккумулятор был полностью разряжен. Для восстановления первоначальной емкости необходимо проводить «раскачивание», циклы «полная зарядка — полная разрядка». Причем, так как электронные приборы при падении напряжения просто отключаются, то для «глубокой» разрядки необходимо наличие электрического потребителя, не отключающегося при падении напряжения (например, электрическая лампочка или реостат).

Причина «памяти» Ni-Cd аккумуляторов — материал катода. Для катода идеальным материалом является водород, но при комнатной температуре и атмосферном давлении он находится в газообразном состоянии. Зато есть металлы, позволяющие связывать в своей структуре атомарный водород в объеме в 1000 раз превышающем их собственный. Это цинк, никель и литий, чьи соединения с водородом получили название «гидриды». Соответственно, у Ni-MH аккумуляторов никелевый анод и никель-гидридный катод. Такие аккумуляторы практически не обладают памятью, являются экологически чистыми (за счет отсутствия токсичных металлов), обладают большей емкостью (в 1,5-2 раза больше, чем у Ni-Cd), также могут выдерживать ток большой силы. Но у Ni-MH аккумуляторов есть и существенные недостатки по сравнению с Ni-Cd. Ni-MH более подвержены саморазрядке: при зарядке до 1.4 В напряжение падает до 1.2 В в первые часы, а иногда и минуты, затем оно держится постоянным до полной разрядки. При этом аккумулятор теряет по 3-5% заряда в сутки (80-100% в месяц), соответственно при хранении их необходимо ежемесячно подзаряжать. Кроме того, Ni-MH аккумуляторы при зарядке сильно нагреваются, потому для них необходимо наличие специальных зарядных устройств с контролем температуры.

Li-Ion

Следующим химически активным веществом после водорода в таблице Менделеева является литий (гелий, следующий за водородом — инертный газ, не обладающий химическим потенциалом). Это самый активный металл, и самые компактные аккумуляторы изготавливаются именно с литиевыми катодами. Литий настолько активен, что может самовозгораться на воздухе, потому в аккумуляторах он находится в ионном виде, связанном молекулами оксидов металлов. Li-Ion аккумулятор состоит из угольного анода, литий-кобальт-диоксидного катода и жидкого электролита, которым пропитан слой нетканого синтетического материала. Такие аккумуляторы не имеют «памяти», обладают в 1.5-2 раза большей емкостью, чем Ni-MH, напряжением выше 1.5 В (обычно 3.6), но у них тоже есть свои недостатки. Li-Ion аккумуляторы не могут выдавать ток большой силы из-за высокого внутреннего сопротивления. Соответственно, их применение целесообразно в устройствах с длительным потреблением тока без резких перепадов мощности (телефоны, часы, фотокамеры, ноутбуки). Они не встречаются в формате АА, так как из-за активных свойств лития необходимо контролировать процесс зарядки электронной схемой, которую не так просто разместить в столь небольшом элементе.

Борьба за емкость

Помимо повышения емкости аккумуляторов за счет применения новых веществ, можно повысить удельную емкость за счет более рационального использования пространства: батареи с элементами прямоугольной или плоской формы позволяют повысить емкость на 20% по сравнению с батареями из цилиндрических элементов. В таких «нестандартных» элементах вместо жидкого электролита применяется полимер (например, такой композитный материал, как полиакрилонитрит), который содержит литиевую соль. Соответственно, такие элементы не нуждаются в надежной герметичной защитной оболочке, за счет чего снижается их масса и повышается удельный заряд.

Но и у литий-ионных аккумуляторов еще не исчерпан ресурс емкости. Специалистам из Sandia National Laboratories удалось повысить емкость аккумуляторных батарей в 10 раз за счет применения кремний-углеродного анода. Но они столкнулись с проблемой снижения емкости при каждой последующей зарядке, связанной с разрушением анода под воздействием большого тока. Замедлить разрушение анода и уменьшение емкости удалось за счет применения композитных материалов, более устойчивых к действию большого тока. Пока такие аккумуляторы находятся в стадии разработки, и их массовый выпуск ожидается в том случае, если удастся замедлить снижение емкости до приемлемого уровня.

Характеристики аккумуляторов

Электрическими параметрами аккумуляторов являются напряжение, емкость, ток зарядки/разрядки, внутреннее сопротивление.

Напряжение — это разность электрических потенциалов катода и анода, которая возникает в ходе химической реакции. Оно зависит прежде всего от химического потенциала электродов. Для большинства свинцово-кислотных аккумуляторных элементов это напряжение составляет 2 В, для никелевых — 1.2 В, для литиевых — 3.6 вольт. Для получения заданного напряжения эти элементы последовательно соединяют в аккумуляторные батареи. Например, в автомобиле для получения 12 вольт требуется 6 свинцово-кислотных элементов, а для 3.6 В в мобильном телефоне — 3 никелевых или один литиевый. Для наращивания же емкости элементы соединяются параллельно. Например, в батарее ноутбуков IBM часто применяются 3 последовательно соединенных блока, в каждом из которых запараллелены по две пары последовательно соединенных аккумуляторов.

Емкость батареи — это ее максимальный заряд, или то время, которое полностью заряженная батарея сможет непрерывно давать заданный ток:

C = q [Кл] = I*t [A*c], где q — заряд, I — сила тока, t — время.

Для удобства время указывают не в секундах (как принято в системе Си), а в часах:

C = I*t [А*ч], что равно 3600q [Кл].

Это значит, что вместо маркировки 5400 А*с мы обычно видим более удобное и привычное обозначение 1.5 А*ч.

Характеристикой типа аккумулятора является удельная емкость — мощность единицы массы элемента [Вт*ч/кг]. Для Ni-Cd элементов эта величина составляет 40-80, для Ni-MH — 60-80, для Li-Ion — 90-110, для Li-полимерных — 130-150 Вт*ч/кг.

Максимальный ток

Еще один немаловажный рабочий параметр аккумулятора — это максимальный ток. Если ток разрядки — это только ограничение эксплуатационных возможностей, то ток зарядки — это ограничение, превышение которого выведет аккумулятор из строя. В электронных устройствах этот ток обычно существенно ниже максимального, чтобы увеличить срок службы батареи. В некоторых устройствах отсутствует контроллер зарядки, и аккумуляторы постоянно находятся в режиме подзарядки малым током. Со временем этого тока уже не хватает для достижения полного заряда — происходит отложение продуктов реакции на электродах, и для процесса восстановления необходим больший ток. Часто «оживить» незаряжающиеся аккумуляторы получалось кратковременной подачей тока в 2 раза большей силы при напряжении порядка 1.5 В, после чего зарядка проводилась с номинальными параметрами.

Сила тока разрядки обычно ограничивается производителем и находится в пределах 0.2-0.5 от величины емкости элемента. Сила тока зарядки определяется по правилу:

I(зар) = k*C(бат) [А], где С(бат) — емкость батареи [А*ч], k — коэффициент, зависящий от типа батареи.

Для Ni-Cd можно принять k = 0.2, для Ni-MH это значение ниже: k = 0.1. Рекомендуемое время зарядки для Ni-Cd элементов — 6-8 часов, для Ni-MH — 14-16 часов.

Алгоритм восстановления Ni-MH аккумуляторов

Как было сказано выше, потеря емкости аккумулятора связана с отложением продуктов реакции на электродах. Для восстановления аккумулятора необходимо вернуть эти продукты в исходное состояние.

Для этого необходимо иметь в наличии следующее:

  • источник питания с плавной регулировкой напряжения, индикаторами силы тока и напряжения (можно также воспользоваться отдельными вольтметром и амперметром);
  • подготовленные для зарядки аккумуляторные элементы;
  • нагрузку — реостат или лампочку, сопротивление которых необходимо подобрать исходя из формулы:

R = U / I [Ом], где U — номинальное напряжение батареи [B], I — необходимая сила тока [A], которая берется из расчета I = 0.4 С(бат).

Желательно также иметь в наличии термодатчик или термореле, чтобы можно было вовремя отключить ток при перегреве.

