ЛЕКЦИЯ 1. АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

ТЕМА 1. СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Аккумуляторные батареи обеспечивают питанием потребителей при неработающем двигателе внутреннего сгорания (ДВС) или при недостаточной мощности, развиваемой генератором. При работающем ДВС батарея включается к потребителям параллельно с генератором. Такое включение устраняет перегрузки генератора и сглаживает пульсации его напряжения, а батарея исполняет роль резервного источника электрической энергии при отказе генератора, обеспечивает питание всех потребителей и возможность дальнейшего движения автомобиля.

Наиболее мощным потребителем энергии аккумуляторной батареи является электростартер. В зависимости от мощности стартера и условий пуска двигателя сила тока стартерного режима разряда может достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер. После разряда на пуск ДВС и питания других потребителей батарея подзаряжается от генераторной установки. Чередование режимов разряда и заряда (циклирование) – одна из характерных особенностей работы батарей на автомобилях.

Обычно аккумуляторные батареи на автомобилях после пуска двигателя работают в режиме подзаряда. Однако на некоторых видах автомобилей устанавливают электро и радиооборудование повышенного энергопотребления, работающее при включенном и выключенном ДВС. На таких автомобилях батареи могут подвергаться длительным разрядам токами большой силы и должны быть устойчивы к глубоким разрядам.

Условия, в которых работает аккумуляторная батарея, зависят от типа, назначения, климатической зоны эксплуатации автомобиля, а также от места установки ее на автомобиле. Режимы работы батареи определяются температурой электролита, уровнем вибрации и тряски, периодичностью, объемом и качеством обслуживания, параметрами стартерного разряда, силой токов и продолжительностью разряда и заряда при циклировании, продолжительностью работы и перерывов в эксплуатации.

Наибольшее влияние на работу аккумуляторных батарей оказывают место размещения и способ крепления на автомобиле, интенсивность и регулярность эксплуатации автомобиля, температурные условия эксплуатации (климатический район, время года и суток), соответствие характеристик генераторной установки, аккумуляторной батареи и потребителей электроэнергии.

2. ТРЕБОВАНИЯ К СТАРТЕРНЫМ БАТАРЕЯМ

К стартерным аккумуляторным батареям предъявляются следующие основные требования:

максимальное рабочее напряжение, которое определяется ЭДС одного аккумулятора батареи и их количеством в последовательном соединении;

минимальная общая масса;

минимальное внутреннее сопротивление (особенно при пониженных температурах);

малое изменение напряжения в процессе разряда;

максимальное количество энергии, отдаваемой с единицы массы;

быстрое восстановление емкости в процессе заряда;

малые габариты и большая механическая прочность;

надежность и простота обслуживания в эксплуатации;

малая стоимость при массовом производстве.

Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют свинцово-кислотные аккумуляторы. Они получили самое широкое распространение в качестве стартерных для автомобилей.

3. ПРИНЦИП РАБОТЫ СВИНЦОВО-КИСЛОТНОГО

Свинцовый аккумулятор – это химический источник тока. Он представляет совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Восстановитель (отрицательный электрод) в процессе токообразующей реакции отдает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восстанавливается. Восстановителем служит губчатый свинец Рb, а окислителем – двуокись свинца РbО₂. Электролит – водный раствор серной кислоты Н₂SО₄ с массовой концентрацией от 28 до 40 %. Активные вещества электродов представляют собой относительно жесткую пористую электронопроводящую массу. Средний диаметр пор положительного электрода лежит в пределах 1÷2 мкм, а отрицательного – 5÷10 мкм. Объемная пористость активных веществ в заряженном состоянии – около 50%.

Физические процессы, происходящие в аккумуляторе, связаны со свойством электролитического растворения металлов, которое заключается в переходе положительно заряженных ионов металла в раствор. Ионы свинца обладают этим свойством в большей степени, чем ионы других металлов. При погружении губчатого свинца в раствор электролита от свинца начинают отщепляться ионы и переходить в раствор. При этом электрод заряжается отрицательно, а раствор электролита – положительно. Возникающая разность потенциалов ∆φ препятствует выделению ионов из свинца. При определенном значении разности потенциалов ∆φ₀ наступает состояние равновесия между силами электролитической упругости растворения, с одной стороны, и силами электростатического поля, – с другой. Растворение свинца прекращается.

