Устройство, принцип работы автомобильного аккумулятора

Способы соединения аккумуляторов (как работает аккумулятор)

Параллельное соединение (как работает аккумулятор)

Величина разряда тока, зависит от многих факторов, хотя 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. Чтобы зарядить такую конструкцию потребуется поднять мощность источника. Этот способ используется редко для готовых конструкций, в настоящее время куда проще сразу приобрести необходимый аккумулятор. Но им пользуются производители кислотных АКБ, соединяя различные пластины в единые блоки.

Последовательное соединение (как работает аккумулятор)

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 гораздо шире. И многим электрическим приборов его явно недостаточно. Поэтому однотипные аккумуляторы подключают последовательно, делают это зачастую в едином корпусе.

Примером подобной конструкции служит широко распространенная автомобильная разработка на основе серной кислоты и свинцовых пластин-электродов.

Часто среди водителей транспорта, под понятием «аккумулятор» принято понимать любое устройство, независящее от количества его составных элементов — банок. Это не является правильным. Собранная из нескольких последовательно подключенных банок конструкция считается уже батареей, за которой закрепилось сокращенное название «АКБ». Ее внутреннее устройство показано на рисунке.

Устройство кислотной аккумуляторной батареи (АКБ)

Любая банка 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.

Благодаря соединению пластин в блоки увеличивается их рабочая площадь. Это снижает общее удельное сопротивление всей конструкции, позволяет повышать мощность подключаемой нагрузки.

Масса в автомобиле плюс или минус

Всем привет. Как обычно сначала начнем издалека. Эта запись не претендует на руководство к действию, на какой то мануал или еще что то подобное. Возможно где то что то есть уже подобное и не одно, однако мне не встречалось, и данная запись основана на наблюдениях, пробах и ошибках из личного и чужого опыта.

Речь о массе

. Ну вот как раз о тех случаях когда говорят — «проверь массу» или, «дак у тебя масса не там подключена», «почисти клемму массы» и тд. Все эти разговоры имеют под собой вполне полноценное основание. В записи будет описана не вся суть вопроса, но ее большая часть — об активных потерях и помехах на соединениях. (не будет о выбросах с индуктивных нагрузок, о «плюсовой» стороне вопроса и тд. Что тоже существенно, но в общем виде описанном ниже вполне согласуется).

Виной всему закон Ома, ну то есть не виной, а основной причиной описывающей все это дело будет закон Ома. Кто не помнит или не знает, — он гласит (опять же в одной из формулировок), что падение напряжения на участке цепи сопротивление которого R, и при токе I протекающем через это сопротивление , равно произведению тока I на сопротивление R. То есть U=IxR. Например, на сопротивлении 1 Ом при токе 12 Ампер, протекающем через это сопротивление, падение напряжения (его даже можно будет замерить вольтметром, если подключить один щуп вольтметра к одному контакту резистора и второй щуп к другому контакту резистора), падения напряжения будет 1×12= 12 Вольт. Все просто. R это может быть какой-то участок где протекает ток, какая-то нагрузка, например лампочка подключенная одним контактом к «+», а вторым к «-» это тоже R. И если в разрыв поставить амперметр, то измерив ток, и зная что АКБ к которому подключена лампочка это 12 вольт. То можно найти сопротивление лампочки)

Далее, следующая часть. Кто сталкивался с автоэлектрикой, знает и видел что у каждого потребителя в бортовой сети автомобиля своя масса, у ламп в фарах, у вентилятора, у стартера и тд. Что то подключено напрямую к аккумулятору, что то на кузов и тд и тд. Каждое из этих соединений (так как мы в реальном мире) имеет свое соединение, каждый провод имеет свое сопротивление (по этой же причине провода на стартер очень толстые, так как у них низкое сопротивление, чтобы при протекании огромных стартерных токов не тратить драгоценные вольты и энергию на нагрев и потери в проводах), сам кузов тоже имеет сопротивление, и все эти сопротивления, по пути следования всех токов сходятся в точке источника электричества в автомобиле — генераторе и(или) аккумуляторе.