Перед зарядкой разрядим аккумулятор до напряжения порядка 1 В — подключаем вольтметр и нагрузку параллельно элементу. Периодически контролируем напряжение (оно не должно упасть ниже 0.9 В — могут начаться необратимые процессы). Периодически контролируем температуру — она не должна подниматься выше 50 градусов Цельсия. В противном случае необходимо отключать нагрузку до тех пор, пока элемент не остынет до комнатной температуры. После разрядки необходимо выждать время для нормализации процессов внутри элемента (15-20 минут). За это время элемент «регенерируется», напряжение повысится, и его можно доразрядить до напряжения 0.9 В. Далее, выждав 10-15 минут, можно приступать к зарядке.

Зарядка

Для зарядки подсоединяем амперметр последовательно к заряжаемому элементу, источник питания и вольтметр — параллельно, одним контактом к свободному полюсу аккумулятора, другим — к свободному контакту амперметра. Термодатчик или чувствительный элемент, термореле, желательно закрепить на аккумуляторе с использованием термопасты для более точных измерений. Устанавливаем регулятор напряжения источника питания на минимальное напряжение (реостат — на максимальное сопротивление). Далее — плавно поднимаем напряжение так, чтобы сила тока на амперметре достигла значения:

I(зар) = 0.1C(бат)

Например, для аккумулятора емкостью 1500 мАч максимальная сила тока будет 150 мА. Сила тока будет постепенно снижаться, и соответственно, необходимо повышать напряжение. Сначала — раз в 3-5 минут в течение первого часа, далее — каждый час. Как только напряжение достигнет 1.3 номинального (1.4-1.5 вольт), нужно оставить аккумулятор на зарядке как есть — далее повышать напряжение нельзя. Когда сила тока упадет до значения близкого к нулю (через 4-6 часов), нужно отключить зарядку, подождать 15-20 минут для нормализации процессов, и поставить заряжаться на 8 часов. На всем протяжении зарядки необходимо следить за тем, чтобы температура не поднималась выше 50 градусов Цельсия. Если же температура превышает это значение — надо понизить ток зарядки (в 1.5-2 раза) до тех пор, пока аккумулятор не остынет до 30 градусов. Затем можно плавно поднять ток до номинального значения. Для восстановления первоначальной емкости потребуется 3-4 таких цикла.

В случае с мобильными телефонами можно действовать аналогично средствами самого телефона:

  1. полная разрядка телефона до отключения;
  2. ожидание регенерации (10-15 минут);
  3. повторное включение до полной разрядки;
  4. постановка на зарядку до полного заряда (отключение индикатора зарядки, сообщение «зарядка завершена»);
  5. отключение зарядки (2-5 минут);
  6. повторное включение на зарядку на 8 часов.

Необходимо произвести порядка трех таких циклов, причем рекомендуется производить эти операции как сразу после приобретения нового аппарата или новой батареи, так и через каждые 3-6 месяцев эксплуатации.

Tips & Tricks

1. Чтобы разобрать склеенный аккумуляторный блок, можно использовать отвертку с пластиковой ручкой и короткий скругленный нож. Ручкой отвертки обстукиваем корпус батареи по шву, затем в щель вставляем нож, и, создавая небольшое усилие его наклоном, продолжаем обстукивать батарею. Корпус начнет расходиться, и нож нужно будет передвигать дальше, до полной разборки батареи. Конечно, не все батареи разбираются легко, есть риск повредить тонкий корпус, но при достаточной тренировке можно будет разбирать практически любые клееные корпуса быстро и без повреждений, а затем склеивать их обратно.

2. Для восстановления аккумулятора может понадобиться замена элементов. Необходимо приобрести элементы не только такого же типа (Ni-Cd или Ni-MH) и размера, но и желательно не превышать номинальной емкости «родных» элементов — в противном случае ток зарядки может быть выше, или будет некорректно срабатывать логическая схема контроллера зарядки, что вызовет ошибочное отображение заряда аккумуляторов и несвоевременное отключение зарядного устройства.

Перед расстыковкой элементов рекомендуем зарисовать схему расположения и соединения элементов с указанием полярности. Затем ножом срезать соединительные пластинки. При сборке новых элементов нельзя допустить перегрева, поэтому соединительные пластинки надо пропаять в первую очередь. Желательно, изготовить новые из медной фольги. Места контакта аккумуляторных элементов сначала зачищаются от окисной пленки, затем на эти точки помещается капля паяльной кислоты. Лужение производится быстрым (на полсекунды) касанием паяльника с оловом. Затем соединительные пластинки накладываются пропаянной стороной на пропаянные площадки аккумуляторов и прижимаются паяльником на 1-2 секунды (до момента плавления олова), затем нужно быстро остудить элементы. По завершении пайки нужно проверить правильность соединения элементов и померить напряжение батареи. Если все сделано корректно, то на контактах будет соблюдена полярность, а напряжение будет в пределах 0.8-1.0 номинала батареи.

3. Хранение аккумуляторов. Аккумуляторы нужно хранить полностью ЗАРЯЖЕННЫМИ! При хранении надо регулярно (раз в 1-2 месяца) проверять напряжение. Оно не должно падать ниже 1 В. Если же напряжение упало, необходимо зарядить аккумуляторы заново. Единственные аккумуляторы, которые могут храниться разряженными — это Ni-Cd.

Саморазряд батарей происходит из-за той же химической реакции электродов и электролита, которая происходит в процессе работы (разрядки под нагрузкой), только без нагрузки эти процессы протекают существенно медленнее. Причем, при снижении температуры эти процессы замедляются, соответственно для снижения саморазряда хранить аккумуляторы надо в прохладном сухом месте. Для этих целей вполне подходит холодильник. Но нельзя помещать аккумуляторы в морозильную камеру — начнет конденсироваться влага, являющаяся причиной коррозии и утечки тока. А из-за резкого перепада температуры может расслоиться электролит. Оптимальная температура хранения — 1-5 градусов Цельсия.

Зачем обжимают «севшие» батарейки

Если обжать корпус севшей батарейки, то устранятся полости между электродами и электролитом, возникшие в процессе реакции. Сам электролит распределится более равномерно. Увеличится скорость реакции и восстановится ток. Таким образом, батарейка протянет еще некоторое время. Главное – не перестараться и не замкнуть электроды :).

Полезная информация для автовладельцев. Зимой, при сильном морозе, процессы в аккумуляторе замедляются настолько, что силы тока даже полностью заряженного аккумулятора не хватает для раскрутки стартера. Конечно, это также связано с загустеванием масла, поэтому для облегчения запуска двигателя обычно сразу после выключения двигателя добавляют немного бензина в картер и делают 5-10 оборотов коленвала стартером (без запуска двигателя), а запускают двигатель с выжатым сцеплением. Но повысить ток аккумулятора можно за счет нагрева, который можно произвести включением на 10-15 минут ламп ближнего света. Под действием потребителя электроэнергии аккумулятор разогревается, увеличивается скорость химической реакции, растет ток (что можно увидеть по повышению яркости свечения фар). Этого тока вполне хватит для запуска двигателя. И еще: лучше дольше непрерывно «крутить стартер», чем пытаться запустить двигатель короткими включениями. Каждое включение сопровождается резким повышением тока, который падает по мере раскрутки стартера, и чем меньше таких включений, тем дольше проработает стартер от аккумулятора, и тем выше будет вероятность успешного запуска.

Автомобильный аккумулятор. Автомобильные аккумуляторы — как устроены, как работают, советы по эксплуатации и зарядке Назначение и общее устройство аккумуляторной батареи

Аккумуляторная батарея (АКБ) автомобиля представляет собой особо значимый элемент устройства машины. Он является источником тока, имеющего способность запасать энергию, нужную для работы электрических элементов транспортного средства.

Его функции отвечают за:

  1. Запуск — подачу энергии стартеру, который отвечает за вращение двигателя при запуске.
  2. Выработку тока для работы электронных систем в случае недостаточной мощности генератора.
  3. Питание устройств при не заведенном автомобиле.

