GS Yuasa - Що таке акумулятор та принцип його роботи
По-перше, поширена серед автовласників назва "акумулятор" - не зовсім вірна. Правильніше говорити "акумуляторна батарея" або АКБ (професійна абревіатура).
Акумуляторна батарея - це пристрій з кількох електричних акумуляторів (в 12В батареї їх шість), об'єднаних перемичками в єдиний ланцюг, призначений для зберігання електроенергії в хімічній формі та її передачі у вигляді постійного струму контрольованим способом.
Усі типи електричних акумуляторів містять позитивні та негативні електроди, занурені в електроліт, вся конструкція при цьому поміщена у контейнер. Найбільш поширений на сьогоднішній день тип батарей, що застосовуються в автомобілях – свинцево-кислотний. Саме про нього і йтиметься у наших публікаціях.
Свинцево-кислотні АКБ – це тип батарей, у яких позитивні та негативні електроди виготовлені зі сплаву свинцю та розміщені у розчині сірчаної кислоти (електроліті).
Свинцево-кислотні батареї є АКБ, що перезаряджаються. Це означає, що їх можна заряджати знову та знову після того, як вони розрядяться. Первинні елементи, навпаки, заряджаються лише один раз, а потім викидаються (наприклад, - батарейки для ліхтариків та радіоприймачів).
Який принцип роботи АКБ?
Позитивний електрод акумулятора виготовляється з діоксиду свинцю, негативний електрод з пористого свинцю. Коли електричне навантаження подається на АКБ (наприклад, увімкнення фар або обертання стартера), електрострум протікає через електроліт батареї та зовнішнє навантаження. В результаті АКБ розряджається, хімічний склад електродів змінюється, перетворюючись на сульфат свинцю.
Батарея може бути заряджена при пропусканні черезїї струму від зовнішнього джерела живлення, такого як генератор, динамомашина або зарядний пристрій. При цьому сульфат свинцю перетворюється на вихідний матеріал – діоксид свинцю та пористий свинець.
У міру зарядки АКБ відбувається процес гідролізу, - електрика розщеплює воду в електроліті на дві складові – водень та кисень. Саме тому батарея виділяє газ за її зарядці.
З чого виготовлена АКБ?
Так як позитивні та негативні електроди виготовлені з м'яких матеріалів, їм потрібна сполучна механічна опора, якою служить грати зі сплаву свинцю. Застосування сплавів обумовлено тим, що чистий домішок без свинець має також м'яку структуру.
Крім утримання активної маси електродів грати виконує функцію провідника електрики від електродів до зовнішніх споживачів.
На першому етапі виробництва електроди виготовляються із суміші оксиду та сульфату свинцю. Потім під час першої зарядки АКБ ця суміш перетворюється на діоксид свинцю в позитивному електроді і в пористий свинець в негативному. Негативний електрод також містить кілька добавок, що покращують стартерні характеристики батареї при низьких температурах.
Комбінація решітки та електрода зазвичай називається пластиною.
Електроліт – це водний розчин сірчаної кислоти. Він служить провідником електричних іонів між позитивними та негативними пластинами при заряді та розряді АКБ. Кислота також бере участь у саморозряді батареї, оскільки сульфат-іони вступають у хімічну реакцію на електродах та утворюють сульфат свинцю.
Сепаратор – це ізолятор, поміщений між позитивним та негативним електродом з метою запобігання короткому замиканню. Сепаратор може бути микропористым, тобто. мати маленькіотвори, щоб іони могли пройти через сепаратор від однієї пластини до іншої. Він також повинен витримувати високі температури та кислотне середовище усередині АКБ.
Більшість сучасних сепараторів виготовляють з мікропористого поліетилену, властивості якого найбільше підходять для роботи в агресивному середовищі свинцево-кислотних батарей.
Корпус та кришка
Зазвичай вони виготовляються із кополімеру поліпропілену (PP), який легкий, але водночас дуже міцний. На відміну від інших видів пластику поліпропілен не стає крихким за низьких температур і має високу ударостійкість. Він не руйнується при зіткненні із кислотою та іншими рідинами, що використовуються в автомобілі (бензин, дизельне паливо, гальмівна рідина, антифриз).
1 - грати позитивного електрода; 2 – позитивний електрод; 3 – сепаратор; 4 - грати негативного електрода; 5 – негативний електрод; 6 – блок негативних електродів; 7 – секція акумуляторної батареї; 8 – блок позитивних електродів.
Що таке АКБ, що не обслуговується?
