Устройство автомобилей

Аккумуляторные батареи

Принцип работы свинцового аккумулятора

Источником электроэнергии на автомобиле при неработающем или работающем с малой частотой вращения коленчатого вала двигателе является аккумуляторная батарея. В настоящее время на автомобилях наиболее широко применяются свинцовые аккумуляторные батареи, состоящие из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. Применение кислотных аккумуляторов объясняется тем, что они обладают небольшим внутренним сопротивлением и способны в течение короткого промежутка времени (несколько секунд) отдавать ток силой в несколько сотен ампер, что необходимо для питания стартера при пуске двигателя.

Свинцовый аккумулятор электрической энергии был изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. В последующие годы конструкция аккумулятора, особенно – химический состав его электродов (пластин) постоянно совершенствовалась. В настоящее время свинцовые аккумуляторы и аккумуляторные батареи широко применяются в разных областях техники в качестве накопителей электроэнергии (стартерные батареи, аварийные и резервные источники энергии и т. п.).

Конструктивно аккумулятор представляет собой емкость, наполненную электролитом, в которой размещены свинцовые электроды. В качестве электролита используется раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Электроды выполнены в виде пластин, одна из которых изготовлена из губчатого свинца Pb, а вторая – из диоксида свинца PbO₂. При взаимодействии электродов с электролитом между ними возникает разность потенциалов.

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца.

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на положительном электроде (аноде) и окисление свинца на отрицательном электроде (катоде). При пропускании через электроды аккумулятора зарядного тока в нем протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца начинается электролиз воды, при этом на аноде выделяется кислород, а на катоде — водород.

Электрохимические реакции (слева направо — при разряде, справа налево — при заряде):

Реакции на аноде:

Реакции на катоде:

Физические процессы, происходящие в аккумуляторе, объясняются свойством электролитического растворения металлов, которое заключается в переходе положительно заряженных ионов металла в раствор. Легкоокисляющиеся металлы (например, свинец) обладают этим свойством в большей степени, чем инертные металлы.
При погружении свинцового электрода в раствор электролита от него начнут отделяться положительно заряженные ионы свинца и переходить в раствор, при этом сам электрод будет заряжаться отрицательно.

По мере протекания процесса растет разность потенциалов раствора и электрода, и переход положительных ионов в раствор будет замедляться.
При какой-то определенной разности потенциалов электрода и раствора наступит равновесие между силой электролитической упругости растворения свинца, с одной стороны, и силами электростатического поля и осмотического давления — с другой.
В результате переход ионов свинца в электролит прекратится.

При погружении электрода, изготовленного из двуокиси свинца, в раствор серной кислоты наблюдается такой же процесс, но результат получается иной. Двуокись свинца в ограниченном количестве переходит в раствор, где при соединении с водой ионизируется на четырехвалентные ионы свинца Рв4+ и одновалентные ионы гидроксила ОН.
Четырехвалентные ионы свинца, осаждаясь на электроде, создают положительный потенциал относительно раствора. Серная кислота образует в воде практически только на ионы НO + и HSO₄.
Таким образом, при разряде аккумулятора расходуется серная кислота, образуется вода, а на обоих электродах — сульфат свинца. При заряде процессы протекают в обратном направлении.

При подключении потребителей в аккумуляторе возникает разрядный ток. При этом ионы сернокислотного остатка SO₄ соединяются со свинцом электродов и образуют на них сернокислый свинец PbSO₄, а ионы водорода соединяются с кислородом, выделяясь на положительной пластине в виде воды.
В результате электроды покрываются сернокислым свинцом, а серная кислота разбавляется водой, т. е. при разряде аккумулятора плотность электролита уменьшается. Поэтому по плотности электролита можно судить о степени заряженности аккумуляторной батареи.

