Для системы низкого напряжения применяются аккумуляторные батареи, аналогичные, как и для автомобилей, использующих двигатели внутреннего сгорания. Основные из них перечислены ниже.
Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (рис. 3.1). Каждая батарея состоит из шести последовательно соединенных аккумуляторов, объединенных в одном корпусе. Корпус-моноблок 1 изготавливается из пропилена, стойкого к кислоте и не проводящего ток.
а – обслуживаемая; б – необслуживаемая; 1 – корпус-моноблок; 2 – крышка; 3 – клемма; 4 – межэлементное соединение; 5 – пробка; 6 – индикатор проверки уровня электролита; 7 – сепаратор; 8 –положительная пластина; 9 – отрицательная пластина; 10 – крышка клеммы; 11 – перегородка; 12 – перемычка пластин; 13 – положительная пластина, помещенная внутрь сепаратора; 14 – нижняя установочная направляющая
Отдельный аккумулятор объединяет чередующиеся положительные и отрицательные решетчатые электроды-пластины, покрытые слоем активной массы. Решетки электродов-пластин отливают из сплава свинца и сурьмы (4…6 %) с добавлением мышьяка (0,1…0,2 %). Сурьма увеличивает механическую прочность и коррозионную стойкость решетки, повышает ее твердость, улучшает текучесть сплава при изготовлении решеток, снижает их оксидирование при хранении. Добавка мышьяка увеличивает коррозионную стойкость решеток, заметно повышает предел прочности на разрыв и твердость. Легирование мышьяком свинцово-сурьмянистых сплавов решеток электродов-пластин позволяет увеличить срок службы батарей.
Ячейки решеток электродов-пластин заполнены пористой активной массой. Основой пасты электродов является свинцовый порошок, замешиваемый в водном растворе серной кислоты. Для увеличения прочности активной массы в пасту положительных электродов-пластин добавляют полипропиленовое волокно. Пористая структура активной массы электродов-пластин обеспечивает лучшее проникновение электродов в глубинные слои и повышает коэффициент использования активных веществ. Активная поверхность пористой массы (поверхность, непосредственно контактирующая с электролитом) в сотни раз превышает геометрическую поверхность электрода. Масса решетки составляет до 50 % массы электрода-пластины. Решетки положительных электродов-пластин, более подверженные коррозии, имеют более толстое сечение. Общая толщина электродов-пластин зависит от режимов работы и установленного срока службы аккумуляторной батареи и составляет 1,5…2,0 мм для аккумуляторных батарей, устанавливаемых на легковых автомобилях, и 2,4…2,6 мм на грузовых.
В современных аккумуляторах положительные и отрицательные электроды-пластины изготавливаются из свинцово-кальциевого сплава. Такие батареи имеют низкий уровень саморазряда (потеря 50% емкости за 18 месяцев) и минимальный расход воды (1 г/Ач). Это дает возможность полностью исключить добавление воды за период эксплуатации, поэтому такие батареи называют – необслуживаемыми.
Между электродами устанавливаются сепараторы-разделители из кислотостойкого пористого материала. Они предназначены для предотвращения соприкосновения разноименных электродов-пластин и короткого замыкания между ними, и в то же время должны обеспечивать беспрепятственное прохождение ионов (атомов кислорода и кислотных остатков SO4).
В качестве материалов сепараторов в современных конструкциях стартерных батарей используются мипор, мипласт, пластипор, винипор и поровинил. Мипор, или микропористый эбонит, получают в результате сложного технологического процесса вулканизации смеси натурального каучука с различными добавками. Мипласт, или микропористый полихлорвинил, получают из полихлорвиниловой смолы методом спекания. Для исключения внутреннего замыкания электродов-пластин внутри аккумулятора могут применяться сепараторы со стеклотканью, выполненные в виде конверта. Такие сепараторы удерживают активную массу пластин от высыпания и вибраций.
Электроды-пластины помещены в электролит, в качестве которого используется раствор серной кислоты. Электролит имеет определенную плотность, которая изменяется в зависимости от степени заряженности аккумуляторной батареи (чем выше заряженность, тем выше плотность). При полностью заряженном аккумуляторе доля серной кислоты в электролите составляет 38%, а остальная его часть приходится на дистиллированную воду. Электролит содержит ионы, которые обеспечивают прохождение электрического тока между электродами.
В зависимости от физического состояния электролита различают два вида аккумуляторных батарей: с жидким электролитом и с пропитавшим специальный материал (нежидким) электролитом. Сегодня наиболее распространены аккумуляторные батареи с жидким электролитом.
В АКБ происходят процессы зарядки и разрядки. Зарядкой называют обратимый процесс накопления электрической энергии в АКБ. В процессе зарядки электрическая энергия преобразуется в химическую энергию. При этом из образовавшегося при разряде сульфата свинца (PbSO4) и воды (H2O) снова образуется свинец (Pb), диоксид свинца (PbO2) и серная кислота (H2SO4):
2PbSO4+ 2H2O →PbO2+ 2H2SO4+ Pb.
В результате зарядки плотность электролита увеличивается, а необходимая для выработки электрической энергии химическая энергия снова восстанавливается. Разрядкой называют процесс отдачи электрической энергии АКБ, за счет протекания электрохимической реакции. В процессе разрядки химическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Доля серной кислоты в электролите уменьшается, а доля воды увеличивается, плотность электролита при этом снижается. Как на положительной, так и на отрицательной пластине образуется сульфат свинца (PbSO4):
PbO2+ 2H2SO4+ Pb →2PbSO4+ 2H2O.
Заряд батареи должен производиться при оптимальном напряжении. Высокое напряжение приводит к сильному разложению воды и снижению уровня электролита. Низкое напряжение чревато неполной зарядкой батареи и, соответственно, уменьшением срока ее службы.
Конструкция аккумуляторных батарей постоянно совершенствуется. В настоящее время применяются АКБ не требующее обслуживания (рис. 3.1, б). Термин «не требующий обслуживания» означает лишь, что аккумуляторы этого типа не требуют проверки электролита и периодической доливки в течение всего периода их эксплуатации, однако следует при необходимости производить их подзарядку. В этих батареях отсутствуют пробки.
Аккумуляторные батареи глубокого разряда. Обычные аккумуляторные батареи реагируют на частые и крайне высокие разряды существенным износом положительных пластин (отделение и осаждение активного материала), поэтому в легковых электромобилях применяются вспомогательные аккумуляторные батареи глубокого разряда в целях обеспечения дополнительной защитой положительной массы от осыпания сепараторы имеют стекловолокнистые слои, представляющие собой микропористый нетканый материал из переплетающихся между собой ультратонких стекловолокон. Стекловолокна очень хорошо впитывают и удерживают электролит. Одновременно они выполняют функции сепараторов. В батарею заливается только то количество электролита, которое могут впитать стекловолокна. Поэтому в батареях такого типа, при повреждении корпуса АКБ, например, при аварии автомобиля, нет пролива электролита. Эти батареи оснащаются общими крышками, в которые встроены пробки ячеек и предусмотрен газоотводный канал.
Продолжительность эксплуатации таких АКБ приблизительно в два раза превышает работу стандартной аккумуляторной батареи.
Одной из разновидностей батарей такого типа являются батареи с гелеобразным электролитом, которые имеют наибольшее распространение в электромобилях. В электролит этих батарей добавляется кремниевая кислота, превращающая его в гель. Кроме того, в электролит этих батарей добавляется еще и фосфорная кислота, которая существенно повышает их циклическую стойкость (количество возможных циклов разряда и заряда) и способность к восстановлению после глубокого разряда. Эти батареи оснащаются общей крышкой (рис. 3.2), в которую встроены несъемные пробки ячеек и предусмотрен канал центральной вентиляции.
1 – отверстие; 2 – вентиляционный канал; 3 – пробка ячейки
В пробки ячеек встроены предохранительные клапаны (рис. 3.3), которые пропускают газы в систему центральной вентиляции только при определенном избыточном давлении.
1, 3 – уплотнительные кольца; 2 – корпус пробки; 4 – проход к вентиляционному каналу; 5 – предохранительный клапан
К преимуществам этих батарей относятся:
- небольшая вероятность потери электролита;
- высокая циклическая стойкость;
- отсутствие необходимости обслуживания;
- сниженное газообразование.
Недостатками являются:
- ухудшенные пусковые свойства при низких температурах;
- высокая стоимость;
- непереносимость повышенных температур и связанная с нею непригодность к установке в подкапотном пространстве.