Устройство необслуживаемого аккумулятора автомобиля

Аккумуляторная батарея (АКБ) автомобиля представляет собой особо значимый элемент устройства машины. Он является источником тока, имеющего способность запасать энергию, нужную для работы электрических элементов транспортного средства.

Его функции отвечают за:

1. Запуск — подачу энергии стартеру, который отвечает за вращение двигателя при запуске.
2. Выработку тока для работы электронных систем в случае недостаточной мощности генератора.
3. Питание устройств при не заведенном автомобиле.

Характеристика необслуживаемого аккумулятора

Сегодняшний уровень технического развития дал возможность фирмам автопроизводителям использовать наиболее совершенные и качественные аккумуляторы — необслуживаемые аккумуляторные батареи.

Устройство необслуживаемого аккумулятора автомобиля имеет характерные особенности, дающие приятную возможность потребителям уделять данной батарее минимум внимания.

Стоит обозначить, что необслуживаемый аккумулятор – это современный источник энергии, который в своем устройстве не предполагает и не имеет специальных отверстий для доливания воды или электролита, корпус данных батарей полностью герметичен.

С момента разработки автомобильного аккумулятора прошло более 150 лет и его базовое устройство остается без изменений для любого типа АКБ по настоящее время. Главными элементами АКБ являются: кислота и свинцовые пластины.

Конструкция аккумуляторной батареи

Современные АКБ состоят из следующих основных элементов:

1. Пластины (гальванические элементы)
2. Сепараторы – прослойки
3. Полюсные выводы
4. Герметичный корпус (моноблок)
5. Крышка корпуса

Пластины аккумулятора

В техническое устройство аккумуляторных батарей включены гальванические элементы (пластины) – химические источники электроэнергии. Их количество составляет 6 штук, они соединены друг с другом последовательно, при помощи перемычек. Один отрицательно заряженный вывод блока крепится к положительному выводу другого.

Гальванические элементы располагаются в отдельном корпусе, при этом они разделены перегородками. В своей совокупности аккумуляторы образуют батарею.

Гальванический элемент автомобильного аккумулятора относится к обратимым источникам химического тока – это означает, что цикл «заряд-разряд» можно повторять несколько раз. Он состоит из двух электродов (полублоков) разной полярности – свинцовых решетчатых пластин. Электроды располагаются в растворе серной кислоты (38 %) и дистиллированной воды. Их смесь является электролитом – веществом, способным проводить ток.

Сепараторы — прослойки

Между электродами, во избежание короткого замыкания, находится сепаратор – диэлектрическая прослойка. Сепаратор выполняет функцию изолятора, и не допускает соприкосновения электродов разной полярности, но при этом не нарушает электролитическую проводимость батареи.

Сепаратор изготовлен из пластмассы микропористой структуры, в виде конверта, надетого на гальванические элементы положительного заряда. Такой прием помогает активной массе с положительно заряженных пластин не оседать на дне моноблока и не соприкасаться с пластинами отрицательного заряда.

Разработка устройства сепаратора в форме конверта позволила фирмам производителям АКБ прийти к малообслуживаемым и необслуживаемым аккумуляторам.

Полюсные выводы

Полюсные выводы АКБ изготовлены из свинца. Их размер различается в зависимости от полярности вывода, так положительный является большим по отношению к отрицательному. Данная особенность не случайна и служит защитой от неправильного подключения элементов аккумуляторной батареи, что в свою очередь исключает потерю активных масс и помогает избежать сокращения работоспособности АКБ.

Герметичный корпус АКБ

Корпус аккумулятора (моноблок) прошел свою эволюцию от деревянного, покрытого изнутри листовым свинцом, далее – эбонита.

В 40-х гг. XX века появились первые корпуса из синтетических материалов. Современные АКБ состоят из синтетического полипропилена. К материалам моноблоков предъявляются большие требования относительно его долговечности и безопасности. Корпус рассчитан выдерживать постоянное соприкосновение химических составляющих, вибрацию и изменение температуры.

Крышка корпуса

Назначение крышки корпуса – плотное закрытие межэлементных соединений АКБ. У прежних аккумуляторов ячейками были резьбовые пробки, предназначенные для доливки электролита и отвода газа при эксплуатации аккумулятора. В конструкции необслуживаемого АКБ пробки не установлены вообще, либо плотно закрыты. Вывод газов предусмотрен при помощи центральной системы вентиляции.

