Устройство автомобильного аккумулятора- как устроен?

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 свинцово-кислотные аккумуляторы. Рассмотрим их устройство.

Как работает аккумулятор 4 turion

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.

Как работает аккумулятор 3 turion

При заряде происходят обратные реакции. Под воздействием внешнего напряжения 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 напряжение 2 В, поэтому на клеммах аккумулятора из 6 ячеек и получается 12 В.

Исторический обзор

Разработку первого гальванического элемента приписывают итальянскому физику Алессандро Вольта. Он проводил серию экспериментов с электрохимическими явлениями в течение 1790-х годов и примерно в 1800-м создал первую батарею, которую современники назвали «вольтовым столбом».

Устройство состояло из чередующихся цинковых и серебряных дисков, разделённых слоями бумаги или ткани, которые были смочены в растворе натрия гидроксида.

Эти эксперименты стали основой работы над количественными законами электрохимии для Майкла Фарадея. Он описал принцип действия аккумулятора и на основе работ учёного были созданы первые коммерческие электрические элементы.

Устройство и принцип работы

Батареей называют устройство, которое преобразует энергию химических реакций в электрическую. Хотя термин «батарея» и обозначает сборку из двух или более гальванических элементов, способных к такому преобразованию, в широком смысле он применяется и к единичному элементу такого типа.

Каждый такая ячейка имеет катод (положительный электрод) и анод (отрицательный). Эти электроды разделены электролитом, обеспечивающим обмен ионами между ними. Электродные материалы и состав электролита подбираются таким образом, чтобы обеспечить достаточную электродвижущую силу между клеммами батареи.

Поскольку электроды содержат ограниченный потенциал химической энергии, батарея во время работы будет истощена.

Тип гальванических элементов, который приспособлен для пополнения после частичного или полного разряда, называется аккумуляторами. Сборка из таких соединённых между собой ячеек — аккумуляторной батареей.

Особенности зарядки и разрядки

Энергия, используемая для восстановления ёмкости АКБ, поступает из зарядных устройств, подключённых к электрической сети. Чтобы заставить ток протекать внутри элементов, напряжение источника должно быть выше, чем у батареи.

Значительное превышение расчётного зарядного напряжения может привести к выходу АКБ из строя.

Алгоритмы зарядки напрямую зависят от того, как устроен аккумулятор и к какому типу он относится. Например, некоторые батареи могут безопасно пополнять свою ёмкость от источников постоянного напряжения. Другие работают только с регулируемым источником тока, способными менять параметры в зависимости от уровня заряда.

Неверно организованный процесс заряда может повредить батарею. В крайних случаях возможно возгорание АКБ или взрыв её содержимого.

Существуют интеллектуальные аккумуляторы, оснащённые устройствами контроля напряжения.

Типы аккумуляторов

Конструктивно батареи различаются в зависимости от назначения и от типа протекающих в них электрохимических реакций.

В дополнение к способности перезаряжаться, аккумуляторные батареи, в сравнении с обычными гальваническими элементами, характеризуются высокой плотностью мощности и хорошей производительностью даже при низких температурах. В зависимости от состава электролита, материалов электродов и особенностей конструкции можно выделить три распространённых типа аккумуляторов.

Свинцово-кислотные

Эти АКБ имеют самую долгую историю популярности в качестве автономных источников питания. Большинство таких батарей изготовлены из свинцовых пластин или сеток, где одна из решёток (положительный электрод) покрыта диоксидом свинца в кристаллической форме. Электролит, состоящий из серной кислоты, участвует в реакциях свинца и диоксида свинца с образованием сульфата свинца. Перемещение ионов последнего образует ток разряда. Заряд происходит при помощи восстановления током заряда диоксида свинца на катоде.

Этот тип батарей был востребован на протяжении более чем сотни лет благодаря следующим особенностям:

Автомобильный аккумулятор — наиболее известный свинцово-кислотный перезаряжаемый источник питания. Широко их применение в качестве тяговых в автофургонах, погрузчиках и других транспортных средствах. Хотя большинство их портативны, некоторые могут весить несколько тонн.

