Автомобільний акумулятор є важливим елементом електрообладнання - поряд з генератором виступає джерелом струму. В автомобілі акумуляторна батарея виконує кілька функцій:
- харчування стартера при запуску двигуна;
- живлення споживачів при вимкненому двигуні;
- живлення споживачів на додаток до генератора при включеному двигуні.
При спільній роботі з генератором акумуляторна батарея забезпечує перехідні процеси, що вимагають великого струму, а також згладжує пульсацію струму в електричній мережі.
Пристрій акумуляторної батареї
На легкових автомобілях в якості стартерних застосовуються свинцево-кислотні акумуляторні батареї. Конструкція акумуляторних батарей постійно вдосконалюється.
Кожна батарея складається з шести послідовно з'єднаних акумуляторів, об'єднаних в одному корпусі. Корпус виготовляється з пропілену, стійкого до кислоті і не проводить струм. Окремий акумулятор об'єднує чергуються позитивні і негативні електроди, покриті шаром активної маси. Ізоляцію пластин протилежної полярності забезпечує пластмасовий сепаратор.
Електроди виготовляються з свинцевого сплаву. В сучасних акумуляторах позитивні і негативні електроди виготовляються з свинцево-кальцієвого сплаву. Такі батареї мають низький рівень саморозряду (втрата 50% ємності за 18 місяців) і мінімальний витрата води (1 г / Ач). Це дає можливість повністю виключити додавання води за період експлуатації - не обслуговуюча акумуляторна батарея.
Рідше можна зустріти більш дешеву конструкцію, т.зв. гібридну акумуляторну батарею. У ній позитивні електроди свинцево-сурмяние, а негативні - свинцево-кальцієві. У таких батареях витрата води в півтора-два рази більше кальцієвої батареї, але вони також не вимагають обслуговування.
Для підвищення стійкості електродів до корозії в свинцево-кальцієвий сплав може додаватися срібло, олово.
Електроди мають гратчасту структуру. Технології виготовлення позитивних і негативних електродів відрізняються. Решітка негативних електродів за технологією Expanded metal виходить шляхом просічки свинцевого листа з наступною розтяжкою.
При виробництві позитивних електродів використовується декілька технологій. Найдосконаліша технологія Power Frame. Кожен електрод Power Frame має опорну раму і внутрішні жилки певної спрямованості, чим досягається висока жорсткість і мінімальне лінійне розширення. Простіші електроди, виготовлені за технологією Power Pass (вертикальні жилки стягуються до вушка електрода), Chess Plate (жилки електродів розташовані в шаховому порядку).
Кожен електрод покриває шар активної маси. У позитивних електродів активна маса складається з діоксиду свинцю. У негативних пластинах активна маса представлена губчастим свинцем.
Електроди поміщені в електроліт, в якості якого використовується розчин сірчаної кислоти. Електроліт має певну щільність, яка змінюється в залежності від ступеня зарядженості акумуляторної батареї (чим вище зарядженість, тим вище щільність).
Залежно від фізичного стану електроліту розрізняють два види акумуляторних батарей: з рідким електролітом і з просоченої спеціальним матеріал (нерідких) електролітом. Сьогодні найбільш поширені акумуляторні батареї з рідким електролітом.
Нові системи автомобіля, такі як система стоп-старт , система рекуперативного гальмування , Пред'являють підвищені вимоги до акумуляторної батареї - високий пусковий струм, стійкість до глибокого розряду, довговічність. Цим вимогам відповідають акумуляторні батареї AGM (Absorbed Glass Material), в яких електроліт утримується в мікропористої матеріалі. В батарею заливається таку кількість електроліту, що може увібрати матеріал. Дана технологія забезпечує підвищення ефективності активної маси за рахунок кращого поглинання кислоти.
Проміжне становище між акумуляторами з рідким електролітом і AGM батареями займають акумуляторні батареї EFB (Enhanced Flooded Battery) - технологія вологого електрода. В батареї EFB електроди покриті плівкою з мікроволокна, яка утримує енергію і забезпечує стабільність до циклічного розряду. Батарея, при цьому, заповнена рідким електролітом.
У перспективі акумулятори типу AGM і EFB повністю замінять свинцево-кальцієві батареї з рідким електролітом. Стримуючим фактором поки виступає висока ціна нових джерел струму.
Зарядка акумуляторної батареї супроводжується газоутворенням. Відведення газів від акумуляторної батареї здійснюється за допомогою системи вентиляції. Центральна система вентиляції з'єднує кожен окремий акумулятор в складі батареї з атмосферою. За рахунок запобіжних клапанів система герметична. Клапан встановлюється в пробці акумулятора і спрацьовує при певному надлишковому тиску. Система носить назву Valve Regulated Lead Acid Battery або VRLA батарея. Кисень і водень, що утворюються при заряді, не покидають акумулятор, а взаємодіють між собою з утворенням води. Їх вихід відбувається тільки при високій напрузі заряду.