Характеристика необслуживаемого 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.

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.

Конструкция аккумуляторной батареи

Современные АКБ состоят из следующих основных элементов:

  1. Пластины (гальванические элементы)
  2. Сепараторы – прослойки
  3. Полюсные выводы
  4. Герметичный корпус (моноблок)
  5. Крышка корпуса

Пластины аккумулятора

В техническое устройство аккумуляторных батарей включены гальванические элементы (пластины) – химические источники электроэнергии. Их количество составляет 6 штук, они соединены друг с другом последовательно, при помощи перемычек. Один отрицательно заряженный вывод блока крепится к положительному выводу другого.

Гальванические элементы располагаются в отдельном корпусе, при этом они разделены перегородками. В своей совокупности аккумуляторы образуют батарею.

Гальванический элемент автомобильного аккумулятора относится к обратимым источникам химического тока – это означает, что цикл «заряд-разряд» можно повторять несколько раз. Он состоит из двух электродов (полублоков) разной полярности – свинцовых решетчатых пластин. Электроды располагаются в растворе серной кислоты (38 %) и дистиллированной воды. Их смесь является электролитом – веществом, способным проводить ток.

Сепараторы — прослойки

Между электродами, во избежание короткого замыкания, находится сепаратор – диэлектрическая прослойка. Сепаратор выполняет функцию изолятора, и не допускает соприкосновения электродов разной полярности, но при этом не нарушает электролитическую проводимость батареи.

Сепаратор изготовлен из пластмассы микропористой структуры, в виде конверта, надетого на гальванические элементы положительного заряда. Такой прием помогает активной массе с положительно заряженных пластин не оседать на дне моноблока и не соприкасаться с пластинами отрицательного заряда.

Разработка устройства сепаратора в форме конверта позволила фирмам производителям АКБ прийти к малообслуживаемым и необслуживаемым аккумуляторам.

Полюсные выводы

Полюсные выводы АКБ изготовлены из свинца. Их размер различается в зависимости от полярности вывода, так положительный является большим по отношению к отрицательному. Данная особенность не случайна и служит защитой от неправильного подключения элементов аккумуляторной батареи, что в свою очередь исключает потерю активных масс и помогает избежать сокращения работоспособности АКБ.

Герметичный корпус АКБ

Корпус аккумулятора (моноблок) прошел свою эволюцию от деревянного, покрытого изнутри листовым свинцом, далее – эбонита.

В 40-х гг. XX века появились первые корпуса из синтетических материалов. Современные АКБ состоят из синтетического полипропилена. К материалам моноблоков предъявляются большие требования относительно его долговечности и безопасности. Корпус рассчитан выдерживать постоянное соприкосновение химических составляющих, вибрацию и изменение температуры.

Крышка корпуса

Назначение крышки корпуса – плотное закрытие межэлементных соединений АКБ. У прежних аккумуляторов ячейками были резьбовые пробки, предназначенные для доливки электролита и отвода газа при эксплуатации аккумулятора. В конструкции необслуживаемого АКБ пробки не установлены вообще, либо плотно закрыты. Вывод газов предусмотрен при помощи центральной системы вентиляции.

Она состоит из двух частей и оборудована лабиринтом. При помощи лабиринта водяные пары образующиеся при зарядке АКБ конденсируются и стекают обратно в батарею. В крышку интегрированы центральный газоотвод и система защиты от воспламенения газов. Защита от воспламенения выполнена на выходе газоотвода из аккумулятора в виде небольшого круглого диска, она получила название — фритта. Принцип действия фритты заключён в свободном прохождении газа в атмосферу, но при воспламенении газа, препятствованию прорыву огня внутрь, чтобы не допустить взрыв аккумулятора.

Типы АКБ

Все автомобильные аккумуляторы как упоминалось ранее одинаковы по конструкции и наполнены электролитом, лишь незначительно отличаются друг от друга. Каждая модификация предназначена для достижения определённой цели в ущерб другим характеристикам.

АКБ с жидким электролитом

Представляют собой открытые системы, т.е. газ, выделяющийся при зарядке может выделяться в атмосферу. У него отличные эксплуатационные характеристики, большой срок хранения до 15 месяцев, но отсутствует защита от вытекания электролита.

АКБ Economy

Этот тип аккумулятора оптимален по стоимости и сроку службы, в нём применяется меньшее количество свинца. У него пониженная мощность холодного пуска двигателя и незначительно уменьшен срок службы (4 года или 80000 км). При этом более выгодная цена, меньшая масса и низкий ток саморазряда, который не увеличивается по мере старения батареи. Могут применяться в автомобилях с системой старт-стоп.

Усовершенствованная АКБ

Они имеют аббревиатуру EFB (Enhanced Flooded Battery) – усиленная АКБ с жидким электролитом. Конструктивно отличаются более толстой решёткой отрицательного электрода, обеспечивающей высокую стойкость к коррозии при нагрузке большим током, а также добавлением углерода в активную массу отрицательного электрода, что приводит к улучшенной способности к зарядке.

Обладает защитой от глубокого разряда и отличными эксплуатационными характеристиками, но отсутствует защита от вытекания электролита.

В его конструкции применяется пассивный перемешивающий элемент, он уменьшает расслоение электролита, т.е. образование слоёв с различной концентрацией серной кислоты, которая концентрируется в нижней части гальванических элементов, что приводит к недостаточной плотности электролита в верхней части. Это происходит при частом повторении процессов зарядки и разрядки.

АКБ AGM

Absorbent Glass Mat – стекловолокно, обладающее очень высокой впитывающей способностью. Ещё их называют рекомбинационными, применяются на автомобилях с системой старт-стоп и функцией рекуперации энергии. В таких аккумуляторах электролит адсорбирован стекловолоконным ковриком. Они представляют собой закрытую систему, т.е. все гальванические элементы изолированы от атмосферы клапанами.

Обладает защитой от вытекания, даже при повреждении корпуса батареи вероятность незначительна и составляет не более нескольких миллилитров. У них большой срок службы, отличные эксплуатационные характеристики и высокая надежность. Но, с другой стороны, обладает высокой стоимостью и более высокой чувствительностью к повышенной температуре.

Гелевые АКБ

Также существуют батареи с гелеобразным электролитом, он образуется путём добавления в него кремниевой кислоты. Представляют собой обычные свинцовые батареи. Они имеют очень малую вероятность потери электролита, высокую циклическую стойкость и сниженное газообразование. Их массовое распространение ограничивает ряд серьезных недостатков, таких как: ухудшенные пусковые свойства при низких температурах, высокая стоимость, непереносимость повышенных температур и связанная с нею непригодность к установке в подкапотном пространстве.

Устройства отключения АКБ

В схеме подключения аккумуляторной батареи для безопасности могут применяться пиропатроны или реле отключения, особенно если она располагается в салоне или в багажнике. Задача этих элементов отсоединить от батареи провод стартера и генератора в момент аварии, т.к. замыкание этих проводов может вызвать возгорание. Но электропитание бортовой сети сохраняется для обеспечения функций безопасности (аварийная сигнализация, освещение и др.)

Процессы заряда и разряда

Процесс заряда АКБ означает накопление аккумулятором электрической энергии. В исходе данного процесса электрическая энергия проходит преобразование в химическую.

Аккумуляторная батарея питается от генератора при заведенном двигателе автомобиля. Напряжение, которое вырабатывает стандартный заряженный аккумулятор во время работы, равно 12,65 В.

Процесс заряда можно описать, как переход сульфата свинца и воды, образованных при разряде АКБ в свинец, двуокись свинца и серную кислоту. При этом количество серной кислоты становится больше, плотность вещества электролита повышается.

В результате накапливается и восстанавливается химическая энергия, которая необходима в дальнейшем для выработки электроэнергии.

Процесс разряда АКБ характеризуется отдачей потребителям батареи электрической энергии. Идет обратный химический процесс – химическая энергия проходит преобразование в электрическую.

Аккумулятор подвергается процедуре разряда при наличии подключенного к нему потребителя электрического тока. В данном случае серная кислота распадается, соответственно, ее содержание в веществе электролита падает.

