Добавить сайт в закладки

Механизм работы аккумулятора

Аккумуляторы - это химические источники тока с обрати­мым процессом: они могут отдавать энергию, преобразуя хими­ческую энергию в электрическую, или накапливать энергию, преобразуя электрическую энергию в химическую. Та­ким образом, аккумулятор попеременно то разряжается, отдавая электрическую энергию, то заряжается от какого-либо соответствующего источника постоянного тока.

Аккумуляторы, в зависимости от применяемого в них электро­лита, подразделяются на кислотные и щелочные. Кроме того, аккумуляторы различаются, в зависимости от материала электродов. Широкое применение имеют лишь свинцовые, кадмиево-никелевые, железо-никелевые и серебряно-цинковые акку­муляторы.

Емкость аккумулятора определяется количеством электри­чества q p , которое он может отдать при разряде в питаемую цепь.

Это количество электричества измеряется не в кулонах, а в более крупных единицах - ампер-часах (а-ч). 1 а-ч = 3600 кл. Но для заряда аккумулятора требуется большее количество электричества q 3 , чем отдаваемое при разряде. Отношение q p: q 3 =n e называется отдачей аккумулятора по емкости.

Напряжение, необходимое для заряда аккумулятора, значи­тельно выше того напряжения на зажимах аккумулятора, при котором он отдает длительно разрядный ток.

Важной характеристикой аккумулятора являются его средние зарядное и разрядное напряжения.

Ясно, что из-за ряда потерь энергии аккумулятор отдает при разряде значительно меньшее количество энергии W p , чем полу­чает при заряде. Отношение W p: W 3 = n есть коэффициент полезного действия или отдача по энергии аккумулятора.

Наконец, весьма важной для характеристики аккумулятора величиной является его удельная э н е р г и я, т. е. количество энергии, отдаваемой при разряде, приходящееся на 1 кг веса аккумулятора. Особенно существенно, чтобы удельная энергия была возможно больше у нестационарных аккумуляторов, уста­навливаемых, например, на самолетах. В подобных случаях обычно она важнее, чем коэффициент полезного действия и от­дача по емкости.

Следует иметь в виду, что при медленном разряде процесс в аккумуляторе протекает равномерно во всей массе пластин, бла­годаря чему при длительном разряде малым током емкость акку­мулятора больше, чем при кратковременном разряде большим током. При быстром разряде процесс в массе пластин отстает от процесса на их поверхности, что вызывает внутренние токи и уменьшение отдачи.

Напряжение аккумулятора существенно изменяется во время разряда. Желательно, чтобы оно было возможно более постоян­ным. В расчетах обычно указывается среднее разрядное напря­жение U p . Но для заряда аккумулятора нужен источник тока, дающий значительно большее зарядное напряжение U з (на 25- 40%). В противном случае невозможно зарядить аккумулятор полностью.

Если напряжение одного аккумуляторного элемента недоста­точно для данной установки, то необходимое число аккумулятор­ных элементов соединяется последовательно. Конечно, последо­вательно соединять можно только аккумуляторы, рассчитанные на одну и ту же разрядную силу тока.

Если разрядный ток одного элемента недостаточен, то приме­няется параллельное соединение нескольких одинаковых элемен­тов.

Из числа кислотных аккумуляторов практическое значение имеют лишь свинцовые аккумуляторы. В них на положительном электроде активным веществом служит двуокись свинца РЬ0 2 , на отрицательном электроде - губчатый свинец РЬ. Положительные пластины имеют бурый цвет, отрицатель­ные- серый, в качестве электролита применяется раствор сер­ной кислоты H 2 S0 4 с с удельным весом 1,18-1,29.

Химический процесс разряда и заряда свинцового аккумуля­тора относительно сложен. В основном он сводится к восстановлению свинца на положительном электроде и окислению губча­того свинца на отрицательном электроде в закисную соль серной кислоты. При этом образуется вода и, следовательно, плотность электролита уменьшается. При разря­де сначала напряжение аккумулятора быстро падает до 1,95 В, а затем медленно понижается до 1,8 В. После чего необходимо прекратить разряд.