Сложнее дело обстоит с слаботочными цепями, с цепями датчиков, сенсоров, поплавков, реостатов и тд. Например, датчик положения дроссельной заслонки. В общем случае имеет три вывода + питания, минус питания (или масса) и сигнальный выход, на котором меняются показания в зависимости от положения дросселя. Чаще всего все три эти провода идут в блок управления двигателем. Электроника внутри ЭБУ двигателя отслеживает сигнал между минусом и плюсом, которые сам ему и выдает, так сказать ворота, между которыми может быть сигнал. Примерно та же картина на датчиках температуры, воздушного потока (ДМРВ), вращения коленвала, и чаще всего массы этих датчиков отделены в отдельную группу. Наверняка все видели кучу масс на большинстве блоков управления двигателем. У некоторых производителей этих масс даже по 6-8 штук! Зачем? Тем более что тестером все это прозванивается как КЗ?

Вот тут и выходит на сцену важная часть. Некая эквивалентная схема электрики в бортовой сети. В этой схеме есть — лампа передней фары (Front light), Мотор вентилятора (FAN), Стартер (Starter), Генератор (Alternator), датчик температуры (THW), датчик положения дросселя (TPS), Блок Управления двигателем (ECU), форсунки (inj).

И сопротивления. Наверное можно их назвать паразитные, хотя наверное корректнее — реальные сопротивления, сопротивления реальности), короче это — сопротивления проводов (Wire) это может показаться ерундой, но кто ездит с сабвуфером на 1 кВт знает толк в толщине, ну или кто возит прикуривательные зимние провода тоже. Затем сопротивления соединений — скруток, клеммников, сережек, мамок, точек крепления к массе — все тут. И сопротивление кузова (Chasis) — ток бежит через кузов к источнику, от плюса к минусу, через нагрузку, бежит далеко если он в багажнике а источник под капотом или близко если капот рядом. Также есть сопротивления возле генератора, а возле ЭБУ двигателя их три в данном случае (а бывает и больше), под каждый сегмент потребителей — датчики, силовая часть ЭБу, форсунки и тд. Красными стрелками указаны падения напряжений на реальных сопротивлениях.

Какой тип аккумулятора выбрать — AGM, гелевый или с жидким электролитом?

Применение автомобильных стартерных батарей в системах электроснабжения может быть оправдано только в низко-бюджетных системах, которые будут под пристальным контролем обслуживающего персонала (необходимо следить за уровнем и плотностью электролита, регулярно проводить выравнивающий заряд АБ, и т.п.). Необходимо также помнить, что для эксплуатации такого типа батарей необходимо отдельное, хорошо вентилируемое помещение.

В связи с этим, в системах на базе возобновляемых источников энергии, а также в системах бесперебойного питания, целесообразно использовать, хотя и более дорогие, герметичные, необслуживаемые АБ. Солнечная батарея, термоэлектрический генератор и небольшой мощности ветроэлектрическая установка вырабатывают сравнительно небольшой ток, поэтому заряд АБ длится много часов и в этом случае подходят даже самые дешевые из необслуживаемых АБ.

Такие АБ имеют большую, по сравнению со стартерными батареями, толщину пластин электродов, поэтому срок их службы в режиме длительного разряда намного превышает срок работы стартерных батарей.

Сравнение AGM, OPzV и OPzS аккумуляторов*

Критерии выбора аккумулятора для автомобиля

Автомобильный аккумулятор предназначен не только для запуска двигателя. Он служит также источником питания бортовой электроники и помогает генератору справиться с пиковыми режимами нагрузки. Поэтому выбор АКБ необходимо начинать с проверки соответствия основных характеристик рекомендованным производителем автомобиля.

1. Номинальная ёмкость аккумулятора не должна значительно отличаться от рекомендованной: низкое значение не обеспечит требуемый ток в критической ситуации (отказ генератора, мороз) и потребует более частой зарядки. А за большую ёмкость надо будет переплачивать.

И всё же номинальная ёмкость для конечного потребителя носит скорее справочный характер. На практике куда важнее понимать, сколько времени есть у водителя при отказавшем генераторе (резервная ёмкость) и каковы пусковые качества АКБ на морозе (ток холодной прокрутки).

