АКБ: устройство, принцип работы, характеристики автомобильного аккумулятора

Устройство и принцип работы АКБ

Конструкция автомобильного аккумулятора

Каждый, кто хоть раз держал в руках автомобильный аккумулятор, знает, сколько весит это устройство. Причина этого заключается в том, что он плотно упакован свинецсодержащими элементами.

Конструкция аккумулятора.

В легковых автомобилях, требующих 12-вольтовой батареи, используется стандартная схема.

1. Шесть 2-вольтовых элементов (обычно называемых банками) соединены в общем корпусе.
2. Каждая ячейка состоит из положительного и отрицательного электродов: свинцовых решеток, на которых «напечатан» активный ингредиент. Электроды разделены сепараторами, чтобы они не соприкасались друг с другом.
3. Все это заполнено электролитом — смесью воды и серной кислоты.

Активный компонент на сетках различается по составу: для анода (положительного электрода) используется диоксид свинца, а для катода (это отрицательный электрод) — губчатый свинец. В обоих случаях к свинцовым компонентам добавляются вспомогательные вещества (лигатуры) для улучшения характеристик батареи.

Принцип действия.

Принцип работы аккумулятора

В форме, описанной выше, батарея считается «заряженной». Когда любое устройство, требующее энергии, подключается к клеммам аккумулятора, свинцовые компоненты вступают в реакцию с оксидом серы и водой. Сера и свинец вступают в реакцию и превращаются в сульфат свинца и воду. Кислоты в электролите становится меньше, воды больше, плотность электролита уменьшается, и через некоторое время серы становится недостаточно для реакции со свинцовыми компонентами. Аккумулятор разряжается.

Читайте также: Рулевая колонка: конструкция, регулировка, ремонт

Основные технические характеристики аккумуляторов

Номинальная емкость аккумулятора

Номинальная емкость элемента — это способность накапливать и отдавать электроэнергию при постоянном токе; она определяет время автономной работы ИБП. Емкость электрической батареи показывает время, необходимое для подачи энергии на подключенную нагрузку.

Важно: Емкость не указывает на полную энергию батареи, т.е. энергию, которая может быть запасена в полностью заряженной батарее. Чем выше напряжение батареи, тем больше энергии она содержит.

Емкость всегда указывается на аккумуляторе, а также на упаковке, поскольку именно по этому критерию большинство пользователей выбирают подходящую модель.

Пусковой ток

Ток, потребляемый двигателем стартера при запуске силового агрегата, называется пусковым током. Пусковой ток или ток стартера вырабатывается при повороте ключа зажигания и запуске двигателя стартера. Единицей измерения является ампер. Ток холодного пуска — это показатель того, как поведет себя аккумулятор в холодную погоду и сможет ли он запустить двигатель при отрицательных температурах. Он показывает количество тока, которое батарея способна выдать в первые 30 секунд при температуре -18°C. Высокие пусковые токи увеличивают вероятность запуска автомобиля при отрицательных температурах.

Полярность

Порядок, в котором клеммы аккумулятора, т.е. соединения проводов тока, расположены на крышке аккумулятора, называется полярностью. Имеется только два полюса, положительный и отрицательный, а цепи — прямая и обратная.

Прямая полярность — это национальная разработка. Чтобы определить его, поверните батарею так, чтобы этикетка находилась перед глазами. Если плюсовая клемма находится слева, а минусовая — справа, можно сказать, что батарея имеет прямую полярность. В иностранных автомобилях устанавливаются аккумуляторы с обратной полярностью.

Прямая обратная полярность

Исполнение корпуса

Большинство батарей имеют ударопрочный полипропиленовый корпус, который характеризуется как легкий материал, не вступающий в химическую реакцию с коррозийным электролитом в батарее. Он достаточно устойчив к перепадам температур, происходящим под капотом автомобиля, при жаре до +60 ̊C и морозе до -30°C. Корпус большинства аккумуляторов состоит из ручки для переноски, заглушки, индикатора заряда и клемм для подключения к сети. Вес батареи емкостью 55 Ач составляет приблизительно 16,5 кг. Традиционно появляются американские, европейские, азиатские и российские типы жилья.

Европейский и американский типы имеют одинаковые размеры. Например, батареи емкостью 60 Ач имеют общую высоту от 17,5 до 19 сантиметров. Азиатские немного выше, до 22 сантиметров, из-за верхнего расположения электродов. Поэтому важно проанализировать возможности пространства под капотом, чтобы защитить аккумулятор клеммной колодкой и избежать короткого замыкания в случае случайного контакта с металлическими частями кузова.

