Как работает аккумулятор — принцип работы АКБ простыми словами

Назначение аккумулятора в автомобиле

Автомобильный аккумулятор часто называют аббревиатурой АКБ, что означает аккумуляторная кислотная батарея. Не все аккумуляторы относятся к этому типу, но они наиболее распространены в автомобилях.

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

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

Каждая батарея имеет определенную емкость и заряд. При работающем двигателе генератор берет на себя всю нагрузку на источник питания. Он также заряжает аккумулятор во время вождения. Если тока не хватает, подключается аккумулятор. В течение определенного времени аккумулятор может обеспечивать автономное питание.

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

Аккумулятор обычно находится в моторном отсеке автомобиля или крепится к раме больших грузовиков. Это связано с тем, что кислота внутри очень агрессивна и опасна для здоровья. Он может просочиться через дом или выйти в виде газа. Аккумулятор требует осторожного обращения.

Аккумуляторы, не требующие обслуживания, более безопасны, так как внутри них нет жидкого электролита. Такие аккумуляторы практически не выделяют вредных газов и могут использоваться где угодно. Альтернативные места расположения батареи включают багажник и под сиденьем водителя.

Параметры АКБ

Типичный автомобильный аккумулятор обеспечивает 12В. Этого достаточно для запуска бортовой сети. Для большегрузных автомобилей используются аккумуляторы на 24 В. По сути, это два обыкновенных аккумулятора, соединенных последовательно.

Емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах (А*ч). Для легковых автомобилей емкость аккумулятора находится в пределах 40-130 Ач. Емкость показывает, как долго аккумулятор может обеспечивать энергией под нагрузкой. Но эти значения измерены при определенной нагрузке и при определенной температуре — 20°С. При других условиях параметры могут быть изменены.

Важным показателем также является ток холодной прокатки или пусковой ток. Различные модели способны выдавать от 250А до 1300А. Ток холодного пуска — это напряжение, которое аккумулятор может выдать в течение 30 секунд при температуре 18°C. В других условиях этот параметр можно изменить, например зимой.

Понятие аккумулятор и его устройство

В общем понимании этого слова в технике термин «Аккумулятор» означает устройство, позволяющее при различных условиях эксплуатации накапливать определенный вид энергии, либо использовать ее для нужд человека.

Хотите научиться строить энергоэффективный дом? Узнайте секреты строительства дома, который спасает сам себя

Они применимы в ситуациях, когда необходимо собирать энергию в течение определенного времени, а затем использовать ее для осуществления крупных трудоемких процессов. Так вот — гидроаккумуляторы, применяемые в шлюзах, позволяют поднимать суда на новый уровень русла реки.

Электрические батареи работают с электричеством по тому же принципу: когда они сначала аккумулируют (аккумулируют) электроэнергию от внешнего источника зарядки, а затем отдают ее подключенным устройствам для дальнейшей работы. По своей природе они являются химическими источниками тока, способными выполнять множество периодических циклов разряда и заряда.

В рабочем процессе постоянно происходят химические реакции между компонентами электродных пластин и заполняющим их веществом – электролитом.

Узнайте больше о самовозобновляемой и бесплатной энергии будущего. Солнечные панели в действии.

На рисунке ниже показана схема сборки батареи. Дисплей появляется, когда две пластины из разнородных металлов с проводами вставляются в корпус сосуда для обеспечения электрических контактов. Электролит заливают между пластинами.

Особенности конструкции

Раньше все аккумуляторы изготавливались по простому принципу, по устройству они были аналогичны автомобильным аккумуляторам, где катоды и аноды покрыты кислотой, размещены в банках, соединенных последовательно в единую цепь.

Уменьшение размеров портативных устройств потребовало разработки новой технологии, позволяющей уместить в компактном корпусе не только высокотехнологичную начинку, но и вместительный аккумулятор, полностью удовлетворяющий энергетические потребности гаджетов.

Новые технологии предполагают отказ от кислоты в пользу гелеобразной жидкости, покрытие катодов алюминием, анодов медной фольгой. В результате получился компактный блок питания повышенной мощности.

