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