Она состоит из двух частей и оборудована лабиринтом. При помощи лабиринта водяные пары образующиеся при зарядке АКБ конденсируются и стекают обратно в батарею. В крышку интегрированы центральный газоотвод и система защиты от воспламенения газов. Защита от воспламенения выполнена на выходе газоотвода из аккумулятора в виде небольшого круглого диска, она получила название — фритта. Принцип действия фритты заключён в свободном прохождении газа в атмосферу, но при воспламенении газа, препятствованию прорыву огня внутрь, чтобы не допустить взрыв аккумулятора.

Типы АКБ

Все автомобильные аккумуляторы как упоминалось ранее одинаковы по конструкции и наполнены электролитом, лишь незначительно отличаются друг от друга. Каждая модификация предназначена для достижения определённой цели в ущерб другим характеристикам.

АКБ с жидким электролитом

Представляют собой открытые системы, т.е. газ, выделяющийся при зарядке может выделяться в атмосферу. У него отличные эксплуатационные характеристики, большой срок хранения до 15 месяцев, но отсутствует защита от вытекания электролита.

АКБ Economy

Этот тип аккумулятора оптимален по стоимости и сроку службы, в нём применяется меньшее количество свинца. У него пониженная мощность холодного пуска двигателя и незначительно уменьшен срок службы (4 года или 80000 км). При этом более выгодная цена, меньшая масса и низкий ток саморазряда, который не увеличивается по мере старения батареи. Могут применяться в автомобилях с системой старт-стоп.

Усовершенствованная АКБ

Они имеют аббревиатуру EFB (Enhanced Flooded Battery) – усиленная АКБ с жидким электролитом. Конструктивно отличаются более толстой решёткой отрицательного электрода, обеспечивающей высокую стойкость к коррозии при нагрузке большим током, а также добавлением углерода в активную массу отрицательного электрода, что приводит к улучшенной способности к зарядке.

Обладает защитой от глубокого разряда и отличными эксплуатационными характеристиками, но отсутствует защита от вытекания электролита.

В его конструкции применяется пассивный перемешивающий элемент, он уменьшает расслоение электролита, т.е. образование слоёв с различной концентрацией серной кислоты, которая концентрируется в нижней части гальванических элементов, что приводит к недостаточной плотности электролита в верхней части. Это происходит при частом повторении процессов зарядки и разрядки.

АКБ AGM

Absorbent Glass Mat – стекловолокно, обладающее очень высокой впитывающей способностью. Ещё их называют рекомбинационными, применяются на автомобилях с системой старт-стоп и функцией рекуперации энергии. В таких аккумуляторах электролит адсорбирован стекловолоконным ковриком. Они представляют собой закрытую систему, т.е. все гальванические элементы изолированы от атмосферы клапанами.

Обладает защитой от вытекания, даже при повреждении корпуса батареи вероятность незначительна и составляет не более нескольких миллилитров. У них большой срок службы, отличные эксплуатационные характеристики и высокая надежность. Но, с другой стороны, обладает высокой стоимостью и более высокой чувствительностью к повышенной температуре.

Гелевые АКБ

Также существуют батареи с гелеобразным электролитом, он образуется путём добавления в него кремниевой кислоты. Представляют собой обычные свинцовые батареи. Они имеют очень малую вероятность потери электролита, высокую циклическую стойкость и сниженное газообразование. Их массовое распространение ограничивает ряд серьезных недостатков, таких как: ухудшенные пусковые свойства при низких температурах, высокая стоимость, непереносимость повышенных температур и связанная с нею непригодность к установке в подкапотном пространстве.

Устройства отключения АКБ

В схеме подключения аккумуляторной батареи для безопасности могут применяться пиропатроны или реле отключения, особенно если она располагается в салоне или в багажнике. Задача этих элементов отсоединить от батареи провод стартера и генератора в момент аварии, т.к. замыкание этих проводов может вызвать возгорание. Но электропитание бортовой сети сохраняется для обеспечения функций безопасности (аварийная сигнализация, освещение и др.)

Процессы заряда и разряда

Процесс заряда АКБ означает накопление аккумулятором электрической энергии. В исходе данного процесса электрическая энергия проходит преобразование в химическую.

