Аккумуляторная батарея

Общие положения. Автомобильная аккумуляторная батарея является важным элементом электрооборудования — наряду с генератором выступает источником тока. В автомобиле аккумуляторная батарея выполняет несколько функций:

• питание стартера при запуске двигателя;
• питание потребителей при выключенном двигателе;
• питание потребителей в дополнение к генератору при включенном двигателе.

При совместной работе с генератором аккумуляторная батарея обеспечивает переходные процессы, требующие большого тока, а также сглаживает пульсацию тока в электрической сети.

Устройство аккумуляторной батареи. На автомобилях в качестве стартерных применяются преимущественно свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (АКБ) (рис. 10.1).

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. 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.

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. Как только двигатель запускается, генератор начинает заряжать АКБ. При этом из образовавшегося при разряде сульфата свинца (PbSO₄) и воды (H₂O) снова образуется свинец (Pb), двуокись 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. При работающем двигателе аккумуляторная батарея заряжается от генератора. Аккумуляторную батарею также можно зарядить с помощью специального зарядного устройства.

Разрядкой называют процесс отдачи электрической энергии АКБ. В процессе разрядки химическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Когда потребитель соединяется с АКБ, она разряжается. Доля серной кислоты в электролите уменьшается, а доля воды увеличивается. Как на положительной, так и на отрицательной пластине образуется сульфат свинца (PbSO₄)

PbO₂+ 2H₂SO₄+ Pb →2PbSO₄+ 2H₂O

Разрядка происходит при подключении потребителей, плотность электролита при этом снижается.

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. 11.1, 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.

Зарядка аккумуляторной батареи сопровождается газообразованием. Отвод газов от аккумуляторной батареи осуществляется с помощью системы вентиляции (рис. 10.2). Центральная система вентиляции соединяет каждый отдельный аккумулятор в составе батареи с атмосферой. За счет предохранительных клапанов система герметична. Клапан устанавливается в пробке аккумулятора и срабатывает при определенном избыточном давлении. Система носит название ValveRegulatedLeadAcidBattery или VRLA батарея. Кислород и водород, образующиеся при заряде, не покидают аккумулятор, а взаимодействуют между собой с образованием воды. Их выход происходит только при высоком напряжении заряда.

Система вентиляции лабиринтной конструкции более совершенна. Она состоит из двух частей: верхней и нижней.

Двойная крышка оборудована лабиринтом. Поэтому её называют также лабиринтной крышкой. В лабиринтную крышку интегрированы центральный газоотвод и система защиты от воспламенения газов в АКБ. Водяные пары, возникающие при зарядке АКБ, конденсируются (переходят в жидкую фазу) на крышке АКБ и в виде воды стекают через лабиринт назад в АКБ. Лабиринтная крышка также исключает вытекание электролита при опрокидывании АКБ.

Она обеспечивает конденсацию выходящих паров и возвращение жидкости обратно в аккумулятор. Отдельные аккумуляторные батареи оборудуются пламегасителем, который в случае возгорания выходящих паров отсекают пламя от батареи и не пускают его внутрь. Пламегаситель устанавливается на выходе вентиляционной системы и представляет собой мембрану из особого материала.

Подключение аккумуляторной батареи к электрической сети производится с помощью двух свинцовых выводов. Положительный вывод всегда толще отрицательного, что исключает ошибку при подключении батареи. Полярность (расположение) выводов может быть прямой или обратной. При прямой полярности положительный вывод батареи расположен слева, при обратной полярности справа. Необходимо помнить, что длина проводов, которыми подключается аккумулятор, рассчитана на определенную полярность.

Многие современные модели аккумуляторных батарей снабжены спе­циальным индикатором, позволяющим быстро оце­нить их состояние (рис. 10.3). Прин­цип работы индикатора достаточно прост. В элект­ролит опущен световод, к которому прикреплен ко­роб с пластмассовым шариком зеленого цвета внутри.

Плотность пласт­массы подобрана таким образом, чтобы при повы­шении плотности электро­лита шарик всплывал вплотную к срезу светово­да, со­здавая эффект зеленого свечения. При разряде аккумулятора, когда плот­ность электролита снижа­ется, он погружается, и зеленое свечение исчеза­ет. Таким образом, шарик играет роль ареометра – указателя плотности электролита. Кроме того, шарик уйдет вниз и при критическом понижении уровня электролита в ба­тарее (рис. 10.4).

Если индикатор зеленый это свидетельствует о полной степени заряженности. При потемнении индикатора и приближении его цвета ближе к черному необходима зарядка аккумулятора. Если индикатор бесцветный или желтый, то это свидетельствует о полной разрядке аккумулятора и недопустимом снижении уровня электролита и такой аккумулятор выбраковывается.

На автомобиле аккумуляторные батареи жестко закрепляются с помощью специального крепления, предупреждающего их повреждение и разлив электролита. Крепление может быть верхнее (рамка) или нижнее (скоба, закрепляемая за выступы основания). Для батарей, располагающихся в центральной части или багажнике автомобиля предусматривается аварийный размыкатель.