Протекающие химические реакции способствуют к образованию воды (Н2О). При повышенном уровне воды снижается плотность электролита.

Разряд аккумуляторной батареи приводит к появлению сульфата свинца. Такой эффект одинаков для положительного и отрицательного электродов.

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.

Устройство, схема и принцип работы автомобильного аккумулятора

В своей хозяйственной деятельности человек использует различные устройства, в составе которых работают аккумуляторы. Это касается бытовой техники, мобильных устройств, часов, автомобилей, электроинструмента и много чего ещё. Вне зависимости от того, в какой сфере используются аккумуляторные батареи, принцип работы у них одинаков. В процессе зарядки АКБ накапливает электрическую энергию, а затем отдаёт для питания устройства. На сегодняшний день имеется много видов аккумуляторных батарей, у каждого из которых есть свои особенности в устройстве и функционировании. В этой статье мы поговорим про устройство автомобильного аккумулятора и его конструкцию.

Аккумулятор представляет собой один из ключевых элементов авто. Работая в бортовой сети автомобиля в связке генератором, он является источником электрического тока. Основные функции аккумуляторной батареи заключаются в следующем:

  • Обеспечение пуска мотора. Аккумулятор подаёт питание на стартер в момент запуска;
  • Обеспечение питания потребителей в сети автомобиля, когда мотор заглушён;
  • Обеспечивает питание во время поездки, если генератор перегружен.

Кроме того, при работе вместе с генератором АКБ осуществляет сглаживание пульсаций электрического тока в бортовой сети.

Напряжение аккумуляторных батарей для легковых автомобилей составляет 12 вольт. Ёмкость может лежать в пределах 40─130 Ач. Пусковой ток 300─1300 ампер. Значения справедливы для АКБ легковых машин и лёгкого коммерческого транспорта.

На грузовые авто и специальную технику могут устанавливаться батареи с напряжением 24 вольта. На мотоциклетной технике используются модели номиналом 6 вольт.

К аккумулятору для автомобиля обычно предъявляют следующие требования:

  • небольшой саморазряд;
  • высокий пусковой ток;
  • компактные габариты;
  • отсутствие или минимум обслуживания.

Устройство аккумулятора автомобиля

В подавляющем большинстве легковых автомобилей работают свинцово-кислотные батареи с жидким электролитом (WET). Их устройство и конструкция постоянно дорабатывается и совершенствуется. Кроме того, ведутся разработки новых типов автомобильных аккумуляторов. Ниже представлена схема автомобильного аккумулятора.

АКБ состоит из 6 банок (аккумуляторных элементов), подключённых последовательно. Все они заключены в пластиковый корпус, который не проводит электрический ток и стойкий к воздействию серной кислоты. В каждой банке есть набор положительных и отрицательных электродов, которые чередуются. Электрод представляет собой токоотводящую решётку, на которую нанесена обмазка (активная масса).

Для того чтобы предотвратить замыкание электродов разной полярности, они помещены в полиэтиленовые сепараторы. Электроды выполнены из свинца с различными легирующими добавками. Устройство современных АКБ часто подразумевает наличие электродов из сплава свинца с кальцием. Это позволяет снизить саморазряд и расход воды. Примером могут служить .

Вообще, можно выделить следующие актуальные разновидности WET аккумуляторов:

  • Малосурьмянистые (малообслуживаемые). Положительные и отрицательные электроды выполнены из сплава свинца с сурьмой (до 6%);
  • Кальциевые (необслуживаемые). Электроды выполнены из сплава свинца с кальцием;
  • Гибридные. Отрицательный электрод выполняется из свинца, легированного кальцием, а положительный ─ сурьмой.

Существуют также разные методы изготовления решёток электродов (литьё, просечка) и нанесения активной массы. Некоторые производители имеют свои запатентованные технологии. В основном все они ориентированы на улучшение отвода тока и уменьшение внутреннего сопротивления АКБ. В некоторых случаях в состав электродов добавляют серебро, тантал, олово для того, чтобы увеличить стойкость к коррозии.

В современном производстве при выпуске положительных электродов применяют несколько методов:

  • Power Frame. Это наиболее современная технология. В этом случае решётка электрода выполняется с опорной рамкой и внутренними направляющими. В результате повышается жёсткость конструкции;
  • Power Pass. Эта технология подразумевает наличие вертикальных направляющий к «уху» электрода;
  • Chess Plate. В этом случае направляющие располагаются в шахматном порядке.

На решётки электродов наносится обмазка или активная масса для увеличения поверхности взаимодействия с электролитом. Для положительных пластин используется диоксид свинца, а для отрицательных ─ губчатый свинец.

Устройство аккумулятора подразумевает погружение электродов в электролит. Это раствор серной кислоты в дистиллированной воде. Главной характеристикой электролита является его плотность. Эта величина изменяется в зависимости от степени заряда. Плотность максимальна на полностью заряженной АКБ и минимальна на разряженной.

Особенности конструкции разных видов автомобильных аккумуляторов

Кроме аккумуляторов WET с жидким электролитом, есть и другие виды свинцово-кислотных аккумуляторов. Это батареи AGM и GEL. Их устройство предусматривает наличие кислотного электролита в связанном состоянии. Часто эти батареи обобщённо называют , но это не совсем так. В AGM аккумуляторах электролитом пропитан материал из стекловолокна, который прилегает к свинцовым пластинам. На изображении ниже можно посмотреть устройство AGM аккумулятора.

Каждый электрик должен знать:  Последовательные диодные ограничители

Ещё одна разновидность свинцовых аккумуляторов называется GEL. Здесь кислотный электролит находится в гелеобразном состоянии. Это достигается за счёт добавления в кислоту оксида кремния. Этот вид АКБ практически не используется в легковых автомобилях. Батареи GEL можно встретить в мотоциклетной технике, скутерах, морском транспорте, домах на колёсах. А вот AGM батареи получают всё большее распространение в авто.

Популярность AGM растёт благодаря появлению автомобилей с системами старт-стоп и рекуперации энергии торможения. Требования к АКБ возрастают. От них требуется более высокий ток прокрутки, устойчивость к глубоким разрядам, длительный срок службы. Аккумуляторы AGM (расшифровывается, как Absorbed Glass Material) удовлетворяют требованиям современных автомобилей с большим количеством электроники на борту.

В продаже также можно встретить аккумуляторные батареи EFB или Enhanced Flooded Battery. По устройству эти АКБ можно отнести к WET батареям. Но в реальности они занимают промежуточную ступень между обычными WET и AGM аккумуляторами. В них залит жидкий кислотный электролит, а электроды имеют покрытие из микроволокна. Это обеспечивает большую аккумуляцию энергии, повышение токоотдачи и устойчивость к частым циклам заряд-разряд. Производители также рекомендуют использовать их в автомобилях с системами старт-стоп. Пока EFB и AGM не стали массовыми из-за высокой стоимости. Поэтому в большинстве машин используются аккумуляторы типа WET.

Стоит отметить, что при заряде АКБ идёт выделение газов. Поэтому корпуса аккумуляторов имеют систему отведения газов. Чтобы батарея оставалась герметичной используются предохранительные клапаны. Такие клапаны могут быть встроены в пробки. Их устройство позволяет им открываться при увеличении давления выше определённого предела.

Водород и кислород, которые выделяются на электродах при зарядке, взаимодействуют с выделением воды. А в случае превышения допустимого заряда они выпускаются в атмосферу. Этот механизм называют VRLA или Valve Regulated Lead Acid Battery. Устройство лабиринтной вентиляции в корпусе АКБ является более совершенным. В такой конструкции выделяющиеся газы конденсируются, и образующаяся вода возвращается обратно в банки аккумулятора.

Есть батареи, устройство которых предусматривает наличие пламегасителей. Эти приспособления обеспечивают отсекание пламени от внутреннего пространства аккумулятора при воспламенении газов. По своей конструкции пламегасители являются мембранами.
Аккумулятор подключается к автомобилю с помощью выводов из свинца. Положительного и отрицательного. Они выполняются разной толщины и маркируются соответствующим образом, чтобы не допустить ошибку при подключении.