При прохождении электрического (зарядного) тока через аккумуляторную батарею протекают обратные электрохимические процессы. Ионы водорода, образующиеся в результате распада воды, взаимодействуют с сернокислым свинцом электродов.
Водород, соединяясь с сернистым осадком, образует серную кислоту, а на электродах восстанавливается губчатый свинец. Выделяющийся из воды кислород, соединяется со свинцом положительной пластины, образуя перекись свинца.
В результате этих процессов содержание воды в электролите уменьшается, а содержание кислоты увеличивается, что приводит к повышению плотности электролита.

По завершению процессов восстановления свинца на электродах заряд аккумулятора прекращается. При дальнейшем прохождении электрического тока через электролит начинается процесс электролиза (разложения) воды, при этом аккумулятор «закипает», и выделяющиеся пузырьки образуют смесь водорода и кислорода. Смесь этих газов является взрывоопасной, поэтому следует избегать перезаряда до появления электролизных явлений по разложению воды.

Кроме того, длительный перезаряд приводит к потере электролитом воды (испарению), в результате чего его плотность повышается и для корректировки требуется доливка дистиллированной воды.
При доливке воды необходимо помнить, что вода, попадающая в концентрированную серную кислоту, закипает и сильно разбрызгивает кислотные капли, что при попадании на открытое тело или одежду может привести к ожогам кожи, слизистых оболочек, прожигу одежды и другим неприятным последствиям.

При постоянном напряжении источника зарядного тока по мере увеличения степени заряженности аккумулятора повышается его ЭДС и, следовательно, уменьшается сила зарядного тока. Когда напряжение на клеммах источника тока будет равно ЭДС полностью заряженного аккумулятора плюс ЭДС поляризации, зарядный ток прекратится.

Среднее значение напряжения аккумулятора – 2 В. Поскольку электрооборудование современных автомобилей рассчитано для работы при напряжении в бортовой сети 12 или 24 В, аккумуляторы соединяют в батареи (по 6 или 12 шт.).

Важным параметром аккумулятора является его емкость, т. е. количество электрической энергии, которую способен отдать аккумулятор. Емкость – это произведение силы разрядного тока на продолжительность разрядки до предельно допустимого разряженного состояния. Измеряется емкость аккумулятора в ампер-часах (А×ч). Емкость аккумулятора зависит, в первую очередь, от активной площади его электродов.
Поэтому повышения емкости можно достичь увеличением поверхности электродов, что достигается использованием нескольких параллельно соединенных между собой пластин, а также применением пористого материала для их изготовления, что позволяет использовать в качестве активной массы не только поверхность, но и внутренний объем пластин.

Емкость аккумулятора не постоянна, она зависит от силы разрядного тока, температуры электролита и состояния активной поверхности пластин. При увеличении разрядного тока и понижении температуры электролита емкость аккумулятора уменьшается, что объясняется неполным протеканием электрохимических реакций разрядки в этих условиях, вследствие сокращения времени разрядки и повышения вязкости электролита при низких температурах.

Источник

Свинцово-кислотный аккумулятор — устройство и принцип работы, разновидности

Свинцово-кислотные аккумуляторы наиболее часто использовались в различных системах хранения энергии более века, и в этой роли они не имели себе равных до рубежа XX и XXI веков, когда стали доступны литий-ионные батареи.

В основе устройства и функционирования классического свинцово-кислотного аккумулятора лежат обратимые электрохимические реакции свинца и диоксида свинца с водным раствором серной кислоты: когда аккумулятор разряжается на нагрузку, оксид свинца на катоде и свинец на аноде, взаимодействуя с анионами серной кислоты, превращаются в сульфат свинца (диоксид свинца на катоде восстанавливается, свинец на аноде окисляется).

Когда аккумулятор заряжается — сульфат свинца на пластинах распадается на ионы, на катоде образуется оксид свинца, а на аноде — снова металлический свинец. При этом концентрация раствора серной кислоты увеличивается, поскольку ионы серной кислоты воссоединяясь с водородом снова образуют серную кислоту. Таким образом реализуется возможность снова и снова использовать один и тот же аккумулятор, просто время от времени перезаряжая его.