Щелочные батареи

В этом типе батарей электрическая энергия генерируется в результате химических реакций в щелочном растворе с использованием различных электродных материалов.

Литиевые перезаряжаемые устройства

К ним относятся аккумуляторы с литиевым анодом или использованием в электрохимической реакции ионов лития. На момент появления батареи на основе металлического лития были многообещающими благодаря впечатляющему потенциалу к миниатюризации, но оказались крайне нестабильны из-за риска протекания бурных химических реакций на аноде.

Поэтому основной коммерческий успех этого типа АКБ состоялся с применением литий ионных технологий, суть которых заключалась в том, что вместе с отказом от металлического анода роль электролита взяли на себя сложные соли лития.

Благодаря высокой плотности накапливаемой энергии и ничтожному саморазряду, этот тип АКБ популярен как источник питания потребительской электроники.

Главный недостаток литиевых батарей — риск неожиданного возгорания от перегрева.

Даже самые современные из них оснащаются дополнительным электронным контролем процессов зарядки-разрядки в целях безопасности. Литий полимерные батареи — более совершенные в своём классе. В них вместо жидкого электролита используют твёрдый полимерный. Эти батареи легче обычных литий ионных, но из-за высокой цены не смогли полностью их заменить.

Прогресс не стоит на месте. Сейчас инженеры и технологи разрабатывают модели принципиального устройства аккумуляторов будущего, которые придут на смену литий-ионным аккумуляторам.

Появление наноматериалов способно дать толчок новому витку эволюции батарей с такими удивительными для современных устройств свойствами, как

• мгновенная зарядка
• эластичность
• сверхкомпактность
• экологическая безопасность.

Что такое аккумуляторная батарея?

В широком смысле под этим понятием подразумевают устройство, что при одних условиях использования может накапливать какой-либо вид энергии, а при других – расходовать, чтобы удовлетворить нужды человека.

Аккумуляторы аккумулируют электричество от внешнего источника питания, а потом отдают её подключенным потребителям, чтобы они смогли делать свою работу. Так, когда устройства работают, постоянно протекают химические реакции между электролитом и электродными пластинами. Кстати, подобная конструкция размещена в банках, из которых и формируются аккумуляторные батареи. Устройство данных конструкций предусматривает создание напряжения, как правило, 1,2-2 В, что весьма мало. Поэтому для увеличения показателей источников питания и применяются разные типы соединения.

Как работают при разряде аккумуляторные батареи?

Устройство данных источников питания предусматривает подключение к плюсу и минусу. Функционируют они следующим образом: когда к электродам подключается нагрузка (в качестве примера можно рассмотреть лампочку), то возникает замкнутая электрическая цепь. По ней начинает протекать ток разряда. Формируется он благодаря движению электронов, анионов и катионов. Более детальную информацию о том, что и как протекает, можно рассказать только на конкретном примере.

Допустим, что у нас есть аккумулятор, где положительный электрод – это окись никеля, в который был добавлен графит для повышения проводимости. Для отрицательной пластины применяли губчатый кадмий. Так вот, когда идёт разряд, то частицы активного кислорода выделяются и попадают в электролит. При этом от них отделяются части, которые идут как электричество (те же электроны). Затем частицы активного кислорода направляются в сторону отрицательных пластин, где они окисляют кадмий.

Функционирование аккумулятора при заряде

Необходимо отключить нагрузку на клеммах пластин. На них же подаётся, как правило, постоянное напряжение (но может быть и пульсирующее, зависит от случая), которое больше, чем величина батареи, что заряжается. Причем полярность должна быть одинаковой. То есть минусовые и плюсовые клеммы потребителя и источника обязаны совпадать.

Учтите, что зарядное устройство обязательно должно обладать большей мощностью, чем есть в аккумуляторе, чтобы подавлять остатки энергии в нем и создавать электрический ток, направление которого будет противоположным разряду.

В результате меняются и химические процессы, которые протекают в аккумуляторной батарее.