Для контроля заряда, защиты от короткого замыкания, переразряда в аккумуляторе установлена ​​плата электронного контроллера. Аккумуляторы можно подключать к устройству как стандартно — с помощью двух контактов +/-, так и с помощью конвектора — многополюсное соединение (например, используется в смартфонах).

Как работает аккумулятор (АКБ) при разряде

В момент подключения нагрузки в виде лампочки к электродам создается замкнутая электрическая цепь, по которой протекает разрядный ток. Его образованию способствует движение электронов в металлических деталях и анионов с катионами в электролите.

Этот процесс условно показан на схеме с конструкцией никель-кадмиевого электрода.

В данном примере в качестве материала положительного электрода используются оксиды никеля с добавками графита, что увеличивает электропроводность. Губка кадмия действует как металл отрицательного электрода.

При разряде частицы активного кислорода выделяются из оксидов никеля в электролит и направляются на отрицательные пластины, где окисляют кадмий.

Работа аккумулятора при заряде

Начиная с отключенной нагрузки, на клеммы пластин подается постоянное (в определенных ситуациях пульсирующее) напряжение с большей величиной, чем у аккумуляторной батареи, заряженной той же полярности, при совпадении плюсовых и минусовых клемм источника и потребителя.

Таким образом, мощность зарядного устройства всегда больше той, которая «гасит» оставшуюся в аккумуляторе энергию и создает электрический ток с направлением, противоположным разряду. Это приводит к изменению внутренних химических процессов между электродами и электролитом.

Например, на банке никель-кадмиевых пластин положительный электрод обогащается кислородом, а отрицательный электрод восстанавливается до состояния чистого кадмия.

При разрядке и зарядке аккумулятора меняется химический состав материала пластин (электродов), но электролит не меняется.

Способы соединения аккумуляторов (как работает аккумулятор)

Параллельное соединение (как работает аккумулятор)

Величина разряда тока зависит от многих факторов, но в первую очередь от конструкции, используемых материалов и их размеров. Чем больше площадь пластин у электродов, тем больший ток они могут выдержать.

Этот принцип используется для параллельного соединения однотипных аккумуляторов при необходимости увеличения тока в нагрузку. Чтобы зарядить такую ​​конструкцию, нужно увеличить мощность источника.

Этот способ редко используется для готовых конструкций, в настоящее время гораздо проще сразу приобрести необходимую батарею. Но производители кислотных аккумуляторов используют его, соединяя разные пластины в единые блоки.

Последовательное соединение (как работает аккумулятор)

В зависимости от используемых материалов между двумя электродными пластинами на обычных бытовых батареях может генерироваться напряжение 1,2/1,5 или 2,0 вольта. На самом деле этот диапазон гораздо шире. А для многих электроприборов его явно недостаточно. Поэтому однотипные аккумуляторы соединяют последовательно, часто делают это в одном корпусе.

Примером такой конструкции является широко распространенная разработка автомобилей на сернокислотных и свинцовых электродных пластинах.

Часто среди водителей транспорта под термином «аккумулятор» принято понимать любую единицу, независимо от количества составных частей – коробок. Это неправильно. Конструкция, составленная из нескольких последовательно соединенных коробок, уже считается батареей, которой присвоено сокращенное наименование «АКБ». Его внутренняя структура показана на рисунке.

Любая банка состоит из двух блоков с набором пластин для положительных и отрицательных электродов. Блоки укладываются друг в друга без металлического контакта с возможностью надежной гальванической связи через электролит.

При этом контактные пластины имеют дополнительную сетку и отделены друг от друга разделительной пластиной — сепаратором.

За счет соединения пластин в блоки увеличивается их рабочая площадь. Это снижает общее удельное сопротивление всей конструкции, позволяет увеличить мощность подключаемой нагрузки.

Компоновка АКБ

На внешней стороне коробки такая батарея имеет элементы, показанные на рисунке ниже.

Из него видно, что прочный пластиковый корпус герметично закрыт крышкой и оснащен сверху двумя клеммами. Обычно они имеют конусообразную форму для подключения к электрической цепи автомобиля. На их выводах выбита маркировка полярности: «+» и «-». При этом есть правило: во избежание ошибок при подключении диаметр плюсовой клеммы немного больше, чем минусовой.