В процессе разрядки аккумулятора концентрация серной кислоты снижается — плотность электролита падает. А когда по окончании зарядки количество сульфата свинца на электродах практически исчерпывается, начинает брать верх процесс электролиза воды. Данное явление можно наблюдать в виде обилия пузырьков кислорода и водорода, что является признаком перезаряда свинцово-кислотного аккумулятора, и многие автолюбители знают о нем не понаслышке.

Лучше такого явления не допускать, ибо при этом, во-первых, необратимо расходуется вода, а во-вторых, возникает угроза взрыва. Поэтому все нормальные зарядные устройства понижают ток заряда по достижении определенного напряжения на клеммах заряжаемого аккумулятора. Что же касается потерь воды, то их традиционно восполняют доливкой в аккумулятор дистиллированной воды.

Фактически внутри корпуса свинцово-кислотного аккумулятора на 12 вольт располагается батарея из шести последовательно соединенных друг с другом элементов — ячеек. Одна ячейка (максимальное напряжение одной такой ячейки составляет 2,17 вольт) состоит из двух электродов и разделительных пластин — сепараторов, химически не взаимодействующих с электролитом, но препятствующих контакту между электродами.

Электроды представляют собой решетки чистого свинца, причем в анодную решетку впрессован порошок диоксида свинца, а в катодную — порошок свинца. Порошки используются здесь для того, чтобы максимально увеличить площадь взаимодействия электродов с электролитом, и тем самым получить возможно большую электроемкость аккумулятора, поскольку электроды погружены в электролит. Батареи из 3, 6 или 12 ячеек дают 6, 12 и 24 вольта на клеммах аккумулятора соответственно.

Стартерная батарея автомобиля (с жидким электролитом)

Классические автомобильные аккумуляторы — аккумуляторы кислотные, с жидким электролитом, на номинальное напряжение 12 вольт. В крышке такого аккумулятора имеется 6 отверстий с пробками для удобства обслуживания — можно проверить плотность электролита при помощи ареометра, если нужно — долить дистиллированной воды. Диапазон емкостей — от 35 до 230 А*ч, обеспечивают пусковые токи от 330 до 1500 А.

Задача такого аккумулятора — провернуть стартер в момент запуска автомобиля, а также питать бортовую сеть (фары, приборы, бортовые потребители через прикуриватель и т. д.) Аккумуляторы данного формата на жидком электролите постепенно уходят в прошлое, уступая место более современным аккумуляторам с загущенным электролитом.

Гелевые аккумуляторы (GEL) для ИБП, охранных систем и т. д.

В бытовых источниках бесперебойного питания (ИБП, UPS) (смотрите — Как устроены и работают ИБП), в цепях питания систем охранных сигнализаций и других подобных применениях, служат герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы с загущенным электролитом — гелевые аккумуляторы.

Жидкий кислотный электролит здесь загущен до пастообразной консистенции водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2Si2O4). Аккумуляторы данного типа не требуют обслуживания и доливки дистиллированной воды. Выпускаются гелевые аккумуляторы на емкости от 1 до 100 А*ч.

Технология AGM

Более совершенная версия гелевого аккумулятора — необслуживаемый свинцово-кислотный аккумулятор с пористыми сепараторами из стеклоткани (Absorbent Glass Mat), допускающий более жесткие режимы заряда и эксплуатации. Отличительная особенность технологии AGM заключается в использовании пропитанного жидким электролитом пористого заполнителя отсеков корпуса из стекловолокна.

Микропоры такого материала заполнены электролитом не полностью, и свободный от электролита объем используется здесь для рекомбинации газов. Аккумулятор, произведённый по технологии AGM, имеет ряд преимуществ: устойчивость к вибрации, нормальная работоспособность в любом положении (главное — не располагать вверх дном, так как сверху находятся аварийные клапаны).

Источник

Свинцово кислотные аккумуляторы – особенности

Свинцово-кислотный аккумулятор – один из самых надёжных АКБ, разработанный ещё в XIX веке, но до сих пор используемый во многих областях. В его основе лежит химическая реакция с переносом электронов от анода к катоду. Аккумулятор со временем портится при разрядке-подзарядке, так что данный процесс должен выполняться по всем правилам, чтобы продлить жизнь батареи.

