Основным источником электроэнергии в автомобиле является генератор – от него питаются все потребители при работающем двигателе. Но мотор сначала надо запустить. Для этого в машине установлена аккумуляторная батарея.
Определение АКБ и его функция в автомобиле
Аккумуляторная батарея (АКБ) – электрохимический возобновляемый источник электрической энергии. Он может снабжать потребителей до исчерпания заряда, после чего может быть перезаряжен. Количество циклов заряд-разряд ограничено, оно определяет жизненный ресурс батареи.
В автомобиле основное назначение АКБ — запуск двигателя. От аккумулятора запитывается стартерный двигатель, который приводит во вращение вал мотора, а также бензонасос (если он с электроприводом) и другие необходимые для старта узлы. После окончания последовательности пусковых операций на номинальный режим выйдет генератор, и вся нагрузка бортсети (включая возобновление потраченной на пуск энергии АКБ) перейдет на него.
Также аккумулятор может запитать потребителей, если двигатель не запущен. В штатном режиме это может быть аварийное светосигнальное оборудование, охранная сигнализация, в темное время суток – габаритные фонари и т.п. В нештатной ситуации могут быть обеспечены питанием и другие потребители — автозвук, световое оборудование при ремонте и диагностике и т.п. Надо лишь помнить, что время пользования до следующего заряда ограничено.
Устройство аккумуляторной батареи и принцип ее работы
Самый простой аккумулятор состоит из двух электродов – положительного из оксида свинца, отрицательного из свинца. Оба электрода помещены в раствор серной кислоты. При подключении потребителя начинают протекать химические реакции.
Всего их при заряде-разряде несколько десятков, но для понимания работы АКБ наиболее важны следующие:
- при разряде на аноде (плюсовом электроде) диоксид свинца при взаимодействии с серной кислотой восстанавливается до сульфата свинца с образованием воды;
- при этом на катоде (минусовом электроде) свинец окисляется с образованием сульфата свинца (PbSO4).
В итоге происходит два важных для эксплуатации явления:
- Содержание серной кислоты в электролите падает (уменьшается плотность электролита).
- На пластинах выпадает плохо растворимый в кислоте осадок сульфата свинца.
При заряде реакции идут в обратном направлении:
- на катоде в результате реакции из сульфата свинца образуется свинец и кислотный остаток серной кислоты, катод заряжается отрицательным потенциалом;
- на аноде сульфат свинца с водой образуют серную кислоту и чистый свинец, заряжая электрод положительно.
Итогом реакций становится:
- Растворение сульфата свинца.
- Увеличение содержания серной кислоты и повышение плотности электролита.
- Появление электродвижущей силы (ЭДС), достигающей 2,1 вольта.
Если процессы протекают строго симметрично, то выпадающий осадок PbSO4 полностью растворяется. На практике такого не бывает, полное равновесие соблюсти сложно. Поэтому пластины постепенно покрываются слоем сульфата, маскирующим полезную площадь. В итоге емкость АКБ снижается. Этот процесс называется сульфатацией.
Если процесс восстановления свинца завершился, а напряжение все еще приложено, начинается электролиз воды («кипение»). Этот процесс однозначно вредный, поэтому перезаряжать батарею не стоит.
В практических конструкциях изначально свинцовые решетчатые пластины заполняют намазкой из смеси оксида свинца и свинцового сурика (с химической точки зрения — соединение свинца и кислорода). При первом заряде происходит формовка пластин. Во время реакции с серной кислотой на одном аноде образуется оксид свинца в губчатом виде, на другом – металлический свинец (также в пористой форме). Емкость аккумулятора зависит от площади пластин, поэтому практическое устройство элемента аккумуляторной батареи выглядит как пакет из анодных и катодных пластин, набранных поочередно и соедиенных параллельно.
ЭДС такого пакета от количества пластин не зависит и также равна 2,1 вольта. Батарея на 6 или 12 вольт состоит из 3 или 6 банок, соединенных последовательно.