1. Выбор «обслуживаемый» или «необслуживаемый» перед потребителем практически не стоит – АКБ для современных автомобилей выпускаются «необслуживаемыми». Не принципиальное исключение составляют АКБ с малым содержанием сурьмы для автомобилей с нестабильной бортовой сетью.
2. А вот выбор по критерию состояния электролита (WET – свинцово-кислотный, или AGM) достаточно актуален. Требования к качеству и стабильности бортовой сети, особенно для автомобилей иностранных производителей среднего и, тем более, премиум-класса определяют и вид аккумулятора: обеспечение повышенного потребления энергии и способность выдерживать глубокий разряд требуют использования более современных AGM аккумуляторов.
3. Не последнюю роль при выборе играет репутация производителя, хотя подделки на рынке этого товара встречаются редко.
4. Наконец, один из главных критериев – стоимость, зависит как от вида аккумулятора (современные AGM дороже предшественников), так и от производителя.

Что это такое?

Но что представляет собой это устройство? По сути, это источник электрической энергии, но только уже второстепенный, поскольку главная задача, как уже было упомянуто — это запустить двигатель.

Да, батарея поддерживает то электрооборудование, что имеется в любой машине, но лишь на вторых ролях. В действительности же питанием их обеспечивает генератор, пока машина едет. Но когда транспорт обездвижен, а двигатель не работает, тогда нагрузка от бортовой сети ложится уже на аккумулятор. Собственно поэтому не рекомендуется слушать долго музыку, когда машина просто стоит на месте.

В середине XX столетия ДВС прекрасно обходились без АКБ. В основном это относилось к моторам мотоциклов. Для их запуска использовалась мускульная сила. Потом уже энергией обеспечивал генератор. Каждый ли из нас помнит, как заводился мотоцикл семейства Иж?!

Спустя какое-то время производители начали оснащать транспортные средства большим количеством электроприборов. Причем с каждым разом их количество только увеличивается. Поэтому подпитка от АКБ очень кстати. Возможно, через несколько лет большая часть транспортных средств перейдет на бортовую сеть номиналом 24 вольта, вместо привычных 12. Хотя некоторые автомобили марки Мерседес уже сделали это.

Как устроена АКБ?

Выше мы коротко рассмотрели, что такое и для чего нужна АКБ — это устройство для запасания и отдачи электричества, пока мотор не работает. Далее познакомимся с устройством аккумуляторных батарей.

Конструктивно батарея представляет собой несколько блоков электродов, имеющих разный электрический потенциал. Электроды помещены в герметичную емкость с жидким электролитом. В зависимости от необходимой силы тока и напряжения, этих блоков может быть несколько. В стандартном автомобильном аккумуляторе для легковых машин этих блоков 6 – по 2 Вольта в каждом. В грузовых аккумуляторах 12 блоков-ячеек.

Электроды АКБ

Электрод изготовлен в виде пластины-решетки. Каждая решетка смазывается специальной смесью – активной массой. Это пористая смесь, а поры в ней нужны для того, чтобы максимально большее количество активного вещества могло участвовать в химической реакции

Это важно, если нужен большой ток от батареи

Решетка также состоит из рамки, вертикальных ребер, горизонтальных жилок, токоотводящих ушей для соединения с мостом. Имеются и специальные ножки, с помощью которых электрод устанавливается на дно корпуса-блока. Решетка изготавливается в промышленных масштабах из покрытой свинцом металлической сетки.

Деталь служит не только каркасом для повышения прочности электродов. Она призвана также удержать активную массу и соединять электроды внутри аккумулятора между собой. Толщина решеток выбирается производителем аккумулятора по режиму работы и характеристикам батареи. Тонкая решетка всегда отрицательная. Более толстая – положительная. В процессе эксплуатации, активная масса решеток уменьшается в результате химических процессов.

Мы уже знаем, что такое АКБ. Это источник энергии для авто. Существуют обслуживаемые и необслуживаемые батареи. В необслуживаемых аккумуляторах решетка может быть изготовлена из сурьмянистых или кальциево-оловянистых сплавов. Использование именно таких материалов снижает газообразование в процессе эксплуатации.

Устройство электродов

В качестве примера можно использовать свинцово-кислотную батарею. Каждая ячейка такого аккумулятора содержит пару электродов и разделительные пластины, которые изготовляются из пористого материала, не вступающего в химическое взаимодействие с кислотой. Такие пластины призваны препятствовать короткому замыканию погруженных в электролит электродов, и называются сепараторами.

Рекомендуем: Способы измерения емкости аккумулятора: какой объем у АКБ

Электроды в таких аккумуляторах выполняются в виде плоских свинцовых решёток. В ячейки таких решёток запрессовывается порошкообразная двуокись свинца (в пластинах-анодах) и металлический свинец в порошковой форме (в пластинах-катодах). Применение порошков обусловлено стремлением увеличить площадь поверхности раздела на границе электролит — электрод, что значительно повышает ёмкость такого источника тока.