Аккумуляторные батареи глубокого разряда. Обычные аккумуляторные батареи реагируют на частые и крайне высокие разряды существенным износом поло­жительных пластин (отделение и осаж­дение активного материала). В аккумуляторных батареях 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 батарея с гелеобразным электролитом. 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. 10.5), в которую встроены несъемные пробки ячеек и предусмотрен канал центральной вентиляции.

В пробки ячеек встроены предохранительные клапаны (рис. 10.6), 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.

Виброустойчивые аккумуляторные батареи. В виброустойчивых аккумуляторных батареях крепления в виде литой смолы или пластика предупреждают разрушение пластин от вибрации.

Батарея снабжается безопасной клеммой, если она подлежит установке в средней части кузова или в багажнике автомобиля. Длинный кабель, соединяющий батарею со стартером, может быть причиной пожара из-за его повреждения при аварии. Поэтому при срабатывании подушки безопасности производится отключение кабеля к стартеру от положительного вывода батареи. Питание остальной бортовой сети сохраняется, так как при аварии необходимо сохранение работоспособности аварийной сигнализации и освещения. Отключение кабеля от положительного вывода производится отстрелом его наконечника. Случайное возобновление соединения наконечника кабеля с выводом батареи предотвращается уловителем с двумя захватами.

Малогабаритные аккумуляторные батареи. Из-за недостатка пространства в моторном отсеке в некоторых легковых автомобилях устанавливаются два аккумулятора по 6 Вольт вместо обычного аккумулятора на 12 Вольт.

По своему строению шестивольтная АКБ существенно отличаются от обычных аккумуляторов. АКБ представляет собой компактный модуль (рис. 10.7), который при этом имеет повышенную мощность. Главной отличительной особенностью шестивольтных АКБ является округлая конструкция положительной и отрицательной решеток из свинца с сепаратором из стекловолокна, в котором находится электролит, что защищает АКБ от утечек электролита. Плотное расположение соединений в пакете пластин АКБ обеспечивает повышенную вибростойкости, а в связи с этим – больший срок службы. По сравнению с обычными аккумуляторами, шестивольтная АКБ обладает большей мощностью в режиме холодного пуска.

Шестивольтная АКБ не требуют обслуживания, кроме зарядки. Такие батареи нельзя заряжать по одиночке и нельзя производить замену только одной АКБ.

Бортовая сеть с двумя батареями. На автомобиля, используемых для путешествий и отдыха ряд потребителей (например, автономный отопитель, холодильник, приборы внутреннего освещения и т. п.) могут подключаются к отдельной сети. У таких автомобилей с двухбатарейной бортовой сетью одна батарея служит исключительно для пуска двигателя, а другая обслуживает остальных потребителей электроэнергии. Эта сеть питается от собственной 12-ти вольтовой батареи.

Таким образом включаемые при длительных стоянках, например, при кемпинге, потребители электроэнергии не могут повлиять на запас энергии для пуска двигателя.

При работе двигателя обе батареи подключаются параллельно и заряжаются от генератора. При остановке двигателя дополнительная батарея отключается от основной посредством разделительного реле.

Бортовая сеть с наличием напряжения 48 В. Необходимость в бортовой подсети 48 В объясняется повышенным потреблением электроэнергии некоторых исполнительных механизмов. При этом в бортовой сети автомобиля присутствуют цепи как 48 В, так и 12 В (рис. 10.8).

Основным является аккумулятор напряжением 48 В (рис. 10.9).

Зарядка АКБ 48 В осуществляется только через от преобразователя напряжения, который получает питание или от генератора, или от стороннего зарядного устройства напряжением 12 В. Подключение зарядного устройства непосредственно к АКБ 48 В не предусмотрено.

Преобразователь напряжения 48 В/12 В представляет собой преобразователь напряжения двустороннего действия. Это означает, что, с одной стороны, напряжение 12 В, создаваемое генератором, преобразуется в напряжение 48 В для зарядки АКБ 48 В. В случае необходимости напряжение 48 В может преобразоваться в напряжение 12 В для поддержки бортовой сети.

Клеммы с датчиком определением состояния аккумуляторных батарей. Клеммы современных аккумуляторных батарей имеют встроенные микропроцессоры, способные измерять ток заряда-разряда, напряжение, температуру и остаточную емкость батареи (рис. 10.10). Эти данные передаются в центральный блок управления для решения об отключении части незначимых потребителей, например, подогрева сидений, в случае недостаточного зарядного тока генератора.

Для определения остаточной емкости используют микропроцессор с силовой цепью на основе MOSFET-транзистора, который раз в минуту «опрашивает» батарею импульсом тока силой в 100 А и длительностью 1 мс. За­фиксированное во время этого импульса падение напряжения дает информацию о внутреннем сопротивлении. Для уточнения результатов состояния остаточной емкости, измеряется еще и окру­жающая температура.