При дальнейшем разряде имеет место необратимый процесс образования кристаллического сернокислого свинца PbS 4 . По­следний покрывает пластины белым налетом. Он обладает боль­шим удельным сопротивлением и почти не растворим в электро­лите. Слой сернокислого свинца увеличивает внутреннее сопро­тивление активной массы пластин. Такой процесс называется сульфатацией пластин.

При заряде аккумулятора процесс идет в обратном направ­лении: на отрицательном электроде восстанавливается металли­ческий свинец, а на положительном электроде свинец окисляется до двуокиси РЬ0 2 . Ион S0 4 переходит в электролит, поэтому плотность серной кислоты при заряде увеличивается, следова­тельно, возрастает и удельный вес электролита. Для измерения удельного веса электролита применяется специальный арео­метр. По его показаниям можно ориентировочно судить, в какой мере аккумулятор заряжен. Среднее разрядное напряжение свинцового аккумулятора 1,98 В, а среднее зарядное напряжение 2,4 В.

Внутреннее сопротивление r B н свинцовых аккумуляторов, бла­годаря малому расстоянию между пластинами и большой пло­щади их соприкосновения с электролитом, весьма мало: порядка тысячных долей ома у стационарных аккумуляторов и сотых до­лей у небольших переносных аккумуляторов.

Вследствие малого внутреннего сопротивления и относительно большого напряжения КПД этих аккумуляторов достигает 70- 80 %, а отдача - 0,85-0,95 %.

Однако из-за малого внутреннего сопротивления в свинцовых аккумуляторах при коротких замыканиях возникают токи очень большой силы, что приводит к короблению и распаду пластин.

Из числа щелочных аккумуляторов широкое при­менение в настоящее время имеют кадмиево-никелевые, железо- никелевые и серебряно-цинковые. Во всех этих аккумуляторах электролитом служит щелочь - примерно двухпроцентный ра­створ едкого калия КОН или едкого натра NaOH. При заряде и разряде этот электролит почти не претерпевает изменений. Сле­довательно, от его количества емкость аккумулятора не зависит. Это дает возможность свести к минимуму количество электроли­та во всех щелочных аккумуляторах и таким путем существенно их облегчить.

Остовы положительной и отрицательной пластин этих акку­муляторов делаются из стальных никелированных рамок с пакетами для активной массы. Благодаря такой конструкции активная масса прочно удерживается в пластинах и не выпадает при толчках.

В кадмиево-никелевом КН аккумуляторе ак­тивным веществом положительного электрода служат окислы никеля, смешанные для увеличения электропроводности с графи­том; активным веществом отрицательного электрода является губчатый металлический кадмий Cd. При разряде на положи­тельном электроде расходуется часть активного кислорода, со­держащегося в окислах никеля, а на отрицательном электроде окисляется металлический кадмий. При заряде обратно обога­щается кислородом положительный электрод: гидрат закиси никеля Ni(OH) 2 переходит в гидрат окиси никеля Ni(OH) 3. На отрицательном электроде гидрат закиси кадмия восстанавли­вается в чистый кадмий. Приближенно процесс в этом аккумуля­торе может быть выражен химической формулой:

2Ni (ОН) 3 + 2КОН + Cd ? ? 2Ni (ОН) 2 + 2КОН + Cd (ОН) 2 .

Как показывает формула, из электролита при разряде выде­ляется частица (ОН) 2 на отрицательной пластине и такая же частица переходит в электролит на положительной пластине. При заряде процесс идет в обратном направлении, но в обоих случаях электролит не изменяется.

Устройство железо-никелевого аккумулятора отличается лишь тем, что в нем в отрицательных пластинах кадмий заменен мелким порошком железа (Fe). Химический процесс этого аккумулятора можно просле­дить по вышеприведенному для кадмиево-никелевого аккумуля­тора уравнению путем замены Cd на Fe.

