Как устроены и работают аккумуляторы
В широком смысле слова в технике под термином «Аккумулятор» понимается устройство, которое позволяет при одних условиях эксплуатации накапливать определенный вид энергии, а при других — расходовать ее для нужд человека.
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:
Источник
Устройство н принцип действия простейшего аккумулятора.
Простейший аккумулятор состоит из емкости с помещенными в нее двумя свинцовыми пластинами, не соприкасающимися друг с другом. В сосуд заливается электролит, состоящий из дистиллированной воды с добавлением химически чистой серной кислоты в определенной про-порции. Уровень электролита должен превышать высоту пластин, что обеспечивает полное использование их поверхности. Подготовленный таким образом аккумулятор заряжается от источника постоянного тока генератора путем соединения одной пластины с положительным, а другой с отрицательным полюсом .
При прохождении тока через пластины и электролит (заряд) в аккумуляторе происходит процесс преобразования электрической энергии в химическую, что выражается в образовании налета активной массы на поверхности пластин. На положительной пластине образуется перекись свинца коричневого цвета, а на отрицательной губчатый свинец серого цвета.
При включении в цепь аккумулятора какого-либо потребителя (лампы) происходит обратный процесс превращения химической энергии в электрическую, и аккумулятор постепенно разряжается. При этом активная масса на той и другой пластинах превращается в сернокислый свинец (рис. 2.1 б), а плотность электролита уменьшается. После полного разряда аккумулятор снова заряжается и работоспособность его восстанавливается.
Для увеличения емкости аккумулятора (запаса электроэнергии) в нем устанавливают большое количество решетчатых пластин, заполненных активной массой и составляющих два полублока . При этом для изоляции между положительными и отрицательными пластинами устанавливаются сепараторы.
Аккумуляторная батарея состоит из шести свинцово-кислотных двух вольтовых аккумуляторов, соединенных между собой последовательно, что обеспечивает получение в электрической цепи рабочего напряжения 12 В, необходимого для питания всех потребителей на автомобиле.
Устройство аккумуляторной батареи (рис. 2.2). Аккумуляторная батарея имеет полипропиленовый полупрозрачный корпус, разделенный перегородками на шесть отсеков, представляющих собой отдельные аккумуляторы. Сверху аккумуляторы закрыты общей полипропиленовой крышкой, приваренной к корпусу ультразвуковой сваркой. В крышке имеются отверстия для заливки электролита в каждый аккумулятор и для прохода двух полюсных выводов батареи (плюсового и минусового).
Каждый аккумулятор состоит из двух полу блоков чередующихся пластин: положительных и отрицательных. Пластины одинаковой полярности приварены к меж элементным соединениям (борнам), которые служат для крепления пластин и выводов тока и соединяют аккумуляторы батареи между собой. Решетки пластин отлиты из сплава свинца с добавлением кальция и сурьмы, что замедляет процесс разложения электролита и саморазряд аккумуляторов.
Для увеличения емкости в решетку пластин впрессовывают активную массу, приготовленную на водном растворе серной кислоты из окислов свинца — свинцового сурика (РЬ304) и свинцового глета (РЬО) — для положительных пластин и свинцового порошка для отрицательных пластин. Одноименные пластины соединяются в полу блоки, заканчивающиеся выводными полюсными штырями. Полу блоки с положительными и отрицательными пластинами собирают в блок таким образом, что положительные пластины располагаются между отрицательными, поэтому последних обычно на одну больше. Это позволяет лучше использовать двустороннюю активную массу крайних положительных пластин и предохраняет их от коробления и разрушения.
Положительные пластины аккумулятора помещаются в сепараторы, изготовленные в виде конвертов из тонкого пластикового микропористого материала. Это исключает их короткое замыкание отрицательными пластинами, а малая толщина и большая пористость сепараторов облегчают прохождение через них электролита, снижают внутреннее сопротивление и обеспечивают получение разрядного тока большой силы. Кроме того, это исключает короткое замыкание пластин выпадающей активной массой, позволяет устанавливать блоки пластин непосредственно на днище бака без ребер и значительно увеличить объем электролита над пластинами и тем самым увеличить срок доливки дистиллированной воды при эксплуатации автомобиля.
Для облегчения проверки уровня электролита в каждом аккумуляторе у заливных отверстий снизу имеются трубчатые индикаторы (тубусы). Нижний срез индикатора находится на требуемой высоте от уровня пластин. При нормальном уровне поверхность электролита образует четко видимый через наливное отверстие мениск (эллипс). Кроме того, на полупрозрачном пластмассовом корпусе аккумуляторной батареи могут быть метки «MIN» и «МАХ», между которыми должен находиться уровень электролита.
Полу блоки положительных и отрицательных пластин отдельных аккумуляторов соединены между собой меж- элементными соединениями, проходящими через пластмассовые перегородки. И соединяются соответственно с положительным и отрицательным выводами батареи.
Выводы большинства отечественных и импортных аккумуляторных батарей имеют конусную форму, обеспечивающую сохранение надежного контакта с клеммами проводов при износе их в процессе эксплуатации, и имеют стандартные размеры. Причем положительный вывод батареи по диаметру больше отрицательного, что исключает возможность нарушения полярности при установке батарей на автомобиль.
На верхней поверхности батареи расположены отверстия для заливки электролита в каждый аккумулятор батареи, закрываемые пробками. Пробки имеют вентиляционные отверстия для выхода газов, образующихся в процессе работы батареи. У новых незалитых батарей вентиляционные отверстия закрыты специальными герметизирующими приливами, которые при заливке в батарею электролита удаляются (срезаются).
Технические характеристики аккумуляторной батареи (АКБ). Емкость — это количество электричества в ампер- часах (А-ч), которое способна отдать полностью заряженная батарея при непрерывном 20-часовом разряде с постоянной силой тока, численно равной 0,05 емкости батареи, до напряжения на выводных клеммах АКБ 10,5 В.
Во время пользования АКБ нельзя допускать снижения напряжения ниже 10,2 Б, так как это приведет к ее порче.
Чем больше сила разрядного тока, тем меньше становится емкость АКБ. Емкость зависит также от размера пластин аккумулятора и их числа, от количества активной массы, а также от температуры электролита.
ЭДС батареи — это разность потенциалов на ее выводных клеммах без нагрузки (при разомкнутой внешней цепи). Данная характеристика взаимосвязана со степенью заряженности батареи и по ее величине можно оценивать состояние батареи и необходимость ее заряда.
Напряжение АКБ — это разность потенциалов на ее выводных клеммах в процессе заряда или разряда (при наличии тока во внешней цепи). Данная характеристика используется при оценке пусковых качеств батареи.
Пусковые качества АКБ оцениваются по следующим параметрам стартерного разряда, измеряемым при температуре электролита 18°С:
— сила разрядного тока, А;
— напряжение в начале разряда (для АКБ с пластмассовым корпусом — на 30-й секунде стартерного разряда), Б;
— время разряда до момента установления напряжения 10,2 В, мин.
Саморазряд АКБ необходимо учитывать для правильной эксплуатации батареи и продления срока ее службы. Саморазрядом называют самопроизвольное снижение емкости АКБ при отключенных от нее потребителях. При значениях саморазряда более 1 % в сутки он считается ускоренным и свидетельствует о неисправности батареи. При отрицательных температурах саморазряд аккумуляторных батарей резко уменьшается, поэтому хранить их лучше при низких температурах в заряженном состоянии.
Маркировка аккумуляторн ых батарей состоит из цифр и букв:
— первая цифра обозначает число аккумуляторов в батарее;
— буквы СТ — свинцовая стартерная батарея, т.е. обеспечивающая получение высокого пускового тока;
— число, отделенное от предыдущей части обозначения черточкой, указывает номинальную емкость АКБ в ампер-часах;
— последние буквы обозначают материал и конструктивное исполнение корпуса батареи: Э — эбонит, Т — полиэтилен, П — асфальтопековая пластмасса, А — пластмассовый с общей крышкой; материал сепараторов: М — мипласт, Р — мипор, С — стекловолокно; потребительские характеристики: 3 — залитая и заряженная, Н — не сухозаряженная, JI — необслуживаемая. Термин «необслуживаемая» является условным, так как
обслуживать такие батареи все же нужно, хотя и в значительно меньшем объеме.
После буквенных обозначений АКБ указывается соответствующий Государственный стандарт.
Для определения полярности на выводных клеммах проставляют знаки «+» и «-». Кроме того, отрицательную клемму делают меньшего диаметра. Если нет опознавательных знаков и выводные клеммы АКБ по диаметру различить трудно, то необходимо установить батарею на автомобиль и, подключив клеммы, включить фары. Если стрелка амперметра или лампочка световой сигнализации при неработающем двигателе покажут разряд АКБ, то батарея включена правильно.
Аккумуляторные батареи устанавливаются на специальной площадке в моторном отсеке, либо крепятся за выступы в нижней части корпуса с помощью кронштейнов.
Электролит
Объемы серной кислоты н дистиллированной воды для приготовления 1 литра электролита при 15°С, см3
Электролит — это раствор серной кислоты в дистиллированной воде. Раствор приготавливается только в кислотоупорной посуде (эбонитовой, керамической). Электролит нужной плотности получают медленным добавлением серной кислоты к дистиллированной воде. Вливать воду в кислоту категорически запрещено .
По мере уменьшения плотности электролита понижается температура замерзания электролита. Например, при плотности электролита 1,23 г/см3 его температура замерзания составит минус 36 °С. В полностью разряженной батарее плотность электролита понижается до 1,11 г/см3, а температура замерзания — до -7°С. Поэтому в зимнее время разряженные аккумуляторные батареи нельзя оставлять вне отапливаемого помещения.
Для предотвращения замерзания электролита при эксплуатации аккумуляторной батареи в зимних условиях плотность регламентируется в зависимости от климатических условий эксплуатации .
Так же необходимо знать, чему должно быть равно напряжение заряженного аккумулятора, ведь достаточные уровень и плотность электролита еще не говорят о степени зарядки АКБ. Чтобы измерить напряжение батареи, нужно воспользоваться вольтметром или мультиметром, при этом перед процедурой необходимо снять «минусовой» провод с клеммы.
Напряжение на клеммах АКБ
| Напряжение на выводах, В | Уровень зарядки акк. % |
| 12,6-12,9 | |
| 12,3-12,6 | |
| 12,1-12,3 | |
| 11,8-12,1 | |
| 11,5-11,8 |
Довольно часто автолюбители сталкиваются с такой проблемой, как отсутствие достаточного уровня электролита в банках автомобильного аккумулятора. В большинстве случаев это решается простым добавлением дистиллированной воды до нужного уровня. Но если такое происходит довольно часто или же пришлось добавить довольно большое количество воды, то плотность электролита становится гораздо меньше, чем положено и такая батарея либо плохо держит зарядку, либо совсем выходит из строя.
Для того чтобы поддерживать плотность электролита в аккумуляторе на должном уровне необходимо иметь в своем арсенале автомобильный ареометр или же обратиться в сервисный центр к профессионалам.
Ареометр автомобильный бывает как для электролита, так и для тосола, чаще они совмещены в одном приборе. Ареометр для электролита представляет собой прозрачную стеклянную колбу с длинным наконечником на одном ее конце и резиновым шаром на другом. Внутри данной колбы расположен обычный стеклянный ареометр для измерения плотности электролита
Как правильно зарядить аккумулятор автомобиля
Итак, если у вас есть зарядное устройство (ЗУ) и вам нужно зарядить «севший» аккум-р, нужно сделать следующее:
В целях безопасности извлекаем батарею из автомобиля (выполняем по инструкции к своему авто) и устанавливаем на ровное место, например на стол, где будет производиться дальнейшая ее зарядка. Все это нужно делать в хорошо проветриваемом помещении и вдали от огня, так как при зарядке выделяется большое количество вредных и легковоспламеняющихся газов.
Если аккум-р обслуживаемый, необходимо проверить плотность электролита в банках а так же убедиться, что его уровень соответствует норме. Посмотрите на клеммы АКБ, если они окислены или загрязнены, то необходимо их зачистить напильником или шкуркой для улучшения контакта и затем слегка смазать графитовой смазкой или литолом.
Помните, касаться одновременно обеих клемм напильником нельзя, это может привести к порче АКБ или ее возгоранию
Отверните все пробки с банок АКБ и положите их на отверстия, нужно это для того чтобы в конце процесса зарядки выделяемые газы (кислород и водород) не скапливались внутри а выходили наружу. Просто иногда отверстия в пробках оказываются засоренными и не пропускают их, что может привести к поломке АКБ.
После того как первые шаги сделаны можно приступать к самому процессу зарядки. Согласно инструкции к ЗУ, выполняем его подключение к соответствующим клеммам АКБ: «плюсовой» провод к «плюсу» батареи, обычно он красного цвета, а «минусовой» провод к «минусовой» клемме аккумулятора, обычно он черного цвета.
Если по инструкции к зарядному устройству оно должно быть отключено от сети в момент подключения к батарее, то теперь самое время его включить в сеть, и опять же следуя инструкции настроить необходимый режим зарядки.
Источник