Их применяют там, где необходимо собрать энергию за определенное время, а затем использовать ее для совершения больших трудоемких процессов. Например, гидравлические аккумуляторы, используемые в шлюзах, позволяют поднимать корабли на новый уровень русла реки.
Электрические аккумуляторы работают с электроэнергией по этому же принципу: вначале накапливают (аккумулируют) электричество от внешнего источника заряда, а затем отдают его подключенным потребителям для совершения работы. По своей природе они относятся к химическим источникам тока, способным совершать много раз периодические циклы разряда и заряда.
Во время работы постоянно происходят химические реакции между компонентами электродных пластин с заполняющим их веществом — электролитом.
Принципиальную схему устройства аккумулятора можно представить рисунком упрощенного вида, когда в корпус сосуда вставлены две пластины из разнородных металлов с выводами для обеспечения электрических контактов. Между пластинами залит электролит.
Работа аккумулятора при разряде
Когда к электродам подключена нагрузка, например, лампочка, то создается замкнутая электрическая цепь, через которую протекает ток разряда. Он формируется движением электронов в металлических частях и анионов с катионами в электролите.
Этот процесс условно показан на схеме с никель-кадмиевой конструкцией электродов.
Здесь в качестве материала положительного электрода используют окислы никеля с добавками графита, которые повышают электрическую проводимость. Металлом отрицательного электрода работает губчатый кадмий.
Во время разряда частицы активного кислорода из окислов никеля выделяются в электролит и направляются на отрицательные пластины, где окисляют кадмий.
Работа аккумулятора при заряде
При отключенной нагрузке на клеммы пластин подается постоянное (в определенных ситуациях пульсирующее) напряжение большей величины, чем у заряжаемого аккумулятора с той же полярностью, когда плюсовые и минусовые клеммы источника и потребителя совпадают.
Зарядное устройство всегда обладает большей мощностью, которая «подавляет» оставшуюся в аккумуляторе энергию и создает электрический ток с направлением, противоположным разряду. В результате внутренние химические процессы между электродами и электролитом изменяются. Например, на банке с никель кадмиевыми пластинами положительный электрод обогащается кислородом, а отрицательный — восстанавливается до состояния чистого кадмия.
При разряде и заряде аккумулятора происходит изменение химического состава материала пластин (электродов), а электролита не меняется.
Способы соединения аккумуляторов
Величина тока разряда, которую может выдержать одна банка, зависит от многих факторов, но в первую очередь от конструкции, примененных материалов и их габаритов. Чем значительнее площадь пластин у электродов, тем больший ток они могут выдерживать.
Этот принцип используется для параллельного подключения однотипных банок у аккумуляторов при необходимости увеличения тока на нагрузку. Но для заряда такой конструкции потребуется поднимать мощность источника. Этот способ используется редко для готовых конструкций, ведь сейчас намного проще сразу приобрести необходимый аккумулятор. Но им пользуются производители кислотных АКБ, соединяя различные пластины в единые блоки.
В зависимости от применяемых материалов, между двумя электродными пластинами распространенных в быту аккумуляторов может быть выработано напряжение 1,2/1,5 или 2,0 вольта. (На самом деле этот диапазон значительно шире.) Для многих электрических приборов его явно недостаточно. Поэтому однотипные аккумуляторы подключают последовательно, причем это часто делают в едином корпусе.
Примером подобной конструкции служит широко распространенная автомобильная разработка на основе серной кислоты и свинцовых пластин-электродов.
Обычно в народе, особенно среди водителей транспорта, принято называть аккумулятором любое устройство, независимо от количества его составных элементов — банок. Однако, это не совсем правильно. Собранная из нескольких последовательно подключенных банок конструкция является уже батареей, за которой закрепилось сокращенное название «АКБ» . Ее внутреннее устройство показано на рисунке.
Любая из банок состоит из двух блоков с набором пластин для положительного и отрицательного электродов. Блоки входят друг в друга без металлического контакта с возможностью надежной гальванической связи через электролит.
При этом контактные пластины имеют дополнительную решетку и отдалены между собой разделительной пластиной — сепаратором.