Для исправных аккумуляторов в верхней части каждой коробки размещена заливная горловина для проверки уровня электролита или доливки дистиллированной воды в процессе эксплуатации. В него вкручивается колпачок, предохраняющий внутреннюю полость коробки от загрязнения и в то же время препятствующий вытеканию электролита при наклоне аккумулятора.

Для предотвращения быстрого выхода газов из электролита, что возможно при интенсивной езде, в пробках сделаны отверстия, предотвращающие нарастание давления внутри коробки. А через эти отверстия выходят кислород и водород, а также пары электролита. Таких ситуаций, связанных с чрезмерными зарядными токами, в идеале следует избегать.

На этом же рисунке выше показано соединение элементов между банками и расположение электродных пластин.

Стартерные автомобильные аккумуляторы (свинцово-кислотные) работают по принципу двойной сульфатации. При разряде/заряде на них происходит электрохимический процесс, который сопровождается изменением химического состава активной массы электродов с выделением или поглощением воды в электролите (серной кислоте.

Этим явлением можно объяснить увеличение удельного веса электролита при зарядке, а также уменьшение при разряде аккумулятора. Другими словами, значение плотности позволяет оценить электрическое состояние батареи. Для его измерения используется специальный прибор – автомобильный ареометр.

Электролит кислотного аккумулятора содержит дистиллированную воду. При отрицательной температуре переходит в твердое состояние – лед. Поэтому, чтобы автомобильные аккумуляторы не замерзали в морозы, необходимо применять специальные меры, прописанные в правилах эксплуатации.

Виды аккумуляторов

Классификация АКБ по составу активного вещества

Свинцовые пластины, используемые в старых батареях, перестали устраивать потребителей. Таким образом, возникла необходимость улучшить качество батареи. Во-первых, к свинцу добавляли сурьму, что позволяло значительно продлить срок службы батареи.

На следующем этапе процентное содержание сурьмы было снижено до оптимальной концентрации. Такой подход привел к созданию малообслуживаемых аккумуляторов, характерной особенностью которых является более редкая дозаправка водой.

При использовании металлического кальция для покрытия пластин появились энергосберегающие источники кальция. В более ранних моделях потери воды из-за электролиза при 12 вольтах приходилось постоянно восполнять, а кальций позволил поднять этот порог до 16 вольт. Так стало возможным при производстве необслуживаемых аккумуляторов и использовать герметичный неразборный корпус.

В чем разница между свинцово-кислотными, гелевыми и AGM автомобильными аккумуляторами?

Виды АКБ

• Сурьмяные батареи. Этот тип относится к классике благодаря повышенному составу сурьмы, ускоряющей процесс электролиза.
• Свинцово-кислотный аккумулятор. В батареях с малым содержанием сурьмы материалом пластин является свинец с небольшой примесью сурьмы. В них степень саморазряда гораздо меньше, чем в сурьмяных аккумуляторах.
• Источники кальция. При производстве источников кальция свинцовые пластины легируют до 0,1% кальция. Они могут иметь разные заряды, как отрицательные, так и положительные.
• Гибридные источники энергии вытесняют кальций. В производстве две технологии комбинированного сердечника имеют конструктивные отличия: одна, когда пластины формируют из сплава свинца и сурьмы, положительные электроды, и другая, когда пластины формируют из сплава свинца и кальция, отрицательные электроды.
• EFB — это усовершенствованная батарея, заполненная жидкостью. Свинцовые пластины в батареях EFB в два раза толще, чем в обычных батареях, в результате чего увеличивается их емкость. Каждая платина заключена в пакет из специального материала, который заполнен жидким сернокислотным электролитом.
• В гелевых батареях используется гелеобразный электролит. Суть этой технологии в том, что она позволяет снизить текучесть электролита, содержащего агрессивную серную кислоту.
• В литиевых батареях используется жидкий электролит, представляющий собой раствор фтористых солей лития в смеси эфиров угольной кислоты.
• Отличительной особенностью электролита AGM является то, что между пластинами по специальной технологии вставлены микропористые прокладки из стекловолокна.
• Во всех щелочных батареях используется щелочь, растворенная в воде.