В случае батарей европейского типа клеммы утоплены, а их верхний край не выступает над поверхностью крышки. Иногда клеммы дополнительно защищены от внешних воздействий специальными крышками. Корпус азиатского типа представляет собой коробку, в которой клеммы расположены на верхней крышке, а верхний край клемм является самой высокой точкой батареи. О том, какую клемму следует отсоединить от аккумулятора в первую очередь, читайте здесь. 

Важно: При покупке батареи обратите внимание, что европейские производители указывают размеры батареи относительно ее корпуса. Азиатские бренды могут указывать высоту батареи с клеммами или без них.

Стандартный российский аккумулятор

Идентификация	Описание письма
А	Батарея имеет общую крышку для всего корпуса
З	Корпус батареи затоплен, и батарея полностью заряжена в начале
Э	Корпус батарейного моноблока изготовлен из эбонита
Т	Корпус моноблока аккумулятора изготовлен из термопластичного материала
М	В корпусе используются пластиковые обоймы из ПВХ мин.
П	В конструкции используются полиэтиленовые сепараторы конвертного типа

Европейские и американские гильзы имеют одинаковые размеры

Тип и размер клемм

Батареи выпускаются с тремя различными размерами клемм: евро тип — 1, и азиатский тип — 3, тип bolt-on — американский стандарт. Клеммная колодка евро типа имеет диаметр 19,5 мм для плюсовой стороны и 17,9 мм для минусовой стороны. В Азии диаметр плюсовой клеммы составляет 12,7 мм, а диаметр минусовой клеммы — 11,1 мм. Винтовые клеммы расположены на боковой стороне батареи и на верхней части. Винт, соединенный с кабелем, вставляется через отверстие в клемме и фиксируется гайкой.

американский стандарт

Тип крепления

При выборе батареи особое внимание следует уделить типу крепления батареи, при этом батарея должна крепиться либо снизу, либо сверху. Элемент с верхним расположением крепится с помощью специальной монтажной рамы, которая закрывает батарею. Батарея крепится с помощью стержня и двух штырей. Такой способ установки и крепления аккумулятора чаще встречается на китайских или корейских автомобилях.

Этот тип крепления распространен в азиатских автомобилях.

Нижнее крепление используется на европейских автомобилях. На нижней стороне корпуса батареи имеется выступ, который с помощью пластины и болта крепит батарею к платформе.

Нижняя скоба

Виды аккумуляторов

Пытаясь улучшить характеристики автомобильных батарей, инженеры испробовали множество способов. В результате сегодня мы имеем различные типы батарей, которые отличаются по химическому составу активных компонентов и по конструкции.

Классификация по составу активного вещества

В первых аккумуляторах использовались свинцовые пластины, но их конструкция вскоре стала неудовлетворительной для инженеров и потребителей: они были тяжелыми, неэффективными и недолговечными.

1. Первым усовершенствованием стало добавление сурьмы к свинцу, что серьезно увеличило срок службы батареи.
2. Следующим шагом было снижение процентного содержания сурьмы до оптимальной концентрации. Это привело к разработке смесителей, не требующих особого ухода, так что воду приходилось доливать гораздо реже.
3. Следующим шагом стало использование металлического кальция для покрытия пластин, и так появились кальциевые батареи (они же Ca-Ca). Кальций существенно изменил рабочие параметры батареи: раньше потеря воды в результате электролиза при напряжении 12 вольт требовала постоянной доливки, но кальциевые лигатуры позволили увеличить этот порог до 16 вольт. Это позволило создать необслуживаемые батареи в полностью герметичном, неразрушимом корпусе.

Но у кальциевых батарей есть и огромный недостаток: восприимчивость к полной разрядке. Сульфат кальция, оседающий на электродах, не полностью разлагается во время зарядки, а это значит, что один глубокий разряд может «убить» батарею.

Самое современное решение — гибридные батареи (они же Ca+): кальций присутствует только на положительном электроде (потому что именно там вода распадается при электролизе), а отрицательный электрод покрыт свинцом с низким содержанием сурьмы.

Классификация по типу электролита

Традиционная жидкостная технология, предполагающая заливку раствора кислоты и воды в аккумулятор, вызывала множество нареканий. Например, чувствительность к наклонам и вибрации, а также обслуживание батареи также не были особенно приятными. В целом, технология имеет возможности для развития.

Затем появилась технология AGM. В батарее AGM электролит «связан» волокнистыми слоями сепаратора. Это дает аккумулятору дополнительные преимущества: сепараторы сжимают активный слой и не позволяют ему отставать от пластин, имеют более высокую проводимость, чем жидкость, и способствуют более сильному току.

Срок эксплуатации и циклы заряд-разряд.

Срок службы батареи определяется количеством циклов заряда-разряда, а не временем. Единого срока службы батареи не существует; производители определяют срок службы батареи на основании технических характеристик конкретной модели батареи. Это зависит от условий эксплуатации: чем глубже разряжена батарея, тем меньше циклов возможно.