Аккумуляторная батарея питается от генератора при заведенном двигателе автомобиля. Напряжение, которое вырабатывает стандартный заряженный аккумулятор во время работы, равно 12,65 В.

Процесс заряда можно описать, как переход сульфата свинца и воды, образованных при разряде АКБ в свинец, двуокись свинца и серную кислоту. При этом количество серной кислоты становится больше, плотность вещества электролита повышается.

В результате накапливается и восстанавливается химическая энергия, которая необходима в дальнейшем для выработки электроэнергии.

Процесс разряда АКБ характеризуется отдачей потребителям батареи электрической энергии. Идет обратный химический процесс – химическая энергия проходит преобразование в электрическую.

Аккумулятор подвергается процедуре разряда при наличии подключенного к нему потребителя электрического тока. В данном случае серная кислота распадается, соответственно, ее содержание в веществе электролита падает.

Протекающие химические реакции способствуют к образованию воды (Н2О). При повышенном уровне воды снижается плотность электролита.

Разряд аккумуляторной батареи приводит к появлению сульфата свинца. Такой эффект одинаков для положительного и отрицательного электродов.

Основные характеристики АКБ

Коэффициент преобразования энергии

Поступающая к батарее энергия во время заряда аккумулятора больше отдаваемой им при разряде. Превышение энергии «заряда» к энергии «разряда» основывается на необходимости покрытия затрат при протекании электрических и химических процессов.

Для полного заряда нужно 105–110 % энергии от количества расходованной ранее. Таким образом, коэффициент преобразования будет иметь значение от 1,05 до 1,10.

Емкость

Емкость АКБ пропорциональна выдаваемому ей количеству электрического тока. Единица измерения емкости—ампер-часы (А-ч).

На показатели емкости влияют разрядный ток и температура. Она имеет свойство снижаться при увеличении разрядного тока и падении температуры, в частности при значениях меньше 0 градусов.

Номинальное напряжение

Стандартное напряжение каждого элемента АКБ соответствует 2 В, а напряжение всей цепи батарей равно количеству гальванических элементов. Аккумулятор машины состоит из 6 батарей, что соответствует номинальной емкости в 12 В.

Ток холодной прокрутки

Данный показатель служит характеристикой пусковых возможностей аккумулятора при его эксплуатации в условиях низкой температуры. Этот параметр замеряется при –18 °С. Напряжение полностью заряженного АКБ не опускается ниже заданного в течение определенного количества времени. Уровень тока влияет на запуск двигателя автомобиля, так как чем выше величина тока в холодной прокрутке, тем легче двигатель будет запускаться в зимнее время года.

Напряжение

Напряжение, значение которого измерено между двумя полюсными выводами аккумулятора – напряжение на клеммах.

Напряжение газовыделения – параметр, при превышении которого в корпусе аккумулятора образуется вода. Это возникает при превышении напряжения всей батареи, максимально допустимое значение при этом 14,4 В.

Напряжение покоя или напряжение холостого хода – состояние, когда нагрузки на выходах АКБ нет. Циклы заряда и разряда изменяют напряжение холостого хода. При восстановлении количества серной кислоты между гальваническими элементами напряжение холостого хода приходит к окончательному значению – напряжению покоя.

Виды, устройство и принцип работы автомобильного аккумулятора

Электрические аккумуляторные батареи применяются в любом автомобиле и представляют собой автономный источник питания. АКБ накапливает энергию, которая затем питает бортовую сеть, когда это необходимо, и подает ток на стартер для запуска двигателя.

Назначение аккумулятора в автомобиле

Автомобильный аккумулятор принято обозначать аббревиатурой АКБ, что значит аккумуляторная кислотная батарея. Не все батареи относятся к этому типу, но в автомобилях наиболее распространены именно они.

Автомобильный аккумулятор

Аккумулятор является важным компонентом в работе любого транспортного средства. Он выполняет следующие основные функции:

1. Подача электроэнергии на стартер для запуска двигателя. Аккумулятор способен в течение 30 секунд подавать пусковой ток или ток холодной прокрутки на стартер, который, в свою очередь, запускает двигатель.
2. Питание бортовой сети в случае недостаточной мощности (производительности) генератора.
3. Автономное питание бортовой сети автомобиля.

Каждый аккумулятор имеет определенную емкость и заряд. При работе двигателя всю нагрузку на электропитание берет на себя генератор. Он же заряжает аккумулятор во время движения. Если мощности не хватает, подключается батарея. Определенное время АКБ может обеспечить автономное питание.