Классификация батарей по типу электролита

Электролиты бывают кислые и щелочные.

Щелочные растворы используются для зарядки аккумуляторов. Жидкости для щелочных аккумуляторов — это жидкости, обладающие высокой реакционной способностью по отношению к металлам и кислотам. При взаимодействии с кислотами образуются соль и вода.

Растворы щелочей подвергаются гидролизу. Химические свойства означают, что этот тип электропроводящей жидкости можно использовать для хранения электрической энергии в батарее.

Кислотные смеси с дистиллированной водой в основном используются в автомобильных аккумуляторах. Составы такого типа можно легко приобрести в специализированных магазинах или при желании приготовить самостоятельно в домашних условиях. На заводе процесс изготовления таких смесей в крупносерийном производстве осуществляется по ГОСТу.

Принцип работы аккумулятора основан на электрохимической реакции окисления свинца в растворе серной кислоты и воды.

Когда батарея разряжается, металлический свинец окисляется на положительной пластине, а двуокись свинца восстанавливается на отрицательной пластине.

При зарядке происходит обратный процесс, количество диоксида свинца на отрицательной пластине уменьшается, а количество металла увеличивается на положительной пластине.

Также при разрядке аккумулятора количество серной кислоты в электролите уменьшается, а количество воды увеличивается. А при зарядке происходит обратный процесс.

Материалы АКБ

Пластины

В настоящее время аккумуляторы высшего качества претерпели незначительные изменения. И эти изменения связаны с материалом пластин. Теперь пластины делают не из чистого свинца, а из сплава с серебром. При этом вес аккумулятора удалось уменьшить на треть, а срок его службы увеличить на 20 %.

Кроме того, изменилась технология их производства. Если первые пластины изготавливались методом литья, то сегодня их изготавливают из тонкого листа свинца методом штамповки. Этот метод дешевле, а пластины прочнее и тоньше.

Сепараторы

Одной из причин выхода из строя аккумулятора является короткое замыкание плюсовой и минусовой пластин.

При осыпании активной зоны с пластин на дне коробов происходит короткое замыкание. Чтобы этого не произошло, на помощь приходят сепараторы, которые выполнены в виде конвертов, запаянных снизу, под пластины. Таким образом, при крошении активной зоны она остается внутри оболочки и не замыкается.

Литий-ионные аккумуляторы

Эти батареи широко используются благодаря мобильным телефонам и другим гаджетам. Сегодня есть разработки для автомобилей. Несмотря на все достоинства, этот тип аккумуляторов не прижился в автомобильной технике из-за ряда принципиальных недостатков.

Новый литий-ионный аккумулятор со сроком службы 16 лет

1. Они сильно теряют свою мощность из-за низких температур.
2. Зарядка таких аккумуляторов требует строгого соблюдения зарядного тока, а для этого требуется замена электронной части генераторов.
3. И самое главное, эти аккумуляторы стоят в 15 раз дороже обычного кислотного аккумулятора.

Электролит

Как было сказано выше, электролит представляет собой раствор серной кислоты и воды. Известно, что под воздействием низких температур вода замерзает, но с электролитом этого не происходит.

Но тем не менее он заметно густеет и теряет свои свойства, из-за этого заметно снижается емкость аккумулятора. Чтобы избежать этого, в настоящее время в электролит добавляют различные добавки.

Гелевые электролиты

Их по праву можно считать вершиной развития кислотных аккумуляторов. Такие аккумуляторы называются просто гелевыми. В этих устройствах электролит модифицирован до такой степени, что представляет собой что-то вроде желе.

Такая модификация в сочетании с другими описанными выше нововведениями дала поистине волшебные результаты. В результате батареи стали практически вечными, устойчивыми к опрокидыванию, практически не теряют своих свойств зимой и при этом значительно легче по весу.

Графен-полимерные аккумуляторы

Это, пожалуй, самые перспективные аккумуляторы для использования как в автомобилях, оснащенных двигателем внутреннего сгорания, так и в составе электросиловой установки. В производстве этих батарей используются нанотехнологии.