При погружении положительного электрода РbО₂ в раствор серной кислоты двуокись свинца в ограниченном количестве переходит в раствор, где соединяясь с водой ионизируется на четырехвалентные ионы свинца Рb 4+ и одновалентные ионы гидроокисла ОН-. Четырехвалентные ионы свинца осаждаются на электроде и создают положительный потенциал относительно раствора.

При разряде аккумулятора процессы протекают в обратном порядке, т. е. расходуется серная кислота, образуется вода Н₂О, а на обоих электродах – сульфат свинца РbSО₄. Поэтому измерение плотности или концентрации электролита служит удобным и точным средством определения степени заряженности аккумулятора.

Вместе с образованием воды происходит выделение кислорода и водорода, причем, кислорода – на положительном электроде, а водорода – на отрицательном. Процесс выделения газов определяется разностью между потенциалом электрода и напряжением начала выделения газа (так называемое «перенапряжение газа»). Чем больше «перенапряжение», тем больше интенсивность выделения газа и наоборот. На величину напряжения начала выделения газа значительное влияние оказывают примеси в материалах электродов.

4. УСТРОЙСТВО СТАРТЕРНЫХ БАТАРЕЙ

Устройство стартерных свинцово-кислотных батарей показано на рис. 1.1. Батарея представляет совокупность из нескольких последовательно соединенных отдельных аккумуляторов. Все токоведущие детали изготавливаются из свинца или свинцовых сплавов. Электроды 1 с активными веществами конструктивно выполняются в виде пластин, представляющих собой профилированные решетки, в которые вмазана паста, образующая активную массу. Решетки отливают из свинцовых сплавов.

В полностью заряженном свинцовом аккумуляторе диоксид свинца положительного электрода имеет темно-коричневый цвет, а губчатый свинец отрицательного электрода – серый. Масса решетки составляет до 50% массы пластины. Решетки положительных пластин, более подверженные коррозии, имеют более толстое сечение. Среднее значение толщины пластин для батарей, устанавливаемых на легковых автомобилях, составляет 1,5÷2 мм. Решетки стартерных батарей изготавливают в форме, близкой к квадратной. Обычно их ширина равна 143 мм, а высота – 119 или 133,5 мм. Такая форма обеспечивает равномерное распределение тока по всей массе активных материалов.

С помощью бареток 2 собираются полублоки положительных 3 и отрицательных 4 пластин. Баретка имеет борн и мостик 5. К мостику припаиваются ушки пластин, и он определяет расстояние между ними. Борн является токоотводом полублока пластин.

Пластины в полублоке соединены параллельно. Число пластин зависит от требуемой емкости аккумуляторной батареи. Полублоки пластин объединяются в блок 6. Число отрицательных пластин в блоке обычно на одну больше, чем положительных, и они являются в блоках крайними.

Между пластинами в блоках устанавливаются сепараторы 7 – разделители из кислотостойкого материала (мипора, минпласта, поровинила). Они исключают соприкосновение разноименных электродов и исключают короткое замыкание между ними.

Блоки пластин в сборе с сепараторами устанавливаются в ячейки моноблока 8. Моноблок – это единый корпус батареи, разделенный герметичными изоляционными перегородками на три или шесть ячеек (соответственно на 6 или 12 В). Дно моноблока снабжается донными призмами 9, на которые опираются пластины блоков. Благодаря призмам в нижней части моноблока образуется шламовое пространство, в котором накапливается постепенно осыпающаяся с электродов активная масса. Корпус моноблока изготавливают из термопласта (наполненного полиэтиленом), полипропилена или полистирола. Эти материалы обеспечивают необходимую прочность, достаточно малую массу моноблока, морозоустойчивость и стойкость к воздействию кислоты.