Соединение пластин в блоки увеличивает их рабочую площадь, снижает общее удельное сопротивление всей конструкции, позволяет повышать мощность подключаемой нагрузки.
С внешней стороны корпуса такая АКБ имеет элементы, показанные на рисунке ниже.
Из него видно, что прочный пластмассовый корпус закрыт герметично крышкой и сверху оборудован двумя клеммами (обычно конусной формы) для подключения к электрической схеме автомобиля. На их выводах выбита маркировка полярности: «+» и «-». Как правило, для блокировки ошибок при подключении диаметр положительной клеммы немного больше, чем у отрицательной.
У обслуживаемых аккумуляторных батарей сверху каждой банки размещена заливная горловина для контроля уровня электролита или доливки дистиллированной воды при эксплуатации. В нее вворачиваются пробка, которая предохраняет внутренние полости банки от попадания загрязнений и одновременно не дает выливаться электролиту при наклонах АКБ.
Поскольку при мощном заряде возможно бурное выделение газов из электролита (а этот процесс возможен при интенсивной езде), то в пробках делаются отверстия для предотвращения повышения давления внутри банки. Через них выходят кислород и водород, а также пары электролита. Подобные ситуации, связанные с чрезмерными токами заряда, желательно избегать.
На этом же рисунке показано соединение элементов между банками и расположение пластин-электродов.
Стартерные автомобильные АКБ (свинцово-кислотные) работают по принципу двойной сульфатации. На них во время разряда/заряда происходит электрохимический процесс, сопровождающийся изменением химического состава активной массы электродов с выделением/поглощением в электролит (серную кислоту) воды.
Этим объясняется повышение удельной плотности электролита при заряде и снижение при разряде батареи. Другими словами, величина плотности позволяет оценивать электрическое состояние АКБ. Для ее замера используют специальный прибор — автомобильный ареометр.
Входящая в состав электролита кислотных батарей дистиллированная вода при отрицательной температуре переходит в твердое состояние — лед. Поэтому, чтобы автомобильные аккумуляторы не замерзали в холодное время, необходимо применять специальные меры, предусмотренные правилами эксплуатации.
Какие существуют типы аккумуляторов
Современное производство для различных целей выпускает более трех десятков разнообразных по составу электродов и электролиту изделий. Только на основе лития работает 12 известных моделей.
В качестве металла электродов могут встретиться:
ПОЧЕМУ В ЛЕГКОВЫХ АВТО НЕЛЬЗЯ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ГЕЛЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Почему в легковых авто нельзя использовать гелевые аккумуляторы
C момента появления первого автомобильного аккумулятора прошло уже больше века. За это время произошло несколько технологических революций, однако принцип работы автономного источника питания остался прежним. А вот эксплуатационные показатели заметно повысились…
Чтобы добиться от самого распространенного на сегодняшний день свинцово-кислотной аккумуляторной батареи (АКБ) максимальной эффективности и долговечности, конструкторы придумали и внедрили ряд инновационных технологий.Мы рассмотрим некоторые из них на примере продукции, выпускаемой на заводах известной словенской компании ТАВ. Она сегодня поставляет на российский рынок широкий спектр стартерных батарей (бренды TAB и Topla) для всех категорий транспорта, включая легковые автомобили, внедорожники, грузовики и самую разнообразную мототехнику.
Почему в легковых авто нельзя использовать гелевые аккумуляторы
Один из этапов технологии ЕМТ — путем перфорации, а затем растягивания получают ленту для штамповки решетчатых пластин с требуемой конфигурацией ячеек.
ЗАЧЕМ БАТАРЕЕ «СЛЯБ»
Возвращаясь к технологиям, отметим, что она из целей, которые преследуют конструкторы — сделать свинцовые пластины аккумулятора как можно более тонкими и прочными. Здесь есть несколько способов. Так, например, литье по технологии непрерывной симметричной кристаллизации металла позволяет изготовить свинцовую ленту с заданными размерами. Далее эту заготовку, называемую «сляб», прокатывают, уменьшая ее толщину до 0,75−0,9 мм. После этого из полученной тонкой ленты методом специальной перфорации, а затем растягивания получают решетчатые пластины-электроды с требуемой конфигурацией ячеек, отличающиеся высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Эта технология, получившая название Expanded Metal Technology (ЕМТ), позволяет, к тому же, свести к минимуму разброс геометрических и физических параметров пластин.