В зависимости от положения выводов полярность аккумуляторной батареи может быть прямая или обратная. Читайте подробнее о том, как определить .

Устройство необслуживаемых батарей предусматривает наличие индикатором заряда. Его ещё называют гидрометром или просто «глазком». Подробнее об читайте в статье по ссылке.

Крепление аккумулятора в подкапотном пространстве выполняется двумя основными способами:

  • скобой за выступ корпуса АКБ. Такое крепление используется для аккумуляторов европейского типоразмера;
  • при помощи рамки. Применяется в случае с батареями азиатского типоразмера.

Аккумулятор или сокращённо (АКБ), очень важная деталь в любом автомобиле. Нет ни одной машины с двигателем внутреннего сгорания, где бы его не было.

Он отвечает за всё электрооборудование машины и без него она просто мертва. Далее рассмотрим, что же это такое и из чего он состоит.

Что такое АКБ для автомобиля, предназначение

То, что аккумулятор отвечает за всё электрооборудование в машине, было указано выше, но тут не всё так просто и однозначно. Главная задача батареи обеспечить запуск силового агрегата.

Когда двигатель запущен вся бортовая сеть запитывается от генератора. В середине 20-го века и даже ближе к его концу были двигатели внутреннего сгорания без аккумуляторов, например, моторы мотоциклов. В них запуск осуществлялся за счёт мускульной силы, а дальше все системы работали уже от генератора.

Однако в последнее время, с насыщением автомобилей различными электроприборами, мультимедийными центрами или климатическими системами, генераторы не всегда справляются с обеспечением их энергией. В этом случае подпитка идёт от АКБ.

Но вернёмся к основному предназначению батареи. Как бы там не было главная задача по-прежнему остаётся это обеспечение электроэнергией стартера двигателя.

При запуске, особенно в холодное время года, батарея серьёзно разряжается. Однако генератор кроме питания электроэнергией бортовой сети машины ещё и обеспечивает зарядку батареи.

Поэтому если генератор вышел из строя, то АКБ очень быстро разряжается. Новой заряженной батареи хватает не более чем на 100 км пробега. Во всех остальных случаях машина с неисправным генератором пройдёт ещё меньше.

Из чего сделан и что внутри аккумулятора

Не смотря, на весь технический прогресс, до сих пор, в автомобилях, используются аккумуляторные батареи, изобретённые в середине 19-го века.

Изобретателем АКБ считается Гастон Планте, которые изобрёл его в 1860 году. Ну а современный вид батареи приобрели в 1878 году, после того как его усовершенствовал Камилл Фор.

С этого времени батареи принципиально не менялись, все изменения были только косметическими, касающиеся их внешнего вида и качества изготовления элементов конструкции.

Данные аккумуляторы называются свинцово-кислотными, и в названии заключается описание принципа действия этих устройств.

Рисунок 19 века, на котором показан один из первых аккумуляторов в разрезе.

Итак, аккумулятор состоит из следующих основных частей:

  • Корпуса;
  • Крышки;
  • Отрицательных электродов;
  • Положительных электродов;
  • Положительной клемы;
  • Отрицательной клемы;
  • Соединительных перемычек;
  • Заливных пробок;
  • Электролита

Итак, корпус и крышка батареи состоит из нейтрального к кислоте пластика.

Отрицательные пластины, впрочем, как и положительные состоят из металлического свинца и выполнены в виде решётки.

В отрицательной пластине, промежутки свинцовой решётки заполнены металлическим свинцом, в виде спрессованного порошка. В положительной – спрессованным порошком диоксида свинца (PbO2).

В промежутке между пластинами располагаются сепараторы, которые представляют собой микропористые пластины, сделанные из эбонита или ревертекса. Оба материала можно считать неким вариантом резины, и делаются они из каучука.

Задача сепараторов заключается в том, чтобы разделять положительные и отрицательные электроды и препятствовать их короткому замыканию, которое может произойти в результате вибраций двигателя и всего автомобиля.

Обе клеммы сделаны из металлического свинца и через них происходит подсоединение батареи к бортовой сети машины.

Соединительные перемычки, так же выполнены из свинца и служат для объединения разных банок в единую батарею.

Для чего нужна заливная пробка, легко догадаться из названия этой детали. Она служит для заливки электролита в банки АКБ.

Ну и последняя в списке, но при этом одна из самых главных деталей аккумулятора является электролит. Он состоит из 30 % раствора серной кислоты (H2SO4) и дистиллированной воды.

Принцип работы АКБ

Принцип работы аккумулятора основан на электрохимической реакции окисления свинца в растворе серной кислоты и воды.

При разрядке батареи на положительной пластине происходит окисление металлического свинца, при этом на отрицательной пластине восстанавливается уже диоксид свинца.

При зарядке происходит обратный процесс, количество диоксида свинца на отрицательной пластине уменьшается, а на положительной пластине увеличивается количество металла.

Так же при разрядке АКБ уменьшается количество серной кислоты в электролите и увеличивается количество воды. При зарядке так же происходит обратный процесс.

Особенности конструкции современных АКБ

Не смотря на то что, принципиально, аккумуляторы, за более чем 150 лет, не изменились, современность внесла серьёзные изменения в технологию их изготовления и в материалы, из которых они делаются.

Рассмотрим их по отдельности:

Сегодня на наиболее качественных батареях небольшие изменения претерпел материал пластин. Теперь пластины делают не из чистого свинца, а из его сплава с серебром. При этом появилась возможность снизить массу батареи на треть, а срок её службы увеличить на 20 %.

Кроме этого, изменилась сама технология их изготовления. Если первые пластины производились путём их литья, то сегодня их делают из тонкого свинцового листа, путём штамповки. Такой метод дешевле и при этом пластины получаются прочнее и тоньше.

Одной из причин выхода АКБ из строя является короткое замыкание положительных и отрицательных пластин.

Замыкание происходит из-за того, что из пластин осыпается активная зона и внизу банок она замыкает. Во избежание этого сепараторы делают в виде конвертов, запаянных снизу, под пластинами. Таким образом, когда активная зона осыпается она остаётся внутри конверта и не замыкает.

В материал же самих сепараторов сегодня добавляется стекловолокно. Это так же позволяет делать их тоньше и прочнее.

Как было указано выше, электролит представляет собой раствор серной кислоты и воды. Под действием низких температур, как известно вода замерзает, однако с электролитом этого не происходит.

Но он всё равно заметно загустевает и теряет свои свойства, из-за чего ёмкость батареи заметно снижается. Что бы избежать этого, сегодня, в электролит добавляют разнообразные присадки.

Аккумуляторы с гелиевыми электролитами можно считать вершиной эволюции кислотных батарей и именно поэтому для них, отведен отдельный раздел. Такие АКБ называются попросту, гелевыми. В этих устройствах электролит модифицирован настолько, что представляет собой нечто наподобие желе.

Такая модификация, в комплексе с другими вышеописанными инновациями дала поистине волшебные результаты. Батареи стали практически вечными, невосприимчивыми к переворачиванию, практически не теряющими свои свойства зимой и при этом на много легче по массе.

Правда цена по сравнению с аккумуляторами старого поколения возросла от 5 до 10 раз. Но это того стоит. И всё равно стоят они не запредельные деньги, где-то в пределах 100 – 200 условных единиц.

Параметры и характеристики аккумуляторной батареи

Параметры и характеристики аккумуляторов зашифрованы в их маркировке и сейчас мы разберём, что она обозначает.

Этот вопрос мы рассмотрим на примере самой распространённой АКБ 6СТ-55.

Итак, в названии аккумулятора, цифра 6 обозначает, что АКБ состоит из 6-и банок.

  • СТ – обозначает что батарея стартерная.
  • 55 – обозначает ёмкость батареи, которая составляет 55 Ампер*час.