30 років тому акумулятори дуже швидко втрачали воду, і автомобілістам рекомендувалося перевіряти рівень кислоти в батареї щотижня! Сучасні АКБ, що не обслуговуються, не вимагають доливання води протягом усього терміну служби при їх експлуатації в нормальних умовах. У зв'язку з цим термін служби АКБ більш ніж подвоївся – з 2 до 4-5 років.
У минулому грати АКБ виготовляли із сплаву свинцю з додаванням 10% сурми. Сурма збільшувала міцність решітки, оскільки чистий свинець дуже м'який. На жаль, частина сурми розчинялася у кислоті, і батарея втрачала воду.
Останнім удосконаленням стало додавання замість сурми 0,1% кальцію для надання міцності ґратам (такзвані "кальцієві" акумулятори). В результаті електроліт тепер менше забруднюється, а втрати води значно знизилися. Такі акумулятори отримали назву, що не обслуговуються, так як доливання води в них не потрібно протягом усього терміну служби.
МІФ : Акумулятор, що не обслуговується, - це акумулятор, у якого немає заливальних пробок на кришці.
Насправді термін "необслуговуваний" відноситься до відсутності необхідності доливки води під час експлуатації батареї, при цьому конструкція кришки може різною - як з пробками, так і без них.
Чому акумулятори "вмирають"?
Справна система заряджання сучасних машин заряджає повністю заряджену батарею лише малим струмом. Коли ж генератор дає збій, набагато більший струм проходить через АКБ під час роботи автомобіля. Цей струм змушує АКБ швидко втрачати воду (це відноситься навіть до АКБ, що не обслуговуються), погіршуючи її характеристики, а також знижує термін її служби, пошкоджуючи позитивні грати.
Темно-коричневий або чорний наліт на нижній частині вентиляційних пробок – вірна ознака надмірного заряду.
Якщо генератор має напругу вище 14,8 В за нормальної температури, це вказує на те, що система заряджання автомобіля несправна. При поширеній несправності діода у випрямлячі, зарядна напруга в АКБ становитиме 16В. У цьому випадку генератор повинен бути негайно відремонтований, щоб запобігти подальшому пошкодженню АКБ.
Примітка: У новітніх автомобілях із системою Start-Stop та рекуперацією енергії гальмування використовується більш висока напруга (15,2В), щоб збільшити ефективність та скоротити час заряджання від генератора.
Експлуатація в режимі «глибокого розряду-заряду»
Сучасні зарядні системизберігають АКБ у високому ступені зарядженості (SOC) у більшості випадків звичайної експлуатації автомобіля. Однак, батарея може розрядитися в складних умовах або якщо автомобіль простоюватиме з електричним навантаженням, наприклад, увімкненими фарами. У сучасних автомобілях завжди є постійний витік струму з АКБ, завдяки комп'ютерам, сигналізаціям, годинникам та іншим постійним споживачам енергії. Залежно від автомобіля на це можуть знадобитися тижні чи місяці.
Автомобільні АКБ створені з можливістю приймати обмежену кількість циклів заряду та розряду, але вони не створені для роботи в умовах безперервних циклів заряду та розряду (режим глибокого розряду-заряду). Для таких умов використовуються спеціальні тягові батареї.
Тривала експлуатація в умовах глибокого розряду-заряду автомобільних АКБ призведе до виходу їх з ладу, оскільки активна маса позитивного електрода обсипатиметься на дно АКБ, знижуючи здатність пластин зберігати електрику.
Багато маленьких чорних і коричневих частинок в електроліті вказує на те, що АКБ працює в умовах глибокого розряду-заряду.
Сульфатація - це невід'ємна частина в процесі роботи АКБ - вона відбувається завжди при розряді АКБ. Коли батарея заряджається, сульфат свинцю знову перетворюється на активний матеріал.
Якщо ж АКБ довго зберігається розрядженою, сульфатація поступово перетворюється на таку стадію, коли за зарядці вона може бути звернена повністю в активний матеріал. Тому після заряджання батарея не матиме своїх початкових характеристик. При глибокій сульфатації електродів батареї автомобіль може не завестися.
Недозаряд відбувається, коли АКБ не отримує достатнього заряду від генератора. Стан постійногонедозаряду поступово призведе до глибокої сульфатації. Ця несправність може бути спричинена тим, що автомобіль використовується рідко, часто використовується в режимі їзди на короткі дистанції або якщо автомобіль експлуатується в режимі Start-Stop у міських умовах. Недозаряд може бути також викликаний напругою генератора нижче рекомендованого рівня 13,6-13,8 В.