Давайте рассмотрим пример из предыдущего подпункта статьи. Здесь уже положительный электрод будет обогащаться кислородом, а на отрицательном восстановится чистый кадмий. Подводя итог, можно сказать, что во время заряда и разряда меняется только химический состав электродов. Это не относится к электролиту. Но он может испаряться, что негативно будет сказываться на времени работы батареи.

Итак, мы рассмотрели принцип работы любого аккумулятора. Теперь давайте узнаем, как во время эксплуатации можно улучшить их характеристики.

Параллельное соединение

Величина тока зависит от значительного количества факторов. В первую очередь под этим понимают конструкцию, применяемые материалы и их габариты. Чем большую площадь имеют электроды, тем большие показатели тока они смогут выдержать. Этот принцип используется для параллельного соединения однотипных банок в аккумуляторах. Такое делается, если необходимо увеличить значение тока, что идёт на нагрузку. Но вместе с этим приходится и поднимать мощность источника энергии.

Последовательное соединение

Если рассматривать банки, из которых состоят аккумуляторные батареи, то необходимо сказать, что они находятся, как правило, в одном корпусе. Подобный тип соединения используется, чтобы получить большие показатели напряжения с меньшими потерями.

Увидеть применение этой конструкции можно, разобрав автомобильные батареи, которые являются свинцово-кислотными. Стоит сказать, что этот тип применяется не только в устройстве автомобильного аккумулятора, это просто самый вероятный способ разобрать, как же работает подобный тип соединения. В таком случае необходимо позаботится о том, чтобы не было металлического контакта, а существовала надежная гальваническая связь через электролит.

Но это только нужно понимать в отношении данного типа. В других случаях по-другому будет реализовываться поставленная задача соединения.

Устройство электродов

В качестве примера мы возьмём свинцовые пластины. Хотя таковыми они были раньше. Современные пластины изготавливаются из свинцово-кальциевого сплава. Благодаря этому достигается низкий уровень саморазряда батареи (50% емкости теряется за 18 месяцев). Также это позволяет экономно расходовать воду (всего 1 грамм на ампер-час).

Можно встретить и гибридную конструкцию, где, кроме свинца, в положительный электрод добавляется сурьма, а в отрицательный – кальций. Правда, в таких случаях имеется повышенный расход воды. Чтобы повысить стойкость к коррозийным процессам, добавляют олово или серебро.

Электроды изготавливаются с решетчатой структурой, их покрывают слоем активной массы. Принцип работы аккумуляторной батареи в немалой степени зависит от того, какой материал используется для пластин. Мы рассматриваем свинцовые, которые просты для изучения, но ориентироваться на них всегда не рекомендуем.

Электролит

Рассматриваем все те же свинцово-кислотные батареи. В качестве электролита, в который они помещаются, чаще всего выступает серная кислота. Она обладает определённой плотностью, которая может меняться в зависимости от уровня заряда батареи.

В данном случае действует принцип: чем больше, тем выше. Со временем электролит улетучивается, и емкость аккумуляторной батареи падает. На сроке службы сказываются особенности эксплуатации (соблюдение техники безопасности).

Эксплуатация аккумуляторных батарей

Использование аккумуляторов можно наблюдать практически везде. Вспомните свои мобильные телефоны или источники бесперебойного питания для компьютеров. В качестве примера можно привести и обычный фонарик (современные образцы всё чаще изготавливаются со встроенным аккумулятором и не рассчитаны на гальванические элементы).

А автомобили? Системы «стоп-старт» и рекуперативного торможения работают от аккумуляторов, причем они выдвигают высокие требования к пусковому току, глубокому разряду и долговечности. Как видите, без этих источников питания сложно обойтись в современной жизни любому человеку.

Что нужно знать про АКБ

Назначение аккумулятора – запуск двигателя, а вот о другой функции – использовать как аварийный источник питания, знают немногие. В данной статье мы поговорим как обслуживать автомобильный аккумулятор и как происходит зарядка, а сначала разберем работу аккумуляторной батареи.