Система вентиляції лабіринтовою конструкції більш досконала. Вона забезпечує конденсацію виходять парів і повернення рідини назад в акумулятор. Окремі акумуляторні батареї обладнуються полум'ягасником, який в разі загоряння виходять парів відсікають полум'я від батареї і не пускають його всередину. Пламегаситель встановлюється на виході вентиляційної системи і являє собою мембрану з особливого матеріалу.
Підключення акумуляторної батареї до електричної мережі проводиться за допомогою двох свинцевих висновків. Позитивний висновок завжди товщі негативного, що виключає помилку при підключенні батареї. Полярність (розташування) висновків може бути прямою або зворотною. При прямій полярності позитивний висновок батареї розташований зліва, при зворотній полярності справа. Необхідно пам'ятати, що довжина проводів, якими підключається акумулятор, розрахована на певну полярність.
Автомобільні акумулятори обладнуються індикатором зарядженості батареї, т.зв. «Вічком». Щільність електроліту оцінюється за кольором «вічка» ( «зелений» - батарея заряджена, «чорний» - недостатній заряд, «жовтий» - низький рівень електроліту).
На автомобілі акумуляторні батареї жорстко закріплюються за допомогою спеціального кріплення, що попереджає їх пошкодження і розлив електроліту. Кріплення може бути верхнє (рамка) або нижню (скоба, що закріплюється за виступи підстави). Для батарей, розташованих в центральній частині або багажнику автомобіля передбачається аварійний розмикач акумуляторної батареї .
Робота акумуляторної батареї
Принцип дії акумуляторної батареї заснований на перетворенні електричної енергії в хімічну енергію при заряді і навпаки хімічної енергії в електричну при розряді. Робота акумуляторної батареї носить циклічний характер: розряд-заряд.
Розряд відбувається при підключенні споживачів. При розряді активна маса позитивних (діоксид свинцю) і негативних (губчастий свинець) електродів взаємодіє з електролітом. При цьому утворюється сульфат свинцю і вода, щільність електроліту зменшується.
При працюючому двигуні акумуляторна батарея заряджається від генератора. Акумуляторну батарею також можна зарядити за допомогою спеціального зарядного пристрою. При зарядці сульфат свинцю і вода перетворюються в свинець, двоокис свинцю і сірчану кислоту. Щільність електроліту підвищується.
Заряд батареї повинен проводитися при оптимальній напрузі. Висока напруга призводить до сильного розкладання води і зниження рівня електроліту. Низька напруга загрожує неповної зарядкою батареї і, відповідно, зменшенням терміну її служби.
Робота акумуляторної батареї залежить від температури навколишнього повітря. При підвищенні температури збільшується віддається потужність, але разом з нею збільшується саморазряд і корозія електродів. Зниження температури супроводжується зниженням розрядної ємності, уповільненням хімічних процесів і зменшенням щільності електроліту.
При відсутності навантаження процеси в акумуляторної батареї тривають - відбувається її саморозряд. Величина саморазряда залежить від температури навколишнього повітря і конструкції батареї (електродів).
Термін служби акумуляторної батареї становить в середньому 4-5 років і багато в чому залежить від режиму експлуатації. Виробники постійно працюють над підвищенням ефективності акумуляторної батареї, збільшенням терміну її служби. Серед перспективних напрямків:
- впровадження системи управління енергетичним балансом (регулює підключення споживачів);
- використання двох акумуляторних батарей (одна для запуску, інша для всього іншого);
- вдосконалення конструкції акумуляторних батарей (AGM, EFB технології).
Параметри автомобільного акумулятора
Основними параметрами автомобільної акумуляторної батареї є: номінальна ємність, номінальну напругу і струм холодної прокрутки. Дані параметри відображаються в маркуванні акумуляторної батареї, яка наноситься на корпусі.
Номінальна ємність визначається віддається енергією повністю зарядженій батареї при двадцятигодинної розряді. Вимірюється в ампер-годинах (Аг). Наприклад, батарея ємністю 50 Ач протягом двадцяти годин може віддавати струм 2,5 А.
Більшого практичного значення має т.зв. резервна ємність. Даний неофіційний параметр вимірюється в хвилинах. Резервна ємність акумуляторної батареї легкового автомобіля при навантаженні 25 А і падінні напруги до 10,5 В повинна становити не менше 90 хвилин. Протягом даного проміжку часу акумулятор може працювати за себе і за генератор.
Номінальна напруга акумуляторної батареї складається з напруги окремих акумуляторів. Номінальна напруга акумуляторної батареї легкового автомобіля становить 12 В.
Струм холодної прокрутки визначає можливість акумуляторної батареї при запуску в холодну пору. Являє собою величину струму, який батарея здатна віддати при температурі 18оС протягом 10 з напругою не менше 7,5 В. Чим вище струм холодної прокрутки, тим легше двигун буде запускатися взимку.