Применение железа вместо кадмия удешевляет аккумуля­тор, делает его более прочным механически и увеличивает срок его службы. Но с другой сторо­ны, у железо-никелевого акку­мулятора при том же примерно разрядном напряжении зарядное напряжение на 0,2 В выше, вследствие чего КПД этого аккумулятора ни­же, чем кадмиево-никелевого. Затем очень важным недостат­ком железо-никелевого аккуму­лятора является относительно быстрый саморазряд. У кадмиево-никелевого аккумулятора саморазряд мал, и поэтому ему отдается предпочтение в тех случаях, когда аккумулятор должен длительно находиться в заряженном со­стоянии, например для питания радиоустановок. Среднее разрядное напряже­ние обоих этих аккумуляторов равно 1,2 В.

Герметически закрытые сосуды вышеописанных щелочных аккумуляторов выполняются из листовой никелированной стали. Болты, через которые пласти­ны аккумуляторов соединяются с внешней целью, пропускаются через отвер­стия в крышке сосуда, причем болт, с которым соединены отрицательные пла­стины, тщательно изолирован от стального корпуса; но болт, соединенный с положительными пластинами, от корпуса не изолируется.

Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов значи­тельно больше, чем кислотных, благодаря этому они лучше пере­носят короткие замыкания. Но по той же причине КПД щелоч­ных аккумуляторов (порядка 45%) значительно ниже, чем кис­лотных, также существенно меньше их удельная энергия и отда­ча по емкости (0,65). Так как состояние электролита у щелочных аккумуляторов при работе не изменяется, то определить их степень заряженности по внешним признакам нельзя. Вследствие чего за зарядом приходится следить на основании их емкости и напряжения. При заряде нужно сообщить аккумулятору количество электричества It=q значительно большее, чем его емкость, примерно в 1,5 раза. Например, аккумулятор емкостью 100 а-ч желательно заряжать током силой в 10 а в течение 15 час.

Серебряно-цинковые аккумуляторы являются новей­шими из числа современных аккумуляторов. Электролитом в них служит вод­ный раствор едкого калия КОН с удельным весом 1,4, с активным веществом положительного электрода (окисью серебра Ag 2 0) и отрицательного электро­да (цинком Zn). Электроды изготавливаются в виде пористых пластин и отделяют­ся друг от друга пленочной перегородкой.

При разряде аккумулятора окись серебра восстанавливается до металли­ческого серебра, а металлический цинк окисляется до окиси цинка ZnO. Об­ратный процесс происходит при заряде аккумулятора. Основная химическая реакция выражается формулой

Ag s O + КОН + Zn ? ? 2Ag + КОН + ZnO.

http://сайт/www.youtube.com/watch?v=0jbnDTRtywE
Устойчивое разрядное напряжение составляет около 1,5 В. При небольших токах разряда это напряжение почти не изменяется в течение примерно 75- 80% времени работы аккумулятора. Затем оно довольно быстро падает, и при напряжении 1 в разряд следует прекращать.

Внутреннее сопротивление серебряно-цинковых аккумуляторов сущест­венно меньше, чем остальных щелочных аккумуляторов. При равной емкости первые значительно легче. Они удовлетворительно работают как при пониженной (-50° С), так и при повышенной (+ 75° С) температурах. Наконец, они допускают большие разрядные токи. Например, некоторые типы таких акку­муляторов можно разогреть током короткого замыкания в течение одной минуты.

Выше изложены только основные сведения по аккумуляторам. При практической работе с аккумуляторами, в особенности со свинцовыми, необходимо тщательно выполнять соответствующие заводские инструкции. Нарушение их вызывает быстрое разрушение аккумуляторов.

Как известно, работа современных портативных устройств основана на использовании автономного источника питания, роль которого выполняет аккумуляторная батарея (АКБ). Также такой источник энергии является обязательным узлом автомобильного транспорта, который помогает запустить при помощи стартера. Принцип работы аккумуляторной батареи достаточно прост. Если соблюдать правила использования, то аккумулятор будет работать без перегруза и не уменьшать свою емкость в процессе использования.