Аккумулятор – это контейнер который состоит из шести отдельных секций. Каждая отдельная секция представляет собой отдельный источник питания (вырабатывает каждая секция около 2,1 В), внутри секции находятся две пластины (сделаны из свинца), положительная и отрицательная, отделенные друг от друга.

Масса аккумулятора состоит из: веса электролита, свинцовых пластин и соединений, и составляет примерно 16-17 кг.

В свинцовые пластины добавляют сурьму (для увеличения прочности пластин), но к сожалению наличие сурьмы ведет к выкипанию воды из электролита, из-за чего почти во все типы аккумуляторов надо доливать воду. Благодаря прогрессу количество сурьмы в пластинах удалось уменьшить, что привело к появлению малообслуживаемых и гибридных аккумуляторов.

Сама работа аккумулятора очень проста. На положительном электроде нанесена двуокись свинца (цвет темно-коричневый), на отрицательном – губчатый свинец (серого цвета), внутрь залит электролит – водный раствор серной кислоты. При начале работы (разрядка) активная масса отрицательного электрода превращается в сульфат цинка и отдает в электрическую цепь два электрона, активная масса положительного электрода также преобразуется в сульфат цинка, и принимает из электрической цепи два электрона.

Для преобразования в сульфат цинка, как положительного, так и отрицательного электрода, тратится серная кислота — уменьшается массовая доля электролита. При зарядке, все наоборот, а также идет образование серной кислоты и увеличивается массовая доля электролита.

Обслуживание аккумуляторной батареи

Если у Вас инжекторный двигатель, то ни в коем случае, не снимайте аккумулятор с автомобиля при включенном двигателе. Это может привести: в лучшем случае к сбою работы компьютера, в худшем, к сгоранию!

Аккумуляторные батареи делятся на четыре типа: обслуживаемые, малообслуживаемые, гибридные и необслуживаемые (как выбрать аккумулятор для авто). Обсудим каждую по отдельности:

• Обслуживаемые – найти такие трудно, но возможно. По сравнению с другими у них очень много недостатков и мало плюсов, а именно: довольно-таки дорогая стоимость, эбонитовый корпус (очень хрупкий), сверху они заливаются мастикой, которая из-за перепадов температуры и загрязнения теряет свои изоляционные свойства (аккумулятор самопроизвольно разряжается, и очень быстро).

Из плюсов можно отметить возможность замены блока пластин. Из минусов — с мастики надо регулярно сдувать (убирать) грязь и часто надо доливать воду, примерно каждые 5-7 тыс.км.

• Малообслуживаемые – представлены очень широко, цены на них варьируются, от очень дешевых до дорогих, корпус пластиковый и очень надежный, воду надо заливать примерно каждые 20-30 тыс.км.
• Гибридные – относятся к малообслуживаемым, за некоторыми но: решетки положительных и отрицательных электродов состоят из разных сплавов, таким образом «гибридные» аккумуляторы сочетают в себе положительные свойства двух технологий, а именно: высокие пусковые токи, низкий расход воды и «выносливость». Найти такие трудно, да и стоимость высоковата.
• Необслуживаемые – расход воды у таких аккумуляторов так мал, что крышек для залива воды уже нет, обслуживания не требуется никакого. Но есть несколько недостатков: надо проверять натяжение ремня генератора, исправность самого генератора, регулятора напряжения и отсутствие утечек тока в системе электрооборудования. Цена на них, как на качественные малообслуживаемые, и если Вы уверены в своем автомобиле – это идеальный вариант.

Категорически не рекомендуются глубокие заряды и перезаряды аккумулятора. Это ведет к сульфатации свинцовых пластин, т.е. на пластинах появляется накипь. После такого аккумулятор восстановлению не подлежит.

Из-за этого регулярно замеряйте плотность электролита. Особенно это актуально зимой. О степени разряженности батареи можно судить по плотности электролита. 0,01 г/см3 – это примерно 6% заряда, изначальная плотность составляет 1,27 г/см3.