Почему в легковых авто нельзя использовать гелевые аккумуляторы
В свинец, из которого изготавливают решетки современных аккумуляторных пластин, сегодня добавляют различные металлы, например, кальций и олово.
НЕ ТРЕБУЙТЕ ДОЛИВА…
Большинство современных автомобильных аккумуляторов практически не требуют никакого обслуживания, в том числе долива воды. Добиться этого удалось благодаря нескольким способам. Один из них — добавка в состав пластин кальция и олова. Такой шаг, помимо радикального снижения «выкипания» электролита, позволил замедлить саморазряд аккумулятора более чем в шесть раз. Слабость таких устройств в том, что они не любят глубокого разряда: несколько разрядок «в ноль» и емкость падает чуть ли не вдвое-втрое. Поэтому производители аккумуляторов придумали так называемую гибридную технологию, или систему «кальций плюс». Суть ее в том, что положительные пластины аккумулятора содержат немного сурьмы, а также кадмий, а отрицательные токоотводы — добавку кальция. В последнее время вместо сурьмы в свинец пластин стали добавлять олово, медь, селен и прочие элементы, в том числе, даже серебро.
Почему в легковых авто нельзя использовать гелевые аккумуляторы
Современные необслуживаемые АКБ оснащаются двойной лабиринтной крышкой, с помощью которой пары электролита конденсируются и возвращаются в работу.
Еще один способ предотвращения выкипания электролита, а также обеспечения пожарной безопасности аккумулятора, заключается в использовании так называемой двойной лабиринтной крышки. Она представляет собой конструкцию из двух пластиковых плоскостей, между которыми организована система спиралеобразных каналов и газоотводов. С их помощью улавливаются, конденсируются и возвращаются в работу выделяющиеся в ходе работы аккумулятора пары электролита. В то же время, накапливающийся при работе аккумулятора в незначительных количествах горючий водород безопасно удаляется через специальные клапаны. АКБ данного типа относятся к категории необслуживаемых герметичных батарей, в обозначении которых присутствует аббревиатура SMF.
Почему в легковых авто нельзя использовать гелевые аккумуляторы
Идет процесс приготовления активной массы, которая затем наносится на пластины батарей. Рецептура этой пасты — ноу-хау компании ТАВ.
ПОГОВОРИМ О МАССЕ
Эффективность аккумулятора в огромной степени зависит не только от конструкции решеток электродов, но и от так называемой активной массы, которой они покрыты. Напомним, что в качестве активной массы положительного электрода используется перекись свинца PbO2, а активная масса отрицательного электрода — чистый (губчатый) свинец.
Чтобы продлить срок службы электродов, в состав пасты добавляют диоксид кремния. Это замедляет осыпание активной массы с электродов, увеличивая срок службы батареи. С этой же целью некоторые производители добавляют в состав пасты специальным образом обработанные синтетические волокна. Они значительно улучшают электрический контакт и механическое сцепление активной массы с решеткой аккумуляторной пластины. Волокна также повышают способность массы к слипанию и химическому взаимодействию с электролитом.
От короткого замыкания между пластинами электродов предохраняют так называемые конверты-сеператоры. На данный момент большинство производителей используют сепараторы из высокопрочного тонкого полиэтиленового полотна. Оно обладает высокой прочностью на прокол — для предотвращения «пробоя» в случае повышенной сульфатации. Одновременно сепаратор обязан обладать высокой электролитической проницаемостью.
Почему в легковых авто нельзя использовать гелевые аккумуляторы
После нанесения активной массы на решетки пластин они «упаковываются» в специальные конверты-сепараторы.
START-STOP И EFB
Несколько особняком стоят аккумуляторы, предназначенные для работы на машинах, оснащенных системой Start-Stop. Имеются в виду автомобили, «умеющие» ради экономии топлива автоматически глушить мотор на остановках и запускать его вновь при трогании. Во время остановок питание бортовых электропотребителей происходит исключительно за счет АКБ. Стандартная батарея в подобном режиме «живет» крайне недолго. Поэтому был создан специальный тип автомобильных аккумуляторов, способных работать на машинах с системой Start-Stop.