По каким технологиям изготавливают
Стремление улучшить работу свинцово-кислотных аккумуляторов привело к созданию новых технологий производства элементов. В первую очередь, это замена легирующей добавки. Вместо сурьмы сейчас широко применяется кальций. Его добавка придает свинцовым пластинам повышенную прочность, в результате появилась возможность сделать их более тонкими без потери жесткости конструкции. В электрохимических реакциях кальций не участвует. Кальциевые батареи имеют и другое достоинство – пониженная склонность к газообразованию при зарядке. Такой аккумулятор не склонен к «кипению». Это кардинально снижает расход воды во время эксплуатации. Также за последние годы популярность завоевали батареи в необслуживаемом исполнении.
Тематическое видео: Революционная твердотельная батарея от Toyota
Технология GEL
В этих аккумуляторах электролит загущен до состояния геля специальными добавками. Главное достоинство батареи – необслуживаемое исполнение и практическая невозможность пролива электролита. Даже при небольших повреждениях корпуса гель не вытечет. Также созданы условия для рекомбинации газов в толще электролита. Водород и кислород, даже если они образуются при зарядке, не улетучиваются, а реагируют в толще геля с образованием воды. Малая часть газов, не поучаствовавшая в рекомбинации, улетучивается в пространство над электролитом. Когда давление достигает определенного предела, оно сбрасывается в атмосферу через специальный клапан. Другим плюсом является возможность эксплуатации почти в любом положении. Электрохимические реакции в таком элементе не отличаются от реакций в обычном аккумуляторе, принцип работы гелевой батареи абсолютно такой же, поэтому ЭДС одного элемента составляет те же 2,1 вольта.
Главный минус АКБ с загущенным электролитом – пониженная динамика электрохимических реакций. Результатом этого становится пониженная токоотдача, которая не позволяет применять гелевые АКБ в качестве автомобильных стартерных. Зато такие батареи используют в качестве тяговых аккумуляторов, буферных элементов и в качестве источников питания, не требующих сервиса, на удаленных объектах (устройства телемеханики, ретрансляторы связи и т.п).
Более подробно в статье: Гелевый аккумулятор для автомобиля — плюсы и минусы
Технология AGM
Эта технология позволяет в полной мере использовать преимущества пластин, легированных кальцием. Тонкие пластины собирают в компактный пакет, а чтобы избежать короткого замыкания, между ними прокладывают сепаратор-разделитель, как показано на рисунке в разрезе.
Он изготовлен из волокнистого материала (обычно, стекловолокна). Пространство между волокнами заполнено электролитом, который удерживается внутри сепаратора капиллярными силами, поэтому свободной жидкости в такой батарее тоже нет. Часть межволоконного пространства оставлена незаполненным – небольшое количество газов, которое все же образуется во время эксплуатации, рекомбинирует в этих пустотах.
Достоинством технологии AGM является наличие электролита в связанном, но в жидком виде. На динамику реакций ничего не влияет, такие АКБ обладают хорошим током холодной прокрутки. Для использования в автомобилях эти батареи подходят как нельзя лучше, а необслуживаемое исполнение удешевляет эксплуатацию.
Технология EFB
Строение аккумуляторов, изготовленных по данной технологии, является промежуточным между традиционными батареями и AGM. Пластины (обычно, каждая положительная) такой АКБ помещены в сетчатый сепаратор, который позволяет расположить электроды более компактно без риска короткого замыкания. Внутри корпуса находится электролит в свободном виде, но часть его абсорбируется сеткой разделителя, которая позволяет держать пластины постоянно смоченными раствором серной кислоты.
Кроме того, сепаратор снижает вымывание обмазки пластин и удерживает ее от осыпания, что положительно сказывается на сроке службы АКБ, увеличивая количество возможных циклов. Такие батареи обладают многими достоинствами аккумуляторов AGM, но их производство значительно дешевле.
Несмотря на развитие литий-ионных технологий, кислотно-свинцовые батареи еще долго будут занимать свои ниши в сфере автономных источников питания. Предпосылками к этому служат их дешевизна, конструкция, отработанная десятилетиями, относительно долгий срок службы при эксплуатации в соответствующих условиях.