Генератор выходит на оптимальный режим производительности при достижении двигателем частоты вращения коленчатого вала 1600-1800 об/мин и более.

Располагается АКБ, как правило, в подкапотном пространстве автомобиля или закреплен на раме в случае крупного грузового транспорта. Это связано с тем, что кислота, находящаяся внутри, очень агрессивна и опасна для здоровья. Она может просочиться через корпус или выделиться в виде газа. С аккумулятором следует обращаться осторожно.

Более безопасны необслуживаемые АКБ, внутри которых нет жидкого электролита. Такие батареи практически не выделяют вредных паров и их можно использовать где угодно. Среди альтернативных мест размещения аккумулятора можно выделить багажное отделение и под сиденьем водителя.

Параметры АКБ

Обычная автомобильная батарея выдает напряжение в 12В. Этого хватает для питания бортовой сети. Для большегрузных автомобилей используются батареи с напряжением в 24В. По сути, это две обычные батареи, которые последовательно соединены. Емкость АКБ измеряется в Ампер-часах (А*ч). Для легкового транспорта емкость батареи находится в пределах 40-130 А*ч. Емкость показывает, какое время аккумулятор сможет давать энергию при нагрузке. Но эти величины измеряются при определенной нагрузке и при определенной температуре – 20°C. При других условиях параметры могут меняться.

Также важным показателем является ток холодной прокрутки или пусковой ток. Разные модели способны выдавать от 250А до 1300А. Ток холодной прокрутки – это то напряжение, которое способен отдать АКБ в течение 30 секунд при температуре 18°C. В иных условиях данный параметр может поменяться, например, зимой.

Устройство аккумулятора

На самом деле, стандартный аккумулятор – это шесть маленьких аккумуляторов, заключенных в один корпус. Шесть отсеков объединены в едином корпусе. Часто их называют банками. Каждая банка дает напряжение в 2,1В – 2,2В. Шесть банок соединены последовательно толстыми свинцовыми перемычками, что в итоге дает напряжение в 12,6В – 13,2В.

Устройство автомобильного аккумулятора

Автомобильный аккумулятор состоит из следующих основных элементов:

• пластиковый корпус;
• крышка;
• отрицательные пластины (электроды);
• положительные пластины;
• перемычки, соединяющие отсеки;
• жидкий электролит;
• сепараторы;
• положительный и отрицательный вывод (клеммы);
• заливные пробки.

Корпус и крышка

Корпус и крышка выполнены из пластика, который нейтрален к кислоте. В каждой банке находятся свинцовые пластины – электроды.

Пластины

Отрицательная пластина из губчатого свинца (Pb) называется катод, положительная пластина пористая с диоксидом свинца (PbO2) – анод. Чтобы батарея разряжалась не так быстро, используется не чистый свинец, а с применением разных присадок. Ранее добавляли 5% сурьмы, но процесс сульфатации все равно проходил быстро. В современных жидкостных аккумуляторах добавлен кальций. Он значительно снижает процесс сульфатации и повышает емкость АКБ до 70%. Если говорить про гелевые или AGM аккумуляторы, то в них применяется только чистый свинец. Это позволяет повысить мощность и отдаваемый пусковой ток до 1000-1300А.

Электролит

В каждой банке залит электролит. Это смесь серной кислоты и дистиллированной воды, в соотношении 35:65. Плотность электролита находится в пределах 1,23-1,31 г/см3. Чем она выше, тем батарея более устойчива к морозам.

Сепаратор

В простых жидкостных аккумуляторах между пластинами находится сепаратор. От слова “separate” – разделять. Обычно сепараторы изготавливаются из нейтрального пластика. Эти пластины разделяют положительные и отрицательные электроды от замыкания. Материалом для сепараторов служит ревертекс или эбонит. Также эти элементы иногда называют диэлектрической прослойкой.

В более современных необслуживаемых аккумуляторах в качестве сепараторов применяется микроволокно. Этот высокотехнологичный материал удерживает электролит внутри и не дает ему вытекать и испаряться. Пластины завернуты в микроволокно как в конверте и плотно прижаты друг к другу.

Клеммы и пробки

Клеммы аккумулятора также изготавливаются из свинца. К ним присоединяются контакты. На обслуживаемых аккумуляторах на корпусе располагаются заливные пробки. Их количество равно количеству банок. Они служат для заливки дистиллированной воды в случае необходимости.

Принцип работы

Между пластинами и электролитом непрерывно происходит электрохимическая реакция. При разряде химическая энергия преобразовывается в электрическую, а при заряде, наоборот, – электрическая в химическую. Когда аккумулятор подключен к потребителям энергии, то происходит его разрядка.

Химическая формула реакции

Происходит следующий процесс. На катоде идет восстановление диоксида свинца. Свинец на аноде окисляется. Серная кислота вступает в реакцию с металлами на обеих пластинах. При этой реакции образуется сульфат свинца. Процесс называется сульфатацией. Из серной кислоты выделяется водород, который затем вступает в реакцию с кислородом из положительно заряженной пластины. Образуется вода, а серная кислота расходуется. Плотность электролита понижается. Процесс реакции показан на картинке.

При зарядке весь процесс происходит в обратном порядке. Серная кислота восстанавливается. Вновь образуется диоксид свинца и серная кислота. При полной зарядке плотность электролита должна быть в пределах 1,29 гр/см3. Это значение показывает уровень содержания серной кислоты на один кубический сантиметр электролита.

Таким образом, работа батареи основана на циклах заряд-разряд. Если допустить глубокий разряд, процесс может быть необратимым. Останется только вода и сульфат свинца. Поэтому нужно всегда следить за уровнем заряда.

Зарядка, хранение и зависимость от температуры

После того как автомобильный аккумулятор запустил стартер и двигатель, происходит его зарядка от генератора. В снятом положении батарея заряжается зарядным устройством. Хранить аккумулятор с жидким электролитом можно только в строго горизонтальном положении и при определенной температуре 5°С -15°С. Это обусловлено тем, что электролит может вытечь, а осыпавшиеся пластины замкнуть на дне банки.

Разная температура также влияет на работу АКБ. При высокой температуре показатели мощности и токоотдачи высокие, но батарея быстрее разряжается и повышается расход воды. Электролит по своему составу не замерзает при минусовой температуре, но на сильном морозе он все же может это сделать. В мороз химические процессы замедляются, пусковой ток снижается, падает емкость батареи. Вот почему у водителей часто возникают проблемы с запуском двигателя зимой.

Разновидности аккумуляторов

Современные аккумуляторные батареи можно условно разделить на обслуживаемые и необслуживаемые.

Можно выделить следующие основные виды:

• АКБ с жидким электролитом.
• EFB аккумуляторы.
• AGM.
• Гелевые.

Аккумуляторы с жидким электролитом относятся к обслуживаемому типу. Это значит, что время от времени нужно следить за уровнем электролита, его плотностью и емкостью батареи. Их срок службы в среднем составляем 3-5 лет. Они доступны по цене и хорошо справляются со своей задачей в автомобиле. Поэтому остаются самыми распространёнными.

Батареи по технологии EFB появились сравнительно недавно. В них также находится жидкий электролит, но пластины завернуты в микроволокно. Материал впитывает электролит, что увеличивает площадь контакта с пластинами. Это также повышает емкость и мощность и позволяет снизить объем электролита по сравнению с обычными АКБ, делая такие батареи практически необслуживаемыми. Срок службы 4-5 лет. Стоимость приемлемая.

Аккумуляторы AGM относятся к классу необслуживаемых батарей. Это значит, что у них полностью герметичный корпус. На корпусе имеются газоотводные клапаны. Между пластинами находится стекловолокно, в порах которого электролит. Это позволяет значительно замедлить процесс сульфатации. Такие батареи не боятся полного разряда. Срок службы до 10 лет. Но есть минусы: высокая стоимость и обслуживание.

Гелевые

Это также необслуживаемые батареи. В электролит добавлены вещества, которые сгущают его и доводят до твердого состояния. Сам электролит выступает в роли сепаратора между пластинами. Срок службы до 10 лет, но требуется специальный уход, как и в случае с AGM. Не боятся глубокого разряда, но чувствительны к перезаряду и замыканию. Стоят в 3-4 раза дороже обычных.

Аккумуляторная батарея – это то устройство, которое требует от водителя внимания. Чтобы батарея прослужила долго, нужно знать ее устройство и принцип работы. При правильном уходе и условиях содержания АКБ проработает долгие годы.