Для того что бы понимать какой аккумулятор вам нужен, необходимо знать два параметра:

  • Тип ДВС;
  • Объём двигателя вашей машины;
  • Двигатели объёмом до 1,6 литра. Для них подходят АКБ 6СТ-45;
  • Двигатели объёмом от 1,6 до 2,5 литров. Для них подходит 6СТ-55;
  • Двигатели объёмом от 2,5 до 3 литров. Для них подходит 6СТ-60;
  • Двигатели объёмом от 3 до 3,5 литров. Для них подходит 6СТ-75;
  • Двигатели объёмом более 3,5 литров. Для них подходит 6СТ-90.

Для дизельных силовых агрегатов эти параметры несколько иные:

  • Двигатели объёмом до 1,5 литра. Для них подходит 6СТ-55;
  • Двигатели объёмом от 1,5 до 2,0 литров. Для них подходит 6СТ-60;
  • Двигатели объёмом от 2-х до 2,7 литров. Для них подходит 6СТ-75;
  • Двигатели объёмом от 2,7 до 3,5 литров. Для них подходит 6СТ-90;
  • Двигатели объёмом от 3,5 до 6,5 литров. Для них подходит 6СТ-132;
  • Двигатели объёмом более 6,5 литров. Для них подходит 6СТ-192 и больше.

Как можно увидеть, из-за разных принципов работы дизельных и бензиновых двигателей для них используются аккумуляторы разной ёмкости.

Для дизельных силовых агрегатов вам потребуются более ёмкие батареи.

Аккумуляторы будущего

Как уже упоминалось выше современные батареи по принципу действия точно такие же, как те, что были разработаны в середине 19-го века.

Однако технологии не стоят на месте и, судя по всему, в самое ближайшее время для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) появятся АКБ, созданные на новых принципах. Далее они будут бегло перечислены.

Об этих батареях достаточно подробно было рассказано выше. Эти батареи уже продаются, и их любой может купить.

Эти батареи широко известны по мобильным телефонам и иным гаджетам. Однако, сегодня, существуют разработки и для автомобилей. Но, не смотря на все свои достоинства, в автотехнике данный вид АКБ не прижился из-за ряда принципиальных недостатков.

  • Во-первых, они резко теряют свою мощность из-за низкой температуры.
  • Во-вторых, для зарядки таких батарей требуется строгое соответствие зарядному току, что требует переделки электронной части генераторов.
  • Ну и самое главное, данные АКБ имеют стоимость в 15 раз дороже обычного кислотного аккумулятора.

Литий-ионная АКБ, чешской компании Варта

Это, пожалуй, самые перспективные батареи для использования, как в автомобилях, оснащённых ДВС, так и электрической силовой установкой. В производстве этих АКБ использованы нанотехнологии.

Эти аккумуляторы имеют поистине чудесные свойства. Они имеют ёмкость, практически в три раза больше литий-ионных и при этом на много меньшую стоимость, так как в их производстве не используется дорогостоящий литий. Кроме этого они не теряют своих свойств под действием низких температур.

Опытная графен-полимерная АКБ

Резюме: Выше перечислены только три самых раскрученных или правильней будет сказать, распиаренные технологии.

В мире ведутся работы над батареями, известно что в разработке более тридцати новых схем. Не исключено, что среди этих ещё испытывающихся аккумуляторов могут оказаться некоторые с ещё более интересными свойствами. Как говорится поживем — увидим.

Аккумулятор представляет собой устройство, которое накапливает энергию в химической форме при подключении к источнику постоянного тока, а затем отдает ее, преобразуя в электричество. Его используют многократно за счет способности к восстановлению и обратимости химических реакций. Разряжается – снова заряжают. Применяются аккумуляторы в качестве автономных и резервных источников питания для электротехнического оборудования и различных устройств.

Устройство аккумулятора

В автомобилях обычно применяют . Рассмотрим их устройство.

Все элементы располагаются в корпусе, который изготавливают из полипропилена. Корпус состоит из емкости, разделенной на шесть ячеек, и крышки, оснащенной дренажной системой для стравливания давления и отвода газа. На крышку выводится два полюса (клеммы) – положительный и отрицательный.

Содержимое каждой ячейки представляет собой пакет из 16 свинцовых пластин, полярность которых чередуется. Восемь положительных пластин, объединенных бареткой, являются плюсовым электродом (катодом), восемь отрицательных – минусовым (анодом). Каждый электрод выводится к соответствующей клемме аккумулятора.

Пакеты пластин в ячейках погружены в электролит – раствор серной кислоты и воды плотностью 1,28 г/см3.

Между пластинами электродов, для предотвращения замыкания, вставлены сепараторы – пористые пластины, которые не препятствуют циркуляции электролита и не взаимодействуют с ним.

Отдельная пластина электрода – это решетка из металлического свинца, в которую впрессован (намазан) реагент. Активная масса катода – диоксид свинца (PbO2), анода – губчатый свинец.

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.

При их соединении с отрицательными ионами серного остатка электролита, образуется сульфат свинца на обоих электродах.

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 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.

Химические реакции в одной ячейке вырабатывают 2 В, поэтому на клеммах аккумулятора из 6 ячеек и получается 12 В.

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

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

В процессе эксплуатации аккумуляторы постепенно утрачивают свою работоспособность даже при соответствующем техническом обслуживании. Рано или поздно батарея оказывается не в состоянии обеспечить пуск двигателя, особенно в холодное время года, и ее приходится заменять .

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Аккумуляторная батарея (АКБ) представляет собой химический источник тока, запасающий энергию, необходимую для питания электрического стартера, вращающего двигатель при пуске. Кроме того, она обеспечивает работу электрических приборов автомобиля при недостатке или отсутствии развиваемой генератором мощности. На транспортных средствах в основном применяются свинцовые стартерные батареи, состоящие из последовательно соединенных аккумуляторов, установленных в общем корпусе.

Устройство обслуживаемой АКБ:
1 – корпус;
2 – отрицательный электрод (пластина);
3 – сепаратор;
4 – положительный электрод (пластина);
5 – баретка;
6 – опорные призмы;
7 – крышка;
8 – пробка заливного отверстия;
9 – положительный вывод;
10 – межэлементная перемычка (соединительный мостик);
11 – отрицательный вывод

Так называемые «необслуживаемые» батареи отличаются от обычных замедленным «выкипанием» воды из электролита и большим его резервным объемом.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

На территории Российской Федерации АКБ должны соответствовать межгосударственному ГОСТу 959-2002 «Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники». Для обеспечения нормальной эксплуатации электрооборудования и самой батареи требуется ее соответствие по основным размерам и характеристикам данному автомобилю.
«Полярность» – определяет расположение отрицательного и положительного выводов батареи. Если смотреть на АКБ со стороны, к которой выводы смещены ближе, то полярность:
прямая – если положительный вывод с обозначением «+» находится слева, а отрицательный вывод, обозначенный «–», – справа;
обратная – если положительный вывод «+» находится справа, а отрицательный вывод «–» – слева.
Ширина батареи должна точно соответствовать штатной, поскольку большинство из них крепится за нижние боковые выступы корпуса.
Высота и длина могут быть несколько больше, если это допускают размеры ниши (установочной площадки) под АКБ.
Номинальная емкость (С 20) – количество электричества (в А.ч), которое способна отдать АКБ при 20-часовом режиме разряда током, численно равным 0,05 номинальной емкости до напряжения на выводах 10,5 В при температуре электролита 25°С.
Резервная емкость (Cр) – время разряда в минутах полностью заряженной батареи током 25 А до напряжения 10,5 В при температуре электролита 25°С.
Примечание . По ГОСТу 959-2002 номинальную и резервную емкость определяют поместив батарею в ванну с водой, имеющей температуру 25±2°С.
Резервная емкость численно в 1,63 раза больше номинальной (например, для батареи емкостью 55 А.ч она составляет 90 минут). Это расчетное время, в течение которого полностью заряженная АКБ обеспечивает электроэнергией минимум потребителей, необходимых для безопасного движения автомобиля в случае отказа генератора.
Ток холодной прокрутки (I х.п.) – по ГОСТу 959-2002 – это ток разряда, который способна отдать батарея при температуре электролита минус 18°С в течение 10 с напряжением не менее 7,5 В. Чем этот параметр выше, тем лучше двигатель будет пускаться зимой, но из-за увеличения нагрузки на стартер может снизиться его ресурс.
Величина тока холодной прокрутки зависит от методики ее измерения. Примерное соответствие значений тока холодной прокрутки, определенного по разным стандартам, приведено в таблице.