Назначение и особенности аккумуляторной батареи

АКБ – это устройство, которое может накапливать энергию и питать электрические устройства, не вырабатывающие ток самостоятельно.
Аккумуляторная батарея состоит из:

• пластмассового или эбонитового корпуса;
• заливной горловины и съемной пробки;
• сепаратора;
• пластин с разным потенциалом (отрицательной и положительной);
• межэлементного соединения;
• выводов со знаком «+» и «-».

В случае автомобильного аккумулятора бывают обслуживаемые и необслуживаемые источники автономного питания. Аккумуляторы с напряжением в 12 Вт состоят из 6 соединенных между собой банок, которые находятся в одном корпусе. Если в автомобиле установлен необслуживаемый аккумулятор , то единственным способам подзарядки АКБ является подзарядка при помощи генератора во время работы двигателя.

В случае обслуживаемого аккумулятора в него можно подливать электролит (смесь дистиллированной воды и серной кислоты) для повышения его плотности или подзаряжать его при помощи зарядного устройства. Данный процесс предусматривает образование двуокиси свинца путем химической реакции воды и сульфата свинца. При этом существенно увеличивается плотность электролита. Если двигатель работает, то заряд (накопление емкости) АКБ происходит с использованием генератора. Специалисты рекомендуют осуществлять заряд аккумуляторной батареи при незначительном напряжении. Если осуществлять заряд АБ при высоком напряжении, то в результате можно получить огромное разложение воды, что снизит уровень электролита. Неправильное использование аккумуляторной батареи приведет к уменьшению срока использования.
Аккумуляторная батарея эксплуатируется в среднем в течении 3-5 лет в зависимости от условий эксплуатации. Если придерживаться оптимального режима работы такого устройства, то можно увеличить в несколько раз время его использования. Регулярно нужно следить, чтобы все баночки с жидкостью были заполнены до нужного уровня. Это позволит работать аккумулятору в обычном режиме, не перегружаясь и не разряжаясь.

Принцип работы аккумуляторной батареи автомобиля

В основе АКБ лежит преобразование химической энергии в электрическую. Электроды взаимодействуют с электролитом, образуя в результате воду и сульфат свинца. Необходимо отметить, что в случае такого взаимодействия постепенно уменьшается плотность электролита и, соответственно, мощность аккумулятора.
Стоит отметить, что температура воздуха влияет на режим работы устройства: ее увеличение влияет на некоторое увеличение мощности батареи. Однако вместе с такими изменениями может увеличиться коррозия электродов и саморазряд. Если на улице минусовая температура воздуха, то можно прослеживать уменьшение разрядной емкости, уменьшение электролита и замедление химических процессов. Поэтому автомобилисты рекомендуют снимать АКБ во время длительной стоянки машины в условиях зимы.

и принцип работы аккумуляторной батареи

Виды АКБ . В наше время можно приобрести различные аккумуляторные батареи, которые отличаются между собой двумя признаками:

• принципом действия;
• конструкцией.

По химическому составу активного вещества АКБ бывают следующих видов:

• серебряно-цинковые;
• никель-кадмиевые;
• свинцово-кислотные;
• щелочные железо-никелевые аккумуляторы.

Все эти виды АКБ имеют разную степень использования. Так, например, популярными можно считать накопительные устройства, которые имеют свинцово-кислотные наполнители (автомобильные варианты аккумулятора). Устройства, использующие химическое взаимодействие железа и никеля, используются реже. Серебряно-цинковые аккумуляторы практически не используются. Это можно объяснить тем, что стоимость их довольно велика, а время использования незначительное. Различные аккумуляторы имеют разный принцип работы, время эксплуатации, емкость.
Важным параметром любой АКБ считается емкость. От такого показателя зависит потребление и отдача энергии. На аккумуляторах, которые предназначены для автомобилей, можно увидеть маркировку, которая указывает на емкость устройства. Она может быть представлена таким образом: 55, 60, 75 Ам*ч. Для телефонных батарей характерна такая емкость – 2000, 1500, 1000, 700 mAh (тысячные доли Ампера). Выбор аккумуляторной батареи необходимо осуществлять, исходя из потребляемого заряда или предполагаемой нагрузки устройства. При неправильном или длительном использовании АБК емкость может уменьшаться. Очень часто это прослеживается при длительном использовании аккумуляторной батареи в легковом автомобиле или же при неполной зарядке батареи, если речь идет про мобильный телефон.