Циклы зарядки-разрядки указываются до тех пор, пока не сохранится 60% первоначальной емкости. Например, производитель указывает количество циклов 600 при разряде 60%. Это означает, что после 600 идеальных циклов заряда-разряда (т.е. при температуре 20°C) полезная емкость батареи составит 60% от первоначальной. При такой потере емкости уже рекомендуется замена батареи.

В случае с батареями AGM заявленный срок службы обычно составляет 12 лет, а максимальное количество циклов — 1200 при разряде 20%. Годовой урожай составляет 100 таких циклов, месячный — около 8.

Срок службы свинцово-кислотных батарей варьируется от 300 до 3 000 циклов.

Рекомендуется не превышать нормальную скорость разряда батареи более чем на 20-30%, а скорость глубокого разряда — более чем на 70%.

Из чего сделан и что внутри аккумулятора

Несмотря на все технологические достижения, аккумуляторные батареи, изобретенные в середине 19 века, до сих пор используются в автомобилях.

Изобретателем батареи считается Гастон Плант, который изобрел ее в 1860 году. Современный аккумулятор был изобретен в 1878 году, когда его усовершенствовал Камиль Фур.

С тех пор батареи принципиально не изменились, все изменения были лишь косметическими, касающимися их внешнего вида и качества изготовления компонентов.

Такие батареи называются свинцово-кислотными, и это название описывает принцип их работы.

Рисунок 19 века, показывающий поперечное сечение одной из первых батарей.

Таким образом, батарея состоит из следующих основных частей:

• Дело;
• Обложка;
• Отрицательные электроды;
• Положительные электроды;
• Положительная клемма;
• Отрицательная клемма;
• Подключение перемычки;
• Заправочные пробки;
• Электролит

Далее рассмотрим отдельные компоненты дизайна.

Поэтому корпус и крышка аккумулятора изготовлены из нейтрального к кислотам пластика.

Отрицательные пластины, как и положительные, состоят из металлического свинца и имеют форму фермы.

В отрицательной пластине щели в свинцовой решетке заполняются металлическим свинцом в виде спрессованного порошка. В положительной пластине впрессован порошок диоксида свинца (PbO2).

Между пластинами расположены сепараторы, которые представляют собой микропористые пластины из эбонита или ревертекса. Оба материала можно считать разновидностью резины и изготавливать из нее.

Цель сепараторов — отделить положительные электроды от отрицательных и предотвратить их короткое замыкание, которое может произойти в результате вибрации двигателя и всего автомобиля.

Две клеммы изготовлены из свинцового металла и используются для подключения аккумулятора к бортовой сети автомобиля. Перемычки также изготавливаются из свинца и используются для соединения различных банок вместе, образуя единый аккумулятор.

По названию этой детали легко догадаться, для чего используется крышка заливной горловины. Он используется для заполнения батареи электролитом.

Последней в списке, но, тем не менее, одной из самых важных частей батареи является электролит. Он состоит из 30%-ного раствора серной кислоты (H2SO4) и дистиллированной воды.

Срок службы аккумулятора

Несмотря на то, что в настоящее время ведутся исследования по улучшению характеристик и повышению безопасности бортовой электросистемы автомобиля, кислотные аккумуляторы по-прежнему используются наиболее часто.

На срок службы батареи влияют следующие факторы:

• Температура, при которой работает источник питания;
• Конструкция аккумулятора;
• Эффективность и производительность генератора переменного тока;
• Крепление аккумулятора;
• Условия вождения;
• Потребляемая мощность при выключенном устройстве.

Правильное хранение неиспользованной батареи описано здесь .

Большинство кислотных аккумуляторов имеют короткий срок службы — самые качественные из них при правильной эксплуатации прослужат от пяти до семи лет. Большинство из них — это модели, не требующие технического обслуживания. Они идентифицируются по названию бренда — известные производители не портят свою репутацию некачественной продукцией. Такие товары также будут иметь длительный гарантийный срок — не менее двух лет.

Бюджетный вариант прослужит три года, а гарантия на них не превысит 12 месяцев. С таким вариантом не стоит спешить, так как невозможно создать идеальные условия для батареи.

Хотя срок службы не может быть указан в годах — он такой же, как у автомобильных шин, о чем говорилось в другой статье. В среднем батарея должна прослужить 4 000 циклов зарядки/разрядки.

Полярность

Батареи, произведенные в разных странах, имеют разное расположение положительных и отрицательных клемм. Если вы установите в автомобиль аккумулятор с перевернутыми клеммами, вы можете повредить аккумулятор и электрические системы автомобиля.