МАРКИРОВКА

По ГОСТу 959-2002 на каждой АКБ должно быть нанесено:
— товарный знак или наименование предприятия-изготовителя;
— условное обозначение батареи (рис.); — знаки полярности: плюс «+» и минус «–»;
— дата изготовления – месяц, год;
— номер НД (нормативного документа) на данную батарею;
— номинальная емкость в ампер-часах (А.ч);
— номинальное напряжение в вольтах (В);
— ток холодной прокрутки в амперах (А);
— масса батареи (если она 10 кг и более);
— знаки безопасности;
— символ переработки.

Примечание. На АКБ, предназначенных на экспорт, дополнительно должно быть нанесено: «ГОСТ 959-2002», надпись «сделано в (наименование страны-изготовителя)» и буква «Т» для экспорта в страны с тропическим климатом.

Условное обозначение батарей по европейскому стандарту EN 60095-1.

Условное обозначение батарей по американскому стандарту SAE J537.

Примеры маркировки АКБ

Маркировка российской батареи:
1 – условное обозначение;
2 и 3 – ток холодной прокрутки по DIN и EN;
4 – вес;
5 – резервная емкость;
6 – номинальная емкость;
7 – номинальное напряжение

Маркировка европейской батареи:
1 – тип;
2 – номинальная емкость;
3 – ток холодной прокрутки по EN;
4 – знаки мер безопасности

Маркировка американской батареи :
1 – условное обозначение;
2 и 3 – ток холодной прокрутки по SAE и DIN;
4 – номинальное напряжение

Примечание . На корпусе батареи может быть указано несколько значений тока холодной прокрутки и далее в скобках обозначения стандартов, по которым они определены.

ГАРАНТИИ ИЗГОТОВИТЕЛЯ

В соответствии с ГОСТ 959-2002:
— гарантийный срок хранения не залитых электролитом (сухозаряженных) батарей – 36 месяцев, при этом срок сохранения сухозаряженности – 12 месяцев;
— гарантийный срок эксплуатации батарей – 18 месяцев со дня продажи;
— гарантийная наработка батарей – 60 тыс. км пробега автомобиля в пределах гарантийного срока эксплуатации;
— гарантийный срок эксплуатации необслуживаемых батарей – 24 месяца при пробеге автомобиля не более 75 тыс. км;
Для необслуживаемых батарей гарантийный срок исчисляется:
— не залитых электролитом (сухозаряженных) – со дня продажи;
— залитых электролитом – со дня изготовления.

Примечание . При отсутствии возможности контроля за пробегом автомобиля и режимами обслуживания батареи гарантия практически распространяется только на заводской брак, выявленный за установленный продавцом гарантийный срок.

Фактический срок службы стартерных аккумуляторных батарей может быть значительно больше и зависит от условий эксплуатации. При исправном электрооборудовании, соответствующем техническом обслуживании и годовом пробеге автомобиля до 10–12 тыс. км он может достигать 5–8 лет.
Долговечность необслуживаемых АКБ , не имеющих отверстий для долива, существенно зависит от состояния электрооборудования и условий (интенсивности) эксплуатации. Напряжение в бортовой сети автомобиля должно находиться в пределах 13,9–14,3 В, иначе ресурс батареи резко снизится из-за «выкипания» воды из электролита или в связи с постоянным недозарядом и оплыванием активной массы.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ

Чтобы АКБ выработала заложенный в нее ресурс при техническом обслуживании автомобиля, необходимо:
— проверять крепление батареи на автомобиле – незакрепленная батарея сильнее подвержена вибрациям, которые могут вызвать нарушение герметичности корпуса;
— проверять соединение клемм и выводов – окисленные контакты приводят к падению напряжения, отказам в работе электрооборудования, неполному заряду батареи и оплавлению выводов;
— протирать крышку от грязи для устранения возможности саморазряда;
— прочищать вентиляционные отверстия пробок или в крышке для предотвращения скопления газов в «банках»;
— проверять уровень электролита у батарей обычной конструкции – каждые 1,5–2,0 месяца, у «необслуживаемых» периодически, в зависимости от пробега автомобиля, но не реже 1–2 раза в год;
— по необходимости (и наличии заливных отверстий) восстанавливать уровень электролита в АКБ, доливая только дистиллированную воду (добавление электролита или кислоты недопустимо);
— при возможности оценивать степень заряженности отдельных «банок» по плотности электролита в них с помощью ареометра.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

При работе с АКБ необходимо применять защитные очки и резиновые перчатки. В случае попадания электролита на открытые части тела необходимо срочно промыть пораженный участок обильным количеством воды и затем 5%-ным раствором кальцинированной соды. Во избежание взрыва запрещается пользоваться открытым огнем. Нельзя допускать замыкания положительного вывода батареи на массу. Для исключения возможности искрения запрещено отсоединять провода при включенных потребителях. Повышение напряжения, развиваемого генератором свыше величины, установленной в инструкции по эксплуатации автомобиля, недопустимо, так как приводит к интенсивному образованию взрывоопасной смеси водорода и кислорода внутри батареи. При снятии батареи сначала отсоединяют отрицательный вывод («массу»), затем положительный, а при установке на автомобиль наоборот – сначала соединяют положительный, затем отрицательный.

При приобретении АКБ необходимо обратить внимание на дату ее изготовления. Срок хранения на складе сухозаряженных батарей не должен превышать трех лет, залитых и заряженных – не более шести месяцев.
Желательно проверить, особенно если с даты изготовления прошло более одного года:
— целостность корпуса, освободив его от упаковки и наклонив на 45° – электролит не должен выливаться;
— уровень электролита – он должен находиться между отметками «мин» и «мах» у батарей с корпусом из полупрозрачного пластика или примерно на 15–20 мм выше верхнего уровня пластин;
— плотность электролита (для залитой и заряженной АКБ) должна составлять 1,25–1,26 г/см3 при 25±5°С;
— цвет индикатора заряженности (при наличии) должен быть зеленым;
— напряжение на выводах батареи без электрической нагрузки (ЭДС) должно быть не менее 12,6 В;
— напряжение на клеммах батареи с помощью нагрузочной вилки (например, для АКБ емкостью 55 А.ч при разряде током 100 А напряжение на 5–7 секунде должно быть не менее 10,5 В).
В любом случае необходимо наличие инструкции по эксплуатации на русском языке и гарантийного талона, в котором должны быть указаны условия гарантии .
Измеренные показатели должны быть записаны продавцом в гарантийный талон. Это пригодится в случае предъявления претензий к качеству АКБ в пункте по гарантийной проверке на наличие в ней дефектов.
Залитые электролитом и заряженные батареи полностью готовы к использованию и не требуют подготовки к эксплуатации.
Сухозаряженные батареи требуют подготовки к эксплуатации – заливку электролитом плотностью 1,27–1,28 г/см3 при температуре 25±5°С и выдержку в течение 30 мин для пропитки активной массы электродов. Если после этого плотность не изменилась – батарея готова к эксплуатации. При снижении плотности электролита необходим подзаряд до ее восстановления.
Кроме того, на пробках сухозаряженных батарей необходимо срезать (при наличии) приливы, закрывающие вентиляционные отверстия.

О принципе работы аккумуляторов

АКБ окружают людей в их повседневной жизни буквально повсюду – в мелкой и крупной домашней технике, средствах связи, любимом автомобиле. Несмотря на это, многие не знают, каков принцип работы аккумулятора, и посему не умеют с ним обращаться. На самом деле есть один генеральный принцип, которому подчинена работа батарей всех видов. Это обратимые химические реакции, происходящие циклично. Во время разряда аккумуляторной батареи происходит превращение энергии химической в электрическую, что обеспечивает работу технического устройства, к которому подключен АКБ. Когда запас этой энергии будет исчерпан на определенный процент, производят зарядку аккумулятора. Во время нее также идут химические превращения, но уже с обратным эффектом. То есть поступление электрического тока вызывает накопление запасов химической энергии.