Чтобы предупредить владельца автомобиля на проводах АКБ ставится монитор, на котором отображается индикаци­я разряда. Критическая степень разряда сопровождается звуковым сигналом — для этого предусмо­трен встроенный зуммер.

Одной из таких разработок является система «Стоп энд гоу», когда в целях экономии топлива двигатель выключается на каждом светофоре. Сенсор IBS (Intelligent Battery Sensor), интегрированный в минусовую клемму, постоянно изменяет ток, напряжение и температуру, вычисляя реальное состояние батареи. Если батарея разряжена, то контроллер не дает команду глушить двигатель, чтобы не допускать не допустимой разрядки при последующем автоматическом пуске. Датчик работает в тандеме с преобразователем постоянного напряжения, устраняющим провалы в момент работы стартера, которые могут привести к сбоям в работе различной бортовой электроники, например, навигатора.

Датчик состояния может отключать привод генератор в том случае, когда АКБ достаточно заряжена, что уменьшает расход топлива.

Панели солнечных батарей. В условиях длительного использования потребителей электропитания автомобиля при не работающем двигателе (телевизор, магнитола, холодильник и др.) и отсутствия штатных зарядных устройств возможно применение для заряда АКБ панелей солнечных батарей (рис. 10.11).

Эта панель устанавливается за задним стеклом и соединяется с аккумуляторной батареей через гнездо прикуривателя. Электроэнергия, получаемая в панели в результате преобразования солнечной энергии, используется для подзаряда. Одновременно могут использоваться три панели.

Работа аккумуляторной батареи зависит от температуры окружающего воздуха. При повышении температуры увеличивается отдаваемая мощность, но вместе с ней увеличивается саморазряд и коррозия электродов. Понижение температуры сопровождается снижением разрядной емкости, замедлением химических процессов и уменьшением плотности электролита.

При отсутствии нагрузки процессы в аккумуляторной батарее продолжаются — происходит ее саморазряд. Величина саморазряда зависит от температуры окружающего воздуха и конструкции батареи (электродов).

Срок службы аккумуляторной батареи составляет в среднем 4-5 лет и во многом зависит от режима эксплуатации. Производители постоянно работают над повышением эффективности аккумуляторной батареи, увеличением срока ее службы. Среди перспективных направлений:

• внедрение системы управления энергетическим балансом (регулирует подключение потребителей);
• использование двух аккумуляторных батарей (одна для запуска, другая для дуги целей);
• совершенствование конструкции аккумуляторных батарей (AGM, EFB технологии).

Параметры автомобильного аккумулятора. Основными параметрами автомобильной аккумуляторной батареи являются: номинальная емкость, номинальное напряжение и ток холодной прокрутки. Данные параметры отражаются в маркировке аккумуляторной батареи, которая наносится на корпусе.

Номинальная емкость определяется отдаваемой энергией полностью заряженной батареи при двадцатичасовом разряде. Измеряется в ампер-часах (А∙ч). К примеру, батарея емкостью 50 А∙ч в течение двадцати часов может отдавать ток 2,5 А.

Большее практическое значение имеет т.н. резервная емкость. Данный неофициальный параметр измеряется в минутах. Резервная емкость аккумуляторной батареи легкового автомобиля при нагрузке 25 А и падении напряжения до 10,5 В должна составлять не менее 90 минут. В течение данного промежутка времени аккумулятор может работать за себя и за генератор.

Номинальное напряжение аккумуляторной батареи складывается из напряжения отдельных аккумуляторов. Номинальное напряжение аккумуляторной батареи легкового автомобиля составляет 12 В.

Ток холодной прокрутки определяет возможность аккумуляторной батареи при запуске в холодное время. Представляет собой величину тока, который батарея способна отдать при температуре -18°С в течение 10 с напряжением не менее 7,5 В. Чем выше ток холодной прокрутки, тем легче двигатель будет запускаться зимой.

Обозначение АКБ. Аккумуляторные батареи имеют идентификационные обозначения, позволяющие определить информацию о батареи. Обозначения производителей производятся стандартам (рис. 10.12)

а: 1 – количество аккумуляторов (банок) в батарее; 2 – назначение: СТ — стартерная батарея; 3 –емкость батареи, А-ч (55); 4 – информация об исполнении батареи: А — с общей крышкой; З — залитая и заряженная; П — сепаратор-конверт из полиэтилена; М — сепаратор из поливинилхлорида; Э — корпус — моноблок из эбонита; Т — моноблок из термопластичной пластмассы

б: 1 – диапазон значений емкости 12-вольтовой батареи: (5 — от 1 до 99 А-ч; 6 — от 100 до 199 А-ч; 7 — от 200 до 299 А-ч); 2 – емкость батареи, А-ч (55); 3 – информация об исполнении батареи; 4. Ток холодной прокрутки (в данном случае 420 А)

в:1 – А — автомобильная батарея; 2 – номер типоразмерной группы и полярность: 34 — 260x173x205 мм, прямая полярность; 34R — 260x173x205 мм, обратная полярность; 3 – ток холодной прокрутки (в данном случае 770 А).