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

Завести двигатель невозможно без АКБ. Источник постоянного тока применяется не только для пуска мотора, но также он обеспечивает питанием всю электрику в авто. Учитывая постоянные нагрузки, он должен отвечать определенным требованиям, а они обеспечиваются благодаря соблюдению технологии производства, выбору качественных материалов и заготовок.

Объяснения понятия и назначения автомобильного аккумулятора

Существует много видов автомобильных батарей, но все они имеют схожее устройство и принцип работы. Но сначала немного истории. Впервые аккумулятор в современном понимании был представлен в 1803 году. Это был источник, состоящий из свинцовых электродов, емкости для жидкого электролита и контактных выводов. Его появление было логичным, потому что постоянно запускать мотор вручную было проблематично и очень тяжело. Далеко не каждый даже крепкий мужчина мог выдерживать подобные испытания. Появление аккумулятора повлекло за собой производство разной электрики и освещения. Современные модели не сильно отличаются от первопроходца. Опишем состав батареи малосурьмянистого типа.

Конструктивно источник постоянного тока состоит из следующих элементов:

1. Пластикового корпуса. Еще недавно его производили из металла, но из-за быстрой коррозии от этого отказались. Стали применять полимерные материалы. Производится методом литья в форму под давлением. Внутри он разделен на отдельные отсеки с перегородками для энергетических ячеек. Обязательно имеется крышка, в которую вплавлены токовые клеммы. В крышке сурьмянистых, малосурьмянистых и гибридных моделей есть пробки.
2. Электродных пластин. Они собраны в пары, положительная и отрицательная, образующие энергетические ячейки. Каждая такая пара выдает напряжение 2,1 В. Общее количество ячеек — 6, а суммарное напряжение на клеммах 12,6 В.
3. Пластины, в свою очередь, состоят из свинцовых решеток с ячейками, в которых запечатана активная паста — губчатый свинец или сульфат свинца.
4. Жидкий электролит. В него лежат пластины, среда обеспечивает транспортный коридор для заряженных ионов. Он состоит из 35% серной кислоты и 65% — дистиллированной воды.
5. Пластины между собой изолированы сепараторами. Они пропускают сквозь себя только жидкость, блокируя крупные частицы.

Свинцовые сплавы для производства пластин и токовых выводов

На долговечность автомобильного аккумулятора оказывает влияние именно используемый свинцовый сплав. Чистый свинец быстро коррозирует и разрушается, поэтому применяется технология легирования. Существует много вариантов, но наиболее распространенными стали:

1. Легирование сурьмой, свыше 5%. Этот металл добавлялся для улучшения защиты от разрушения, но батарея получила большой саморазряд и низкое напряжение гидролиза воды. В машинах без многочисленной электрики такие батареи работали по 5-6 лет. В современных авто не прослужат и 1 года.
2. Легирование сурьмой в меньшем количестве, до 5%. Батареи стали дольше сохранять заряд, но это особо не исправило положение. Источник по-прежнему имел большой саморазряд и недостаточные токи.
3. Легирование сурьмой и кальцием. Метод сделал автомобильные аккумуляторы более выносливыми. Также они стали выдавать больший ток и терять меньше заряда во время хранения. Корпус батарей по-прежнему оснащен пробками для обслуживания, но количество доливаемой воды существенно меньше. При соблюдении технологии, интенсивность ее испарения — в 12 раз меньше. Для определения типа эти батареи классифицируются по количеству воды на 4 вида.
4. Легирование кальцием. Такой источник постоянного тока прослужит еще дольше и уже не содержит пробок для обслуживания. Минимальный срок службы — от 6 лет. Количество кальция в сплаве небольшое, всего 0,1%, но эффект от него большой.

Безопасность эксплуатации

Одной из главных проблем в разработке аккумуляторных батарей является герметичность корпуса, и как следствие, безопасность его эксплуатации. Были опробованы разные материалы для изготовления оболочки, но самым эффективным оказался полимер и его разновидности. Ящик для жидкого электролита и пластин делается герметичным за исключением установки клапана VRLA. Это специальное аварийное устройство, которое все же выбросит наружу в окружающую атмосферу ядовитые серные испарения. Корпуса современных батарей делаются достаточно прочными, чтобы выдержать давление свыше 2 атм, создаваемое внутренними газами во время зарядки. Если батарея обслуживаемая и в крышке есть пробки, то они оснащены кислотостойкими уплотнениями. Такие аккумуляторы следует заряжать в открытом или проветриваемом помещении.