Аккумуляторы такого типа могут иметь различное наполнение:

• никель + железо;
• никель + кадмий.

В основе таких устройств имеется прямоугольный корпус, сделанный из качественной стали. Внешняя часть батареи для заряда имеет небольшой слой никеля. Внутри устройства есть отрицательные и положительные пластины, причем положительных пластин на одну единицу больше. Все пластины сделаны из стальных ламелей и по внешнему виду одинаковые. На них нанесен небольшой слой никеля. Внутри пластин имеется в небольшом объеме активная масса. Все пластины соединены между собой с помощью ребер. В щелочную АКБ электролит может заливаться только через специальное отверстие, имеющее клапан с целью выпуска излишков газов.

Если брать во внимание никель-кадмиевые батареи, то они практически ничем не отличаются от никель-железных автономных источников. Главным отличием считается наличие у них сепараторов, которые находятся между пластинами. Если все части аккумулятора работоспособны, то он будет использоваться достаточно долго. Данные устройства преобразовывают электрическую энергию в химическую. Если на клеммы такого устройства поступает ток, то в результате такого действия может произойти обратный процесс.

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

Этот вид накопительного источника энергии можно отнести к самому популярному и востребованному, так как они используются практически на всех автомобилях. Он имеет несколько ячеек и электроды, которые представляют собой своеобразные свинцовые решетки с мелкой ячейкой. Решетки обоих полярностей в своей основе имеют разное содержание: диоксид свинца содержится в решетках со знаком «+», в минусовых решетках содержится свинец. Такие накопительные устройства устойчивы к морозам и относительно недорогие.

Принцип работы малогабаритных батарей

В различных устройствах имеются аккумуляторные батареи, которые отдают заряд. С помощью такого заряда другие устройства могут работать длительное время без осуществления подзарядки. К числу таких устройств можно отнести мобильные устройства. У них аккумулятор имеет небольшие размеры. Однако их емкость может быть разной. Банки таких аккумуляторов составляют обычные мягкие пакеты из пластика, которые заполнены литием. Этот химический состав похож по консистенции на сметану. Чтобы выполнить контрольное измерение такой батареи, необходимо использовать специальный прибор, который называется контроллер. Это небольших размеров электронная плата, которая подключается к зарядному устройству и определяет подачу заряда. У таких аккумуляторов нет клемм или контактов. Эту роль берет на себя коннектор, который состоит из многополюсного соединения. Принцип работы такого аккумулятора аналогичен обычным АКБ литий-ионного типа. Однако, их стоимость и габариты значительно меньше.

Правильный подход к выбору аккумуляторной батареи позволит подзаряжать другие устройства, необходимые человеку. Предварительно перед приобретением такого устройства, можно ознакомиться с его параметрами и работоспособностью в Интернете.

Приветствую вас друзья на сайте по ремонту автомобилей своими руками. Аккумулятор уже давно стал частью нашей жизни и ключевым элементом большинства механизмов, устройств и агрегатов.

Не исключением являются и автомобили, которые без аккумулятора сложно, а иногда и вовсе невозможно завести. Вот почему каждый автолюбитель должен представлять себе устройство аккумулятора, его принцип действия и основные параметры.

Назначение аккумуляторной батареии

Применительно к автомобилям АКБ — устройство, которое накапливает энергию и отдает ее различным потребителям при остановленном двигателе.