От прочих кислотных АКБ батарея типа Start-Stop отличается увеличенным объемом электролита, более массивными пластинами отрицательных электродов. Свинцовый сплав, из которого они состоят, обязательно содержит олово, а площадь активной поверхности увеличена. Конверты-сепараторы отличаются от «собратьев» улучшенной микропористой структурой. Перечисленные особенности «старт-стопных» батарей нашли свое отражение в специальном буквенном индексе EFB, который указывается на этикетках этого типа АКБ. Пример — аккумуляторы Topla Тор EFB Stop&Go.
Почему в легковых авто нельзя использовать гелевые аккумуляторы
Для машин, оснащенных системой Start-Stop, предназначены аккумуляторы с индексом EFB. Пример — аккумуляторы Topla Тор EFB Stop&Go.
СТЕКЛОВОЛОКНО С КИСЛОТНОЙ ПРОПИТКОЙ
Относительно недавно на рынке получили массовое распространение «гелевые» аккумуляторы. Принцип работы такой АКБ не отличается от традиционного аналога. Разница лишь в том, что в «гелевых» аккумуляторах электролит находится не в жидком состоянии, а в виде своего рода «желе» (созвучно с «gel electrolite»). У него в обычный кислотный электролит добавлена двуокись кремния, которая и вызывает загустение. Такие аккумуляторы характеризуются более длительным циклическим ресурсом без существенных потерь емкости. Однако есть один важный момент, который стоит помнить всем автолюбителям — гелевые АКБ никогда не используются в качестве стартерных батарей. Их применяют только как тяговые источники питания.
Совсем другое дело — AGM-аккумуляторы, получившие название от технологии Аbsorptive Glass Mat. Кстати, именно АКБ этого типа часто по ошибке называют «гелевыми». Электролит в батареях этого типа задействуется не в привычном нам жидком состоянии, а в связанном (адсорбированном) — он находится в своеобразной «губчатой» структуре из тонких стекловолоконных матов, разделяющих пластины. Сами пластины в корпусе АКБ размещаются очень плотно, поэтому у батарей такого типа конструктивно исключено осыпание пластин в случае глубокого разряда. Еще плюс — саморазряд бездействующего AGM-аккумулятора очень мал. Кроме всего прочего, он безопаснее и экологичнее обычной батареи — в случае опрокидывания или механического повреждения корпуса AGM-аккумулятора электролит из него уже не вытечет. К достоинствам АКБ такого типа относят и большой срок службы — до 10−12 лет. Пример — батареи TAB EcoDry AGM Stop&Go.
Почему в легковых авто нельзя использовать гелевые аккумуляторы
Самые долговечные и жизнестойкие — это аккумуляторы, изготовленные по технологии AGM. Пример — батареи TAB EcoDry AGM Stop&Go.
…Все перечисленные технологии производства АКБ успешно освоены на заводах компании ТАВ. Выпускаемые ею стартерные батареи брендов TAB и Topla традиционно пользуются хорошим спросом в нашей стране, что во многом обусловлено их отменным качеством, высокой надежностью и привлекательной ценой. Она, кстати, нередко оказывается дешевле некоторых отечественных аккумуляторов, обладающих аналогичными параметрами.
Глава 2. Системы питания двигателей
2. Аккумуляторная батарея
Потребители электроэнергии на автомобиле должны питаться током при работающем и неработающем двигателе. Во время работы двигателя источником тока служит генератор. При неработающем двигателе, когда генератор не вырабатывает электроэнергии, необходим другой источник тока.
Для питания потребителей при неработающем двигателе, а также когда сила тока, потребляемая потребителями, превышает максимальную для генератора величину, используют химический источник постоянного тока — аккумуляторную батарею, в которой химическая энергия превращается в электрическую. Характерной особенностью аккумуляторных батарей является их способность вырабатывать ток и после разряда, если через них пропустить постоянный ток в обратном направлении в течение определенного времени.