Принцип работы этих поистине удивительных аккумуляторов таков: их емкость почти в три раза больше, чем у литий-ионных и при этом имеет меньшую стоимость, так как в производстве не используется дорогой литий. Кроме того, они не теряют своих свойств под воздействием низких температур.

Основные технические характеристики аккумуляторов

Номинальная емкость аккумулятора

Номинальная мощность элемента — способность накапливать и отдавать электроэнергию постоянного тока, определяет время автономной работы ИБП. Емкость электрической батареи показывает время питания подключенной к ней нагрузки.

Важно! Полная емкость не характеризует энергию аккумулятора, т.е энергию, которая может быть запасена в полностью заряженном аккумуляторе. Чем выше напряжение батареи, тем больше энергии в ней хранится.

Емкость всегда указана на крышке аккумулятора и на упаковке. Именно по этому критерию большинство пользователей выбирают подходящую модель.

Читайте также: Какие купить пресс — клещи для опрессовки проводов

Пусковой ток

Это величина, характеризующая параметр тока, протекающего в стартере автомобиля при запуске силового агрегата. Пусковой или пусковой ток возникает в момент поворота ключа в замке зажигания и начала вращения стартера. Единица измерения Ампер. Тот же холодный пусковой ток является показателем поведения аккумулятора в морозную погоду и сможет запустить двигатель при минусовых показаниях.

Он определяется током, который аккумулятор может отдать в течение первых 30 секунд при температуре -18°С. При высоком пусковом токе увеличиваются шансы завести автомобиль при минусовой температуре.

Полярность

Порядок размещения на крышке аккумуляторной батареи соединительных клемм, являющихся токоведущими соединительными элементами, называется полярностью. Имеет два полюса — положительный и отрицательный и варианты размещения — прямой и обратный.

Прямая полярность — внутреннее развитие. Чтобы его определить, нужно повернуть аккумулятор так, чтобы метка была перед глазами. Когда положительный полюс расположен слева, а отрицательный полюс справа, можно утверждать, что батарея имеет прямую полярность. На иномарки устанавливаются аккумуляторы с обратной полярностью.

Устройство корпуса

Большинство аккумуляторов имеют корпус из ударопрочного полипропилена. Он характеризуется как легкий материал, не вступающий в химическую реакцию с агрессивным аккумуляторным электролитом. Полипропилен обладает очень хорошей стойкостью к экстремальным температурам, возникающим под капотом автомобиля, где нагрев может достигать до +60 ̊С, а в мороз до -30 °С.

Корпус большинства аккумуляторов состоит из ручки для переноски, вилки, индикатора заряда и клемм для подключения к сети. Вес аккумулятора емкостью 55 Ач составляет примерно 16,5 кг. Известные типы аккумуляторов, пользующиеся спросом: американский, европейский, азиатский и российский типы корпусов.

Европейский тип корпуса характеризуется тем, что клеммы аккумулятора находятся в углублении, их верхний край не выступает над поверхностью крышки. В некоторых случаях клеммы дополнительно защищают от внешних воздействий специальными колпачками.

Азиатский тип корпуса представляет собой коробку, в которой клеммы расположены на верхней крышке. Верхний край клемм является самой высокой точкой аккумулятора.

Обозначение	Описание букв
И	Аккумулятор имеет общую крышку на весь корпус
Вт	Корпус аккумулятора залит, и он полностью заряжен для начала
Е	Корпус-моноблок батареи изготовлен из эбонита
Т	Моноблочный корпус АБК изготовлен из термопластика
М	В корпусе используются сепараторы типа Minplast из ПВХ
П	В конструкции использованы полиэтиленовые сепараторы-конверты

 

Тип крепления аккумулятора

При выборе батареи особое внимание следует обратить на тип крепления батареи, где батарея может быть установлена ​​снизу или сверху. С помощью специальной монтажной рамы, закрывающей батарею, элемент фиксируется сверху. Аккумулятор крепится с помощью ремешка и двух шипов. Чаще всего такой тип установки и крепления аккумулятора встречается на китайских или корейских автомобилях.

Нижнее крепление можно использовать на европейских автомобилях. На дне корпуса аккумулятора есть выступ. За этот выступ батарея прижимается к платформе пластиной и винтом.