Отличают разные аккумуляторы между собой два аспекта – тип электролита и материал, из которого выполнены электроды. Основой для электролита выступают кислоты или щелочи, которые после разбавления водой или другими добавками приобретают вид готовой гомогенной смеси различной консистенции (жидкой либо гелевой). Вещество, выступающее электродом, способно изменять свойства готового изделия. Самыми распространенными являются литиевые, свинцовые и никель-кадмиевые батареи.

Об автомобильных аккумуляторах

Принцип работы стандартного автомобильного аккумулятора опирается на его конструкцию и не зависит от того, залит в него кислотный или щелочной электролит.

Внутри диэлектрического и нерастворимого серной кислотой корпуса из специального пластика помещаются шесть банок-батареек, последовательно прикрепленных друг к другу. В каждой из этих банок есть по несколько электродов с зарядами «плюс» и «минус», которые выглядят как отводящая ток решетка, смазанная специальной химически активной массой.

Чтобы решетки с разными знаками случайно не соприкоснулись и не закоротили, каждая из них погружена в разделитель из полиэтилена. Сами электроды сделаны обычно из свинца с разнообразными примесями.

Если быть точным, то таких свинцовых решеток бывает три вида:

  • Малосурьмянистые . И аноды, и катоды сделаны из сплава свинец+сурьма и требуют мало обслуживающих процедур.
  • Кальциевые . Здесь примесь, соответственно, кальций. Такие электроды вообще не нужно обслуживать.
  • Гибридные . Один электрод, с минусом, делается из кальциевого сплава, а положительный содержит сурьму.

Можно с уверенностью утверждать, что свинцово-кислотный — самый востребованный и распространенный вид аккумулятора для авто. Принцип работы свинцового аккумулятора основывается на активном взаимодействии серной кислоты с диоксидом свинца.

Когда батарея эксплуатируется, то есть нужна электрическая энергия, на катоде свинец окисляется, а его диоксид на аноде, напротив, участвует в восстановительной реакции. При зарядке, как нетрудно догадаться, взаимодействия идут в обратную сторону.

Это все происходит за счет кислоты в электролите, часть ее распадается, соответственно, концентрация падает. Именно этим обусловлена необходимость периодически обновлять жидкость в батарее.

С гелевыми аккумуляторами такого не случается. Состояние электролита в них не позволяет ему испаряться, если, конечно, не перегреть АКБ во время подзарядки. Как правильно заряжать гелевые аккумуляторы, читайте здесь →

Именно благодаря отсутствию необходимости периодически восполнять запасы активного вещества батареи с желеобразным электролитом относят к категории необслуживаемых. Еще одно их преимущество в том, что гель не отсоединяется от электрических контактов, а значит, невозможны внезапные сбои и замыкания.

Как устроен литий-ионный аккумулятор?

Его конструкция не отличается сложностью: анод из пористого углерода, литиевый катод, пластина-сепаратор между ними и проводник тока – вещество-электролит. Во время разрядки ионы отделяются от анода и движутся на литий по электролиту, минуя сепаратор. Во время питания батареи все происходит с точностью до наоборот – литий отдает ионы, углерод принимает. Так и происходит процесс ионного круговорота между разнозарядными электродами литий-ионной батареи.

Точный состав катода может отличаться в конкретной модели или у определенного производителя АКБ. Дело в том, что многие фирмы тестируют разнообразные типы литиевых соединений для того чтобы изменять показатели устройств по своему усмотрению.

Впрочем, очевидно – улучшая одни характеристики, неизбежно приходится жертвовать другими. Чаще всего литий-ионные АКБ с повышенной емкостью, заботой об эксплуатирующих его людях и природной среде оказываются чрезмерно дорогостоящими или требуют слишком много внимания.

Но чего не отнять у батарей с литием, что составляет их принципиальную разницу с другими типами аккумуляторов, так это низкий уровень саморазряда.

Li-Pol аккумуляторные батареи

Литий-полимерные — это следующий этап развития литий-ионных АКБ. Принципиальная разница понятна из названия — в качестве электролита начинает использоваться полимерное соединение. Из-за прочности существующих в нем химических связей такой аккумулятор становится максимально безопасным, неправильная эксплуатация может сломать его самого, но не нанести вред владельцу, как это бывало с литиевыми АКБ с жидким наполнителем. Полимерный неопасно перегревать или протыкать острым предметом, в то время как жидкостной элемент уже давно бы взорвался.

Еще один огромный плюс Li-Pol батарей — их огромная проводимость. Из-за того, что в процессе реакций на анодах и катодах батарея приобретает свойства хорошего полупроводника, она способна передавать ток, в разы превышающий ее собственную электроемкость.

Щелочные батареи

Методика функционирования щелочного аккумулятора основывается на химических превращениях в щелочной среде. Именно поэтому для электродов таких АКБ применяют соединения металлов, которые активно взаимодействуют именно со щелочами.

Гидроокись никеля на электроде с положительным зарядом превращается в гидрат его закиси из-за череды реакций со свободными ионами в электролите. На катоде в это же время идут похожие взаимодействия, но только с образованием гидрата окиси железа. Между только что создавшимися веществами образуется разница в потенциалах, за счет которой и выделяется электроэнергия. В процессе подзарядки реакции те же самые, только в обратном порядке, вещества восстанавливаются до исходных.

Ni-Cd аккумулятор

Батареи никель-кадмиевого типа обычно применяют для некрупной техники, например, для шуруповерта. Принцип их устройства и работы схож с автомобильным АКБ, только в гораздо меньших масштабах – те же последовательно соединенные несколько маленьких батареек, совместно вырабатывающих нужные электрические показатели, а внутри них – уже знакомые аноды, катоды, пластины сепараторов и жидкий электролит.

Специфические характеристики, присущие только этому типу аккумуляторов, обеспечивают именно химические свойства никеля и кадмия. Они же накладывают и обязательство быть осторожным, особенно при утилизации. Это вызвано тем, что кадмий – довольно токсичный элемент.

При аккуратной же эксплуатации шуруповертов с такими АКБ приборы гарантированно будут работать долгое время на высокой мощности, в любых погодных и температурных условиях. К тому же их можно очень быстро заряжать.

Ni-MH аккумулятор

По своему устройству и механизму работы никель-металл-гидридные батареи очень похожи на кадмиевые и были изобретены практически сразу после них. Основное отличие состоит в материале, из которого изготовлен отрицательный электрод.

В аккумуляторах типа Ni-MH он состоит из особого справа металлов, которые абсорбируют водород. Часть из них реагируют с ионами электролита с выделением тепловой энергии, другая часть – с ее поглощением, в результате чего возможно безопасное и экологически безвредное использование такого устройства.

Как работает зарядное устройство для АКБ?

ЗУ для аккумулятора обычно состоит из выпрямителя и трансформатора и создает ток с постоянным напряжением около 14 вольт. Также хорошие приборы содержат элементы, которые следят за напряжением на питаемом аккумуляторе и в нужный момент выключают зарядку.

По ходу процесса работы зарядного устройства для автомобильного аккумулятора или для любого другого подаваемый им ток сам собой падает. Вызвано это тем, что в заряжающемся АКБ увеличивается сопротивление, и он больше не пропускает ток с большим напряжением. Если в зарядке есть измеритель, то он фиксирует тот момент, когда в батарее достигнуто напряжение в 12В, после чего ее можно отключать от сети.

АКБ – вещь не такая сложная, как может показаться. Ее устройство легко понять, к тому же, принцип работы одинаков для разных видов. Знать его владельцу аккумулятора хоть в машине, хоть в настенных часах, очень полезно – это поможет поступать правильно на всех этапах – выбора, обслуживания и утилизации батарейки.

Добавить комментарий