Устройство и принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

Данный тип стационарного АКБ довольно тяжёлый, так как состоит из плотно параллельно упакованных плёнок свинца и оксида свинца. И те и другие в аккумуляторе расположены очень густо. Свинцовые пластины тёмно-серого цвета с синим оттенком, оксидно-свинцовые – тёмно-коричневые с рыжим оттенком.

Обе пластины находятся в серной кислоте, из-за чего в названии АКБ есть соответствующее слово. При включении аккумулятора ток протекает от оксидно-свинцового катода к свинцовому аноду. При этом свинец выделяет электроны, которые оксид свинца принимает.

В результате изменения заряда двух пластин они вступают в реакцию с серной кислотой вокруг и превращаются в сульфаты свинца.

Pb + HSO4– => PbSO4 + H+ + 2e–

PbO2 + HSO4– + 3H+ + 2e– => PbSO4 + 2H2O

Пара пластин производит 2 вольта, поэтому, чтобы увеличить количество вольт, которое может дать аккумулятор, пластины соединяют параллельно во множество пар слоёв. Они упаковываются плотно в банку, чтобы уменьшить объём батареи. Но так как электроны должны передаваться через терминалы, то пары пластин разъединяются специальными изоляционными плёнками.

При этом аккумулятор может иметь либо высокую плотность энергии, либо мощности. То есть аккумулятор или сохраняет большое количество энергии и отдаёт её в течение длительного времени, или он отдаёт огромный заряд очень быстро. В автомобилях используется второй вариант, так как надо отдать более 400 ампер, чтобы завести двигатель.

При глубокой разрядке батареи на пластинах образуется налёт сульфата свинца. Именно из-за этого если посадить аккумулятор до нулевого заряда несколько раз, то можно просто уничтожить его. Сульфат свинца полностью покрывает поверхность пластин, после чего его уже невозможно будет зарядить.

Типы и особенности свинцово-кислотных АКБ

Идеальных аккумуляторов не существует, в инженерных конструкциях часто приходится жертвовать желаемыми характеристиками, чтобы получить необходимые параметры. Для каждой цели создан свой тип устройства.

В первую очередь АКБ делят на герметичные и негерметичные батареи. Вторые требуют постоянного контроля над уровнем электролита и состоянием катодов и анодов, могут работать лишь в определённых положениях. Аккумулятор герметичный свинцово-кислотный используется чаще, так как не нуждается в особом уходе.

Кроме того, все батареи можно разделить на следующие группы:

• Стартерные. Выдают большое количество энергии за одно мгновение, из-за чего обладают большим саморазрядом. Отлично подходят для того, чтобы заводить автомобили. Требуют определённого обслуживания и вентиляции.

• Буферные батареи. Предназначены для краткосрочного хранения небольшого количества энергии, работают в постоянном режиме подзарядки.

• Аккумуляторы для бесперебойной аппаратуры. Устанавливаются в офисах для аварийного завершения работ.

• Аккумуляторы длительного электроснабжения. Большие тяжёлые батареи, которые выдают достаточно много энергии длительное время. Используются в реанимационных отделениях на случай отключения электричества.

• Гелевые аккумуляторы. Хорошо переносят циклы заряжения-разряжения. Благодаря этому могут использоваться в сильных морозах. Среди них отдельно можно выделить солнечные батареи, которые рассчитаны на многократные циклы.

Как достигается такая вариация характеристик свинцово-кислотных аккумуляторных батарей? Если требуется выдавать огромное количество энергии за короткое время, то пластины делаются тонкими, но высокими и широкими (больше по площади поверхности), а расстояние между ними уменьшается. Благодаря этому увеличивается соотношение поверхности и массы, в результате энергия отдаётся быстрее.