Устройство современного аккумулятора

Современные автомобильные аккумуляторы не сильно отличаются от своих предшественников, за исключением добавления небольших деталей для улучшения эксплуатационных характеристик источника питания. В конструкцию современных батарей входят:

1. Пластиковый корпус с ребрами жесткости и перегородками внутри, для разделения пространства на ячейки.
2. Крышка с заливными пробками. В новых моделях они есть, но скрыты под наклейкой или панелью, так как не предназначены для вскрытия. Многие производители для увеличения эффективности своей батареи оснащают крышку специальной лабиринтной структурой. С помощью нее образующиеся испарения внутри корпуса конденсируются и превращаются обратно в жидкость.
3. Защитный клапан. Он имеется не во всех моделях. Служит аварийным сбросом критического давления.
4. Пара электродов, положительная и отрицательная решетки. Они имеют особую схему расположения лучей, обеспечивающую равномерный обмен заряженными электронами между пластинами.
5. Сепаратор. В современных батареях используется изолятор конвертного типа, изготовленного из волокнистого стекловолокна. Если активная обмазка на пластинах начнет осыпаться, то она все равно останется контактировать с электродом и батарея продолжит работу. Использование конвертов полностью исключает короткое замыкание в ячейках.
6. Пластины соединены между собой бареткой. Она формируется на этапе литься комплекта решеток. Сформированные гребенки собираются в ячейку, соединены между собой межэлементными перемычками.
7. На поверхность выходят клеммы. Они бывают трех типов в зависимости от стандарта: азиатские малые, европейские и американские.

Принцип работы автомобильного аккумулятора

Работу автомобильного аккумулятора можно рассматривать двумя режимами: разряд и заряд. Также происходящую реакцию внутри корпуса батареи можно описать двумя химическими уравнениями. В первом случае диоксид свинца, серная кислота и чистый свинец вступают в реакцию и образуют сульфат свинца, воду и соль. При подаче электричества на клеммы происходит реакция восстановления свинца и его диоксида с одновременной очисткой водно-кислого раствора.

Более подробно объяснить происходящие процессы можно при помощи свойств электролитического растворения металлов. В нем положительно заряженные ионы металла, в данном случае свинца, переходят в раствор. Так как свинец легко окисляется, то он стал самым подходящим для подобной реакции. Когда же подать электричество на клеммы, свинцовые электроды восстанавливаются с образованием частичного осадка.

В идеальном случае процесс должен протекать бесследно, но из-за несовершенства сплава, снижения плотности электролита и прочих факторов раствор постепенно засоряется сульфатами. Здесь уместно вспомнить про плотность. Она показывает количество кислоты в единице объема. Например, для среднего по емкости аккумулятора она должна составлять 1,25 г/см³, то есть, в 1 грамме воды содержится 25% кислоты. Эта величина в зависимости от состояния заряда и температуры окружающей среды изменяется в обе стороны. По мере разряда раствор насыщается сульфатами и концентрация кислоты падает. При зарядке происходит обратный процесс и исходный состав раствора восстанавливается.

Также плотность электролита изменяется из-за испарения воды, которое возникает в результате реакции гидролиза. Это не что иное, как перезарядка, то есть, на ячейке напряжение поднимается выше номинального значения. Это возможно только в сурьмянистых и малосурьмянистых батареях, так как гидролиз начинается уже при >2,1 В. Именно поэтому в такие АКБ периодически нужно заливать дистиллированную воду.

Маркировка АКБ

Каждый автомобильный аккумулятор обладает определенной маркировкой. Разберем на примере отечественных моделей с пояснениями. Например, 6СТ-55А3, 270 (DIN), 440 (EN). В маркировке может быть разное количество элементов, но на отечественных моделях могут быть указаны:

• СТ — тип батареи, это стартерная модель.
• 55 — емкость аккумулятора в А/ч;
• 270 А (DIN) — величина пускового тока, измеренного по стандарту DIN.

В маркировке также будет указана полярность буквой L или R+, левая и правая, соответственно.

Новые типы АКБ

Постепенно на рынок выходят новые автомобильные аккумуляторы — гелевые. Их особенность заключается в консистенции электролита — желеподобная масса с оксидом кремния. Это связующее вещество, благодаря которому раствор удерживается в прямом контакте с электродами. Гелевая масса обволакивает пластины и удерживает их в таком состоянии даже в перевернутом виде, поэтому они часто устанавливаются на водный транспорт.

Также в продаже уже есть литий-ионные АКБ. Такие батареи мы привыкли видеть в мобильных телефонах, а не авто. Но время идет, и они были представлены. Преимущества понятны — если обычная батарея имеет не более 400 циклов заряд/разряд до разрушения пластин, у гелевой этот показатель увеличен до 1000 и более, а вот у литиевых он равен 1500 и больше. То есть, батарея прослужит в 4-6 раз дольше, чем классическая свинцово-кислотная. Но она более критичная к механическим повреждениям, что нужно учитывать при покупке. К тому же, она дороже более, чем в 10 раз по сравнению с гибридной на тот же ток и напряжение.

Скоро в массовом потреблении появится графен-полимерная батарея. В производстве она менее затратна по материалам, но сложна в изготовлении. Конечная, стоимость такой батареи будет в несколько раз меньше литиевой, но срок службы еще больше. Такие АКБ переживут автомобиль и будут работать дальше.