Устройство, принцип работы автомобильного аккумулятора

Несмотря на то, что основной движущей силой автомобиля является двигатель внутреннего сгорания, без автономного источника питания было бы невозможно обеспечить его нормальное функционирование, и прежде всего – пуск силового агрегата. Накопление энергии, необходимой для прокручивания стартера, происходит во время движения транспортного средства, что избавляет водителя от необходимости частой подзарядки АКБ от внешних источников.

Назначение автомобильного аккумулятора

Наверняка вам знакома аббревиатура АКБ, но далеко не все знают, что обозначает буква «К». Так вот, расшифровывается это буквенное сочетание как «автомобильная кислотная батарея», и хотя современные аккумуляторы далеко не все кислотные, применительно к автомобилям это преобладающий тип аккумуляторов.

Функции автомобильного аккумулятора:

• питание стартера с целью пуска ДВС. АКБ способна на протяжении 30 секунд обеспечивать электроэнергией стартер. Последний, являясь электродвигателем, осуществляет холодный пуск основного силового агрегата;
• аккумулятор может обеспечивать питание бортовой сети транспортного средства, если нагрузка на генератор превысит его возможности электроснабжения потребителей;
• при неработающем моторе питание бортовой сети осуществляются исключительно посредством аккумуляторной батареи.

Отметим, что использование аккумулятора в качестве источника питания при работающем двигателе – ситуация экстраординарная, указывающая или на слишком большое количество потребителей (вернее, их суммарную мощность потребления электроэнергии), или на серьёзные неполадки в бортовой сети, требующие диагностики и оперативного устранения.

Впрочем, некоторое время до выхода генератора на оптимальный режим функционирования (это происходит при достижении частоты вращения коленвала показателя порядка 1800 об/минуту) часть его функций выполняет батарея. После того, как генератор заработал в полную мощность, он начинает восполнять потерянную при пуске мотора ёмкость АКБ и продолжает это делать до момента увеличения напряжения на контактах батареи до определённого значения.

Поскольку действующим веществом аккумулятора является раствор кислоты, он требует к себе бережного отношения. Могут представлять опасность и пары кислоты, выделяющиеся при кипении электролита (процесс, характерный при зарядке АКБ с помощью зарядного устройства). Необслуживаемые батареи в этом плане менее опасны, поскольку здесь газовыделение наружу сведено к минимуму.

Параметры АКБ

Стандартная аккумуляторная батарея, предназначенная для установки на легковой автомобиль, выдаёт напряжение номиналом 12 В – именно на это значение и ориентировано большинство потребителей электроэнергии. Грузовые авто малой грузоподъёмности также используют 12-вольтовые батареи, а вот для большегрузного транспорта этого недостаточно – там используют 24-вольтовые АКБ (если быть более точным, то две 12-вольтовые, соединённые последовательно).

Каждый аккумулятор, независимо от типа, характеризуется несколькими базовыми параметрами:

• ёмкостью;
• напряжением;
• током холодного пуска.

Именно эти характеристики обычно указываются на маркировке аккумулятора. Давайте вкратце пройдёмся по всем трём указанным параметрам.

Под ёмкостью батареи понимают количество энергии, выраженной в амперах, которую полностью заряженная и исправная АКБ способна отдать на протяжении 20 часов. Так, 60-амперная батарея будет в час отдавать 3 ампера, 55-амперная – 2,75 А.

Резервная ёмкость – параметр, который указывается редко, но имеет большое практическое значение. Он измеряется в минутах и указывает, сколько времени аккумулятор может замещать генератор. Так, при совокупной нагрузке 25 А резервная ёмкость должна составлять порядка 90 минут, на протяжении которых напряжение на клеммах упадёт до 10,4-10,5 В.

Номинал напряжения – это суммарное значение разницы потенциалов всех аккумуляторов, входящих в состав батареи (у автомобильной АКБ их обычно 6). Для легкового автомобиля это значение составляет 12 вольт.

Ток холодного пуска (прокрутки) представляет собой величину тока, требующуюся для пуска силового агрегата при отрицательных температурах. Измеряется при следующих условиях:

• температура: -18ºС;
• время работы: 10 секунд;
• выходное напряжение: 7,5 В.

Чем больше величина тока холодного пуска, тем легче будет происходить пуск двигателя в зимнее время.

Устройство АКБ автомобиля

Внешне аккумулятор автомобиля выглядит как монолитный источник питания, но на самом деле он состоит из шести отдельных аккумуляторов, соединённых друг с другом по последовательной схеме с помощью свинцовых перемычек. Каждый такой аккумулятор расположен в отдельном отсеке (банке) и имеет номинал 2,1-2,2 В. Поскольку подключение последовательное, разница потенциалов между первой положительной пластиной первой банки и последней отрицательной пластины шестого отсека является арифметической суммой напряжений в каждом аккумуляторе, что даёт 12,6-13,2 вольта.

Рассмотрим более детально, как устроен автомобильный аккумулятор. Он включает следующие основные компоненты:

• корпус (изготавливается из пластика);
• крышку;
• свинцовые пластины (положительные и отрицательные).
• перемычки, соединяющие банки между собой;
• два вывода для подключения к бортовой сети;
• электролит – раствор серной кислоты;
• заливные пробки (обслуживаемые батареи).

Корпус, крышка

На первый взгляд может показаться, что корпус у аккумуляторной батареи цельный. На самом деле крышка съёмная, хотя и она, и корпус изготавливаются из пластика, нечувствительного к воздействию кислоты. Внутрь корпуса устанавливаются банки, закрываемые сверху крышкой, которая после этого герметизируется.

Пластины

Внутреннее устройство аккумуляторной батареи для автомобиля включает шесть небольших аккумуляторов, каждый из которых состоит из набора положительных и отрицательных пластин.

Минусовая пластина изготавливается из свинца губчатой структуры (катод), плюсовая сверху покрыта слоем диоксида свинца (анод). Уменьшения саморазряда добиваются за счёт ввода в свинец присадки. Для классических необслуживаемых батарей это сурьма (её доля не превышает 5%), в современных АКБ используют кальций, которые существенно уменьшает процессы сульфатации пластин, обеспечивая увеличение ёмкости батареи на величины порядка 50-70%. В гелиевых батареях и устройствах типа AGM используется чистый свинец, позволяющий увеличить значение пускового тока до 1300 ампер.

Электролит

Именно электролит, являющийся раствором серной кислоты в дистиллированной (очищенной от примесей) воде, обеспечивает электрохимические реакции, приводящие к появлению тока. Жидкость считается довольно концентрированной (35% кислоты) и потому небезопасной. Доли воды и кислоты во время работы батареи изменяются, в результате первоначальная плотность электролита варьируется в широких пределах, от 1,22 до 1,32 г/см 3 . Чем выше плотность, тем больше в электролите серной кислоты и тем устойчивее АКБ к пониженным температурам.

Сепаратор

В автомобильных жидкостных батареях аккумуляторы разделяются посредством сепаратора – пластины из электрически нейтрального, стойкого к кислоте пластика, эбонита или ревертекса. В необслуживаемых моделях батарей в качестве диэлектрика, разделяющего положительные и отрицательные пластины, используется микроволокно, которое, помимо основной функции, удерживает молекулы электролита, не позволяя ему испаряться. Каждая пластина обёрнута таким микроволокном, словно конвертом, что позволяет максимально плотно поместить пластины по отношению друг к другу.

Клеммы и пробки

Клеммы – это свинцовые выводы, соединённые внутри с крайними пластинами, а снаружи к ним подключаются провода в составе бортовой церии автомобиля. Обслуживаемые АКБ оснащаются пробками, закрывающими отверстия в крышке, через которые возможна заливка готового электролита или дистиллированной воды.

Принцип работы автомобильного аккумулятора

А теперь рассмотрим, как работает стандартный аккумулятор автомобиля.

Принцип функционирования АКБ основан на взаимных преобразованиях электрической и химической энергии электролита. При разряде химический потенциал преобразовывается в электрический, при зарядке происходит обратный процесс: поступающее от генератора электричество способствует обратному преобразованию и, соответственно, накоплению химической энергии.

Разница состоит в том, что отдаёт электроэнергию батарея быстро, а накапливает медленно.

Достаточно подключить к АКБ внешнюю нагрузку, чтобы активировать процесс химической реакции между электролитом и пластин, в результате которой кислота связывается со свинцом, образуя сульфат свинца и понижая количество кислоты в электролите. Процесс сопровождается возникновением ЭДС, или электрического тока, который и снимается с клемм батареи.

При функционирующем генераторе принцип работы аккумуляторной батареи заключается в обратном процессе. Под воздействием тока сульфат свинца распадается на свинец (двуокись свинца в случае положительной пластины) с выделением серной кислоты. Плотность электролита при этом увеличивается, поскольку соляная кислота тяжелее воды.

Процесс зарядки должен контролироваться. При недостаточно высоком напряжении батарея не будет заряжаться полностью, что чревато преждевременным выходом из строя источника питания. Чрезмерное напряжение тоже опасно, поскольку при этом процесс электролиза протекает намного активнее, и при дефиците кислоты начинается процесс разложения воды на атомарные составляющие (газообразный кислород и водород), что приводит к снижению объёма электролита – он выкипает.

Когда в машине работает генератор, аккумулятор начинает заряжаться, а за уровнем напряжения следит соответствующий датчик – как только оно повышается сверх критичного уровня, генератор снижает или вовсе прекращает подачу тока на батарею.

Теоретически при отсутствии нагрузки аккумулятор должен пребывать в нейтральном состоянии, но в действительности существует ток саморазряда, приводящий к постепенной разрядке АКБ. Скорость этого процесса зависит от многих факторов. В числе основных – конструктивные особенности аккумулятора, а также температура окружающей среды (чем она выше, тем больше ток саморазряда).

Таков вкратце принцип работы аккумулятора современного автомобиля. Усилия производителей сосредоточены над совершенствованием конструкции АКБ и повышении их эффективности.

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.