Кроме того, на свойства аккумулятора влияют характеристики электролита и другие параметры. Гелевые электролиты хуже реагируют со свинцовыми и оксидно-свинцовыми плитами, а также делают конструкцию защищённой от вытекания. Повышает срок эксплуатации использование свинцово-кальциевых сплавов.

Области применения свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотные аккумуляторы используются повсеместно, так как свинец и его оксид отвечают наиболее важным требованиям:

• элементы часто встречаются в природе и довольно легко добываются;
• они в паре способны накапливать и отдавать энергию лучше, чем все другие элементы;
• аккумуляторы из них просты и дешевы в производстве;
• долгий срок службы, возможность многократной перезарядки;
• простое обслуживание, что особенно характерно для герметичных конструкций.

Из-за этого батареи применяются в следующих областях:

• сигнализационные системы;
• стартёры в автомобилях;
• системы пожарной безопасности;
• системы аварийной подачи электроэнергии на телевидении, в реанимационных отделениях;
• электрические весы и кассовые аппараты;
• системы бесперебойного электроснабжения или аварийного отключения в компьютерной технике или их сетях;
• детские игрушки;
• в лёгких самолётах.

Тем не менее, имеются некоторые минусы:

• аккумуляторы чувствительны с холоду;
• отходы из них опасны для экологии;
• количество циклов довольно ограничено;
• есть лимиты у выдаваемой мощности.

Как правильно заряжать свинцово-кислотные аккумуляторы

Принцип зарядки состоит в том, что нужно изменить направление тока. Из-за этого электролит и материя двух пластин восстанавливает свой прежний химический состав. Данный процесс именуется циклом, и он может быть многократным. Но чтобы не повредить и продлить срок службы батареи, надо знать, как правильно заряжать свинцово-кислотный аккумулятор.

Важно! Для процедуры потребуется источник тока и устройство, которым можно регулировать силу тока и напряжение.

Прежде всего, нужно знать параметры аккумулятора, которые можно посмотреть на самой коробке устройства. Производители часто указывают информацию на английском языке. Обозначается всё это следующим образом:

На английском	На русском
12V	12 вольт
7.2Ah	7.2 ампер-часов

Также производитель может указывать напрямую, каким током можно заряжать аккумулятор:

На английском	На русском
Standby use – 13.5-13,8V	Если вы используете батарею, как резервный источник электричества – 13,5-13,8 вольт
Cycle use – 14.4V	Если вы его применяете в качестве стартёра, то есть циклическое использование – 14.4 вольт
2.16A MAX	При любой зарядке ток не должен превышать 2.16 ампера

А что если производитель не указал, каким током заряжать аккумулятор? В этом случае можно пользоваться простым правилом – напряжение не должно превышать 10% от его номинальной ёмкости. То есть если у батареи указан параметр 7.2Ah, то заряжать надо при 0.72A.

После того как разобрались с основными параметрами, нужно сделать прибор, которым можно зарядить аккумулятор. Для этого потребуется крепкая коробка (лучше пластиковая) с отверстиями для вентиляции, блок питания от ноутбука, плата для регулировки тока и напряжения.

Дополнительно можно встроить многооборотистые переменные резисторы для более тонкой настройки, а также вольтамперметр. Для зарядки автомобильных аккумуляторов потребуется понижающий преобразователь напряжения и более мощный блок питания.

Собрав конструкцию, можно переходить непосредственно к главной процедуре. Для начала на неподключенном к аккумулятору устройстве нужно выставить напряжение, которым надо заряжать АКБ. Далее необходимо убавить силу тока до минимума, в результате чего сразу же упадёт напряжение. После этого подключаем устройство к аккумулятору (плюс к плюсу, минус к минусу).

В этот момент вольтамперметр будет показывать напряжение, которое есть на батарее. Включаем устройство в розетку и поднимаем силу тока до необходимой величины (метод её расчёта описан выше). В этот момент возможно незначительное снижение напряжения, говорящее о том, что ток уходит на прогрев электролита и преодоление сопротивления аккумулятора. Это нормально.

К концу зарядки аккумулятора сила тока на вольтамперметре будет практически равна нулю.

Источник