На современных батареях применяют единые крышки, привариваемые или приклеиваемые к моноблоку. Крышки имеют отверстия для вывода борнов и заливки электролита. Заливные горловины закрываются пробками 10 с вентиляционными отверстиями. Специальные отражатели в пробках и предохранительный щиток 11 препятствуют выплескиванию электролита через вентиляционные отверстия при наклоне батарей от нормального рабочего положения на угол 45º.

Отдельные аккумуляторы соединяются в батарею с помощью перемычек 12. перемычки изготавливают из свинцово-сурмянистого сплава и, как правило, устанавливают снаружи над крышкой. В новых конструкциях моноблоков межэлементные соединения пропускаются через отверстия в перегородках.

Большая часть недостатков, присущих свинцово-кислотным аккумуляторам (снижение уровня электролита, ускоренная коррозия решетки положительного электрода, саморазряд др.), обусловлена наличием сурьмы (4,5÷7 %) в сплаве свинца, используемого для изготовления решеток электродов. Исследования, направленные на устранение недостатков, привели к созданию необслуживаемых батарей.

Появление необслуживаемых батарей стало возможным благодаря применению решеток из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов и свинцово — сурьмянистых сплавов с уменьшенным содержанием сурьмы.

Необслуживаемые батареи со свинцово-кальциево-оловянистыми и мало — сурьмянистыми сплавами имеют малое газовыделение и саморазряд, меньшие размеры, меньшую вероятность выхода из строя, их можно устанавливать в труднодоступных местах. Срок эксплуатации таких батарей без добавления электролита достигает 400÷500 тыс. км пробега автомобиля.

Из-за технологических трудностей изготовления решеток из сплава свинца, кальция и олова применение нашли батареи с ограниченным объемом обслуживания. Решетки таких батарей имеют пониженное содержание сурьмы (до 2,5÷3 %). В отечественных необслуживаемых батареях по сравнению с обычными батареями содержание сурьмы в сплаве решеток электродов уменьшено в 2÷3 раза. Для улучшения технологических и эксплуатационных свойств малосурьмянистых сплавов в них добавляют медь (0,02÷0,05 %), серу и селен (до 0,01 %).

Необслуживаемые батареи могут выпускаться в герметичном исполнении и не иметь пробок заливных горловин. Для определения степени разряженности такие батареи снабжаются индикатором заряженности. Цвет такого индикатора изменяется при уменьшении заряженности ниже определенного уровня. В зимнее время возникает опасность замерзания электролита разряженной батареи.

1.1. Какими причинами обусловлено применение аккумуляторных батарей и режим их работы на автомобилях?

1.2. Перечислите основные требования, предъявляемые к аккумуляторным батареям.

1.3. Почему в качестве электродов свинцово-кислотного аккумулятора используются губчатый свинец и двуокись свинца?

1.4. Поясните физические процессы заряда и разряда аккумулятора.

1.5. Почему плотность электролита определяет степень заряженности аккумулятора?

1.6. Какой цвет имеют решетки положительного и отрицательного электродов заряженного аккумулятора?

1.7. Каким параметром аккумулятора определяется число пластин в полублоках электродов?

1.8. Для чего моноблок аккумулятора снабжается донными призмами?

1.9. Какие конструктивные элементы препятствуют выплескиванию электролита через вентиляционные отверстия пробок?

1.10. Чем обусловлено и к каким недостаткам приводит применение сурьмы при изготовлении решеток электролитов?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

АКБ — что это, устройство и принцип работы аккумулятора в автомобиле

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

Далее рассмотрим каждый элемент конструкции.

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.

• Гелевые электролиты

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;

Далее рассмотрим для каких двигателей, какие аккумуляторы подходят. Это таблица для бензиновых моторов:

• 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.

• Гелевые аккумуляторы

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

Гелевая АКБ

• Литий-ионные аккумуляторы

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

• Графен-полимерные аккумуляторы

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.