Стартерные свинцовые аккумуляторные батареи. Свинцовый аккумулятор в простейшем виде состоит из двух свинцовых пластин, погруженных в раствор серной кислоты и дистиллированной воды определенной концентрации. Этот раствор называется электролитом. Если в аккумулятор налить электролит, то серная кислота взаимодействует со свинцовыми пластинами и в результате химической реакции на поверхности пластин появляется слой сернокислого свинца. Если через такой элемент пропустить постоянный ток, то электролит под действием тока разлагается и происходит химическая реакция, в результате которой сернокислый свинец положительной пластины превращается в перекись свинца коричневого цвета, а на отрицательной пластине — в губчатый свинец серого цвета. Плотность электролита при этом увеличится за счет образования серной кислоты; напряжение на клеммах аккумулятора также повысится. Такой процесс называется зарядом.
При подключении к заряженному аккумулятору потребителей ток в нем пойдет в обратном направлении и это вызовет обратную химическую реакцию. Теперь из электролита будет удаляться серная кислота и выделяться вода, а на пластинах аккумулятора будет вновь образовываться сернокислый свинец. Плотность электролита и напряжение на клеммах аккумулятора будет уменьшаться. Такой процесс называется разрядом. На автомобиле устанавливают не один аккумулятор, а батарею, состоящую из нескольких аккумуляторов, соединенных последовательно между собой.
На рис. 73, а показано устройство кислотно-свинцовой” аккумуляторной батареи. состоящей из моноблока (образующего сосуды для аккумуляторов), положительных и отрицательных пластин, сепараторов, крышек и соединительных мостиков. Моноблок аккумуляторной батареи изготовлен из полиэтилена или асфальтопековой пластмассы, в которую внутри запрессовывают кислотостойкие вставки эбонита. Он разделен перегородками, образующими отсеки для отдельных аккумуляторов. На :дне моноблока имеются ребра, на которые опираются пластины своими выступами. Во избежание замыкания (осадками) выступы положительных и отрицательных пластин опираются на разные ребра.
Аккумуляторные пластины изготовляют из сплава свинца и сурьмы (7—8%), В состав сплава для решеток положительных пластин входит мышьяк. Сурьма необходима для придания пластинам жесткости. Пластины изготовляют в виде решеток, образующих ячейки, заполняемые активной массой, которая принимает непосредственное участие в химических процессах во время заряда и разряда. Активная масса заряженных положительных пластин состоит из перекиси свинца, а у отрицательных—из губчатого свинца. Для увеличения площади соприкосновения активной массы с электролитом ее делают пористой. Чтобы увеличить количество активной массы принимающей одновременнно участие в химических процессах и уменьшить внутреннее сопротивление, делают по нескольку одноименных пластин, соединенных между собой параллельно в полублоки. Полублоки собирают в блоки (рис. 73, б). Положительных пластин в полублоке должно быть на одну меньше, 4 чем отрицательных, с тем, чтобы в блоках положительные пластины были размещены между отрицательными. Такое взаимное расположение пластин обеспечивает использование обеих сторон положительных пластин. Если в химической реакции будет принимать участие только одна сторона положительной пластины, то пластина будет быстро разрушаться. Толщина положительной пластины больше отрицательной. Над пластинами установлен предохранительный щиток.
Сепараторы размещены между разноименными пластинами и предохраняют их от непосредственного соприкосновения (короткого замыкания). Сепаратор представляет собой прокладку, изготовленную из микропористой пластмассы (мипласта), стекловолокна или микропористого эбонита (мипор). Сепаратор должен хорошо пропускать электролит, что необходимо для нормального протекания химических процессов во время заряда и разряда. Сепараторы, изготовленные из минора или мипласта, с одной стороны имеют ребристую поверхность, которой сепаратор обращен к положительной пластине.
Электролит представляет собой смесь химически чистой серной кислоты и дистиллированной воды. Электролит, употребляемый для заполнения аккумуляторов, должен иметь определенную плотность.