Заряжать батарею начинают летом – если разрядка составляет 50%, зимой – 25%. Если зимой плотность электролита упала до 1,20 г/см3, то электролит будет замерзать примерно при -20С.

Как происходит зарядка аккумуляторной батарей?

Не забывайте перед уходом из автомобиля выключать все электроприборы, иначе можете прийти к авто, а аккумулятор сел. Например, включенные габариты полностью разрядят аккумулятор примерно за 30 часов.

Зарядка автомобильного аккумулятора осуществляется двумя разными способами:

• Аккумулятор стоит непосредственно в автомобиле, двигатель работает и генератор в рабочем состоянии, зарядка идет автоматически (чем больше держите обороты, а электроприборы по возможности не включаете, тем быстрее идет зарядка).
• Вынимается аккумулятор и берется зарядное устройство, подключаются контакты минус к минусу, плюс к плюсу. Чем меньше зарядный ток, тем больше заряда получит батарея. Только не перегибайте, а то аккумулятор не «закипит» и через «месяц».

Сколько по времени происходит зарядка аккумулятора?

Аккумулятор считается полностью заряженным, когда электролит «закипел». В среднем зарядка идет около 8-10 часов, но время может сильно варьироваться, все зависит от изначального заряда батареи. После закипания нужно подождать минут 10-15 и отключить зарядное устройство, после чего аккумулятор считается полностью заряженным.

Если аккумулятор вашего автомобиля был полностью разряжен до нуля, то надо учитывать тип зарядного устройства и его величину тока. Если зарядное устройство с током 10 А, то зарядка займет 6-8 часов, а например 15 А зарядное устройство зарядит ваш АКБ за 5-6 часов. Также, все современные зарядные устройства обладают автоматическим режимом, и сами выключаются при полном заряде батареи автомобиля.

Если аккумулятор был полностью посажен, и зарядное устройство позволяет выбрать величину тока заряда, то выбирайте минимальное, от 4 до 6А. Так ваш аккумулятор будет заряжаться не менее 12 часов, зато восстановиться заметно лучше, чем при быстром заряде.

После зарядки аккумулятора желательно его тщательно промыть и просушить, т.к. на корпус батареи может попасть кислота или грязь. Это может привести к своевременному разряду АКБ, т.к. его корпус пропускает напряжение. Это можно легко проверить — нужно измерить напряжение крышки аккумулятора. Если оно отлично от нуля, то батарея пропускает напряжение и ее нужно промыть раствором соды. Только следите, чтобы данный раствор не попал в банки аккумулятора.

Назначение АКБ в автомобиле

Аккумулятор представляет собой один из ключевых элементов авто. Работая в бортовой сети автомобиля в связке генератором, он является источником электрического тока.

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.

Основные характеристики автомобильного аккумулятора

Значения всех этих параметров можно найти на этикетке АКБ или на сайте производителя.

Номинальной ёмкостью батареи называется энергия полностью заряженной батареи, которую она отдаёт в процессе разряда 20 часов. Величина выражается в ампер-час. Распространённые АКБ для автомобиля 55 Ач обязаны в течение двадцати часов обеспечивает ток 2,75 ампера. Хотя на практике такой разряд не используется. От аккумулятора требуется отдавать сотни ампер в течение нескольких секунд, когда выполняется запуск двигателя. Иногда можно встретить понятие резервной ёмкости. Это значение представлено в минутах.

К примеру, аккумулятор должен проработать 90 минут при токе разряда 25 ампер и при этом напряжение не должно упасть ниже 10,5 вольта. По-простому говоря, это время, которое аккумуляторная батарея будет обеспечивать свои функции, и подменять генератор. Что касается напряжения, то на легковых автомобилях устанавливаются АКБ с номиналом 12 вольт без вариантов. Величина тока холодной прокрутки показывает значение, отдаваемое АКБ при температуре минус 18 градусов Цельсия в течение 10 секунд.

Напряжение на аккумуляторе не должно упасть ниже 7,5 вольта. То есть, ток прокрутки показывает, насколько резво и долго батарея сможет крутить стартер в мороз.