Имеются экспериментальные образцы аккумуляторов, в которых свинцовые решётки замешены электродами, состоящими из сплетённых нитей углеволокна, которые покрываются тончайшим свинцовым напылением. Такая технология позволяет использовать значительно меньше свинца за счёт распределения его по большой площади, что делает аккумуляторную батарею не только миниатюрнее и легче, но и повышает её эффективность. КПД выше, чем у традиционных, а время зарядки сильно снижено.

Аккумулятор

Для понимания принципа работы аккумулятора необходим небольшой исторический экскурс появления химических элементов питания. Первый прообраз батарейки датирован 1800 годом. Его создал Аллесандро Вольта. Погрузив две пластины разных металлов в кислоту (цинк и медь), он получил постоянный ток на них. Проводя опыт наблюдалось постепенно растворение цинковой пластины, а медная покрывалась пузырьками газа. Название подобного элемента питания — «Вольтов столб».

Устройства хранения энергии работают похожем методом, только химические реакции частично обратимы, пущенный обратно движению тока разряда электрический ток восстанавливает химический состав металлов пластин.

Основа любого сохраняющего заряд устройства — две пластины химически разных металлов соединённых прослойкой электролита. Такая прослойка бывает жидкой (к примеру, свинцовые варианты), бывает пористой массой пропитанной электропроводящим составом. Материал изготовления пластин электродов батареи определяет характеристики аккумулятора. Для свинцовых накопителей, использующихся для автотранспорта одна пластина из свинца, вторая состоит из его диоксида. Такие устройства помечаются, символами Pb на корпусе. Для самых распространённых среди бытовой техники ионно-литиевых источниках питания (Li-Ion) используется один алюминиевый электрод, а второй медный.

Несколько таких сборок пластин, электрически соединённых между собой называются батареей. Сборка необходима для получения необходимого вольтажа. Характеристики аккумуляторных батарей непосредственно зависят от того какие характеристики аккумулятора присутствуют на каждой паре металлических пластин.

Все распространенные виды накопителей энергии:

Таблица не является абсолютно полной, так как постоянно разрабатываются новые виды батарей.

Выбор батарей: итоговые замечания

Литиевые батареи

• могут обеспечивать до 5000 зарядных циклов
• Наиболее длительный срок службы при разряде на 80%
• Могут заряжаться за 1-2 часа
• Могут работать при минусовых температурах, но заряжать нужно при плюсовых температурах
• Не могут заряжаться малыми токами
• Требуют обслуживания,  выравнивания и специальной системы управления зарядом и разрядом
• Саморазряд на уровне примерно 10% в месяц
• Можно хранить в холодном месте при заряженности не менее 40% от полной
• Низкая токсичность, но желательно утилизировать после окончания срока службы

Никель-металгидридные батареи

• Могут обеспечить до 3000 зарядных циклов
• Заряд происходит за 2-4 часа
• Могут работать при минусовых температурах
• Не могут заряжаться малыми токами, низкая устойчивость к перезаряду
• Могут обеспечивать большие токи при мощности до 200Вт (для самых больших NiMh батарей)
• Требуют периодического обслуживания и выравнивания (каждые 3 месяца)
• Саморазряд на уровне примерно 30% в месяц
• Можно хранить в холодном месте при заряженности не менее 40% от полной
• Низкая токсичность, но желательно утилизировать после окончания срока службы

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы

• Могут обеспечить до 3000 зарядных циклов
• Заряжаются за 8-16 часов
• Могут работать при минусовых температурах
• Могут заряжаться малыми токами
• Не требуют обслуживания, но желательно следить за уровнем заряженности и периодически проводить тренировочные циклы
• Могут обеспечить высокие разрядные токи при больших мощностях
• Желательно не разряжать более, чем на 50%
• Саморазряд — около 3% в месяц
• Хранить при комнатной температуре и полностью заряженными
• Содержат токсичные материалы и должны быть утилизированы после окончания срока службы

Подробно о видах и применении свинцово-кислотных аккумуляторов в статье Типы свинцово-кислотных аккумуляторов

Эта статья прочитана 19196 раз(а)!