Новые аккумуляторы с сухими заряженными пластинами заполняют электролитом плотностью 1,28— 1,25 г/см3. Выбирая плотность электролита, надо учитывать климатический пояс и время года. При низких температурах плотность электролита должна быть большей, а при более высоких температурах — меньшей. Во время приготовления электролита серную кислоту льют тонкой струей в воду, одновременно помешивая раствор чистой стеклянной палочкой. Нельзя лить воду в кислоту, так как выделяется большое количество тепла, электролит будет разбрызгиваться и может вызвать ожоги тела. Составлять электролит следует в кислотостойкой посуде.
Напряжение на клеммах свинцовых аккумуляторов независимо от их размеров и количества пластин одинаково. В заряженном состоянии напряжение одного ак^ кумулятора равно 2 В, при разряде напряжение снижается. Во время пользования аккумулятором нельзя допускать снижения напряжения ниже 1,7 В, так как это приведет к его порче.
На современных автомобилях применяют приборы, рассчитанные на напряжение 12 или 24 В. Чтобы получить такое напряжение. необходимо шесть аккумуляторов соединить последовательно свинцовыми перемычками, либо использовать две таких батареи.
Емкость аккумулятора определяется количеством электричества, которое может дать заряженный аккумулятор при разряде до допустимого предела (снижение напряжения до 1,7 В). Измеряется емкость ампер-часами. Ампер-часом называется емкость такого аккумулятора, который может давать ток силой в 1А в течение 1 ч. Емкость зависит от размера пластин и их количества, т. е. от количества активной массы, соприкасающейся с электролитом, от качества (пористости) активной массы, силы разрядного тока, а также от температуры электролита.
Чем больше сила разрядного тока, тем меньше становится емкость. Снижение температуры электролита на Г С от температуры +30° С снижает емкость примерно на 1%.
На автомобилях ЗИЛ-130 устанавливают аккумуляторные батареи 6-СТ-90-ЭМС, на ГАЗ-53А —6-СТ-75 и на КамАЗ —две 6-СТ-190-ТР. Марки аккумуляторных батарей расшифровываются так: первая цифра обозначает количество аккумуляторов в батарее, буквы СТ — стартерная, а число после букв — емкость батареи в ампер-часах. Последние буквы обозначают материал бака: Э — эбонит, Т— полиэтилен, П — асфальто-пековая пластмасса и материал сепаратора; Р—мипор, М — мипласт, С — стекловолокно. После буквенных обозначений указывается соответствующий государственный стандарт.
Для определения полярности на выводных клеммах проставляются знаки « + », «—». Кроме того, отрицательную выводную клемму делают тоньше положительной. Если нет опознавательных знаков и клеммы по толщине различить трудно, то необходимо установить батарею на автомобиль и, подключив клеммы, включить свет. Если стрелка амперметра при неработающем двигателе покажет разряд, то батарея включена правильно.
Гарантийный срок работы аккумуляторных батарей зависит от материала сепараторов, от качества применяемых материалов и колеблется в пределах от 18 мес до двух лет при нормальной эксплуатации. В настоящее время все аккумуляторные батареи сухозаряженные, т. е. батареи поступают с завода в заряженном виде без электролита. Перед употреблением такие батареи необходимо привести в рабочее состояние, выполнив следующие операции:
освободить вентиляционные отверстия;
залить электролите каждый аккумулятор. Плотность электролита должна соответствовать заряженному аккумулятору, сезону и климатическому поясу (табл. 5); уровень электролита должен быть на 10—15 мм выше предохранительного щитка;
в течение 2—3 ч пластины должны пропитаться электролитом, после чего долить электролит до уровня; подзарядить аккумулятор силой тока, численно равной 0,1 емкости в течение 5 ч, если этого недостаточно, то зарядный ток снижают и продолжают заряд в течение 2—3 ч. Признаком конца заряда является обильное газовыделение (кипение электролита) и постоянные плотность электролита и напряжение в течение 3 ч;
если плотность электролита к концу заряда не соответствует норме, ее нужно довести до нормы, долив дистиллированную воду или электролит повышенной плотности (1,4).
кноли включения Выключатель аккумуляторной батареи. При электротехнических работах, длительном хранении автомобиля или на стоянке аккумуляторную батарею следует. отключить от массы автомобиля, для чего устанавливают выключатель аккумуляторной батареи.
Источник: