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:
- Запуск — подачу энергии стартеру, который отвечает за вращение двигателя при запуске.
- Выработку тока для работы электронных систем в случае недостаточной мощности генератора.
- Питание устройств при не заведенном автомобиле.
Характеристика необслуживаемого аккумулятора
Маркировка 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.
Обслуживание автомобильного аккумулятора
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.
Сфера применения
Было бы неправильным считать, что свинцово-кислотные аккумуляторы используются исключительно в автомобильной отрасли. Да, по количественным показателям именно автомобильные батареи являются несомненными лидерами. Но они успешно применяются и в других сферах:
- при производстве осветительного оборудования;
- в качестве аварийных источников электроснабжения;
- в охранных системах, для обеспечения питанием сигнализаций;
- для приборов КИП;
- ими снабжаются бытовые и промышленные ИБП;
- такие батареи устанавливаются в детские автомобили, инвалидные коляски.
В заключение можно уверенно заявить, что АКБ этого типа не скоро уйдут «в тираж»: их востребованность обусловлена простотой конструкции, невысокой стоимостью, высокой ёмкостью, небольшой величине внутреннего сопротивления и, как следствие, невысокому уровню саморазряда.
Конструкция аккумуляторной батареи
Современные АКБ состоят из следующих основных элементов:
- Пластины (гальванические элементы)
- Сепараторы – прослойки
- Полюсные выводы
- Герметичный корпус (моноблок)
- Крышка корпуса
Элементы аккумулятора
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.
Извлечение лития
Солончак Уюни содержит около 100 миллионов тонн лития, или от 50 до 70% его мировых запасов
.
Крупнейший источник лития находится в Боливии — это солончак Уюни, высохшее соленое озеро, расположенное на высоте около 3650 м над уровнем моря. Имеет площадь 10 588 км². Внутренняя часть покрыта слоем поваренной соли толщиной 2-8 м. Хлорид лития, находящийся здесь в огромных количествах, пригоден для добычи из него лития, а раньше использовался в качестве замены обычной соли. Употреблять в пищу его перестали после открытия токсических эффектов.
Литиевый соляной пруд в Аргентине.
Для извлечения лития соляные растворы сначала перекачивают на поверхность в специальные пруды, где под воздействием солнца в течение нескольких месяцев происходит медленное испарение. Когда хлорид лития в испарительных прудах достигает оптимальной концентрации, раствор перекачивают на восстановительную установку, где фильтрацией удаляют из смеси нежелательные примеси.
Преобразование лития в металл производится в электролитической ячейке. Хлорид лития смешивается с хлоридом калия в соотношении 55% к 45% для того, чтобы произвести расплавленный эвтектический электролит. Далее электролизом расплава при температуре 600 °C получают расплавленный литий, который поднимается на поверхность электролита.
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.
Li-ion — литий-ионные
Широко распространённый литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катода из алюминиевой фольги и анода из медной), разделенных пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации.
Типичная литий-ионная перезаряжаемая батарея состоит из положительного электрода (зеленый), отрицательного электрода (красный) и разделяющим их слоем сепаратора (желтый). Ионы лития (Li +, синий) перемещаются от отрицательного электрода (анода) к положительному (катод). Во время зарядки происходит обратный процесс, ионы лития переносятся к аноду. Источник
Литий-ионный аккумулятор обладает высокой энергоплотностью, но быстро разряжается при использовании на морозе и может быть взрывоопасен при перезаряде выше 4,2 В. Если вы проколете литий-ионную батарею и создадите короткое замыкание, она загорится и возникнет действительно сильный огонь, который нельзя легко потушить с помощью обычного огнетушителя. Именно поэтому многие такие аккумуляторы оснащают специальной защитой.
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.
Литий
Очень легкий, очень мягкий металл серебристо-белого цвета.
Первые работы в области создания перезаряжаемого аккумулятора на основе лития были начаты в 1912 году, но до 1970-х эксперименты не выходили за пределы лабораторий из-за нестабильности лития. В 1980-х на основе технологий, разработанных в Оксфордском университете, стали появляться первые промышленные литиевые аккумуляторные батареи, которые быстро перегревались и выходили из строя. Только в 1991 году был создан аккумулятор, в котором металлический литий был заменен более безопасной ионной формой. Литий снискал заслуженную популярность за счет своих особых свойств. Это один из самых легких металлов в периодической таблице, который действительно помогает сохранять большие объемы энергии в небольшом объеме и при незначительном весе. Однако популярность лития сегодня может привести к исчерпанию этого металла в будущем.
Добыча лития — это трудоемкий процесс даже в тех регионах, где металла много. На протяжении десятилетий коммерческое производство лития основывалось на минеральных рудных источниках, таких как сподумен, петалит и лепидолит. Однако извлечение лития из руды вдвое превышает стоимость производства из соляных растворов.
Основные залежи лития, пригодные для активной разработки, находятся в Южной Америке и Китае. На территории России больше всего лития содержится в слюде, сопровождающей месторождения редкоземельных металлов. До недавнего времени добыча лития из слюды стоила слишком дорого, но в 2022 году ученые НИТУ «МИСиС» представили установку, сделавшую добычу соединений лития из бедной руды вдвое дешевле.
Большая часть лития сегодня добывается из естественных водяных линз соляных озер, в насыщенных соляных растворах которых концентрируется хлорид лития, калий и натрий. Раствор выкачивается и выпаривается на солнце, полученная смесь солей перерабатывается.
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.
Разложение воды приводит к образованию водорода и кислорода, которые в соединении образуют газ. Внимание — это взрывоопасно!
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.
Li-po — литий-полимерные
Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор) представляет собой усовершенствованную конструкцию литий-ионного аккумулятора. В таком аккумуляторе в качестве электролита используется не жидкость, а сухой полимерный материал (синтетический пластик). В отличие от Li-ion, Li-po безопаснее, может отдавать сильные токи и, благодаря полимерному материалу, может быть какой угодно толщины и формы.