Главное назначение аккумулятора — питание всех видов нагрузки (фар, магнитолы, печки), а также стартера автомобиля, необходимого для пуска мотора. АКБ незаменим в том случае, когда не работает генератор. Как проверить диодный мост генератора .

Но это еще не все. Аккумулятор дополняет генератор, когда последний не в состоянии справиться с нагрузкой. Такое возможно в плотном транспортном потоке, когда вырабатываемой энергии генератора недостаточно для питания основных устройств.

АКБ спасает и при выходе основного источника питания из строя. Конечно, далеко на нем не уедешь, но до станции технического обслуживания вполне добраться возможно.

В свою очередь, генератор выступает в роли зарядного устройства для аккумулятора. Во время движения АКБ может не только принимать заряд, но и отдавать его.

Принцип действия аккумулятора

Сегодня есть множество разных АКБ, которые отличаются конструкцией и принципом действия. Так, к наиболее популярным устройствам можно отнести:

Щелочные железо-никелевые;

свинцово-кислотные;

серебряно-цинковые;

никель-кадмиевые.

Из перечисленных выше наибольшую популярность получили аккумуляторы со свинцово-кислотными «внутренностями». На втором месте по популярности — аккумуляторы с никелем и железом внутри. Что касается серебряно-цинковых устройств, то они почти не применяются. Причина — высокая стоимость и небольшой срок службы.

Работа АКБ основана на ключевом принципе — преобразовании одного вида энергии в другой:

1. В процессе зарядки — электрический вид энергии преобразуется в химическую.

2. Когда происходит разряд — химический вид энергии становится энергией электрической.

Работает АКБ циклично по принципу регулярного заряда и разряда. В момент подключения нагрузки начинается процесс разряда.

При этом положительные электроды (диоксид свинца) и отрицательные (свинец губчатого типа) вступают в химическую реакцию с жидкостью внутри аккумулятора (электролитом). В итоге получается два вещества — обычная вода и сульфат свинца. В этот момент происходит падение плотности электролита.

Заряжаться АКБ может двумя способами — от генератора и от внешнего зарядного устройства . Принцип зарядки прост. При подаче внешнего напряжения и протекании тока сульфат свинца в комплексе с водой превращается в свинец, серную кислоту и основной элемент — двуокись свинца.

Важный момент — напряжения заряда батареи. При завышенном показателе есть риск разложения жидкости и «выжигания» электролита. Заниженное напряжение, наоборот, может стать причиной неполной зарядки. Как следствие , время службы источника питания уменьшается .

Работа АКБ во многом зависит от условий работы (уровня температуры), Если последняя растет, то повышается и отдаваемая мощность. Одновременно с этим начинается коррозия электродов и саморазряд. Если же температура падает, то разрядная емкость снижается, химические процессы замедляются, уменьшается плотность жидкости внутри АКБ.

Даже при отсутствии подключенных к АКБ приемников процесс разряда не останавливается (устройство переходит в режим саморазряда). Величина последнего зависит от нескольких факторов — конструктивной особенности источника питания, окружающего воздуха и прочих аспектов.

Общий срок службы АКБ — 3-5 лет. Но здесь все зависит от целой группы факторов — режима эксплуатации, качества аккумулятора, особенностей его хранения и так далее. В свою очередь, производители постоянно работают над улучшением качества своего товара и повышением срока его службы.

Из наиболее полезных изменений можно выделить:

• Применение двух АКБ одновременно (одна — для пуска, а вторая — для питания потребителей);
• установка системы управления, обеспечивающей контроль потребителей;
• конструктивная оптимизация. В частности, последнее время активно внедряются такие технологии, как EFB, AGM и прочие.

Щелочные аккумуляторы

Устройство щелочного аккумулятора может различаться в зависимости от типа:

1. Никель-железные — устройства, имеющие прямоугольную форму. В качестве материала для изготовления крышки и дна используется сталь. На внешней части корпуса находится определенный слой никеля (отсюда и название).

Во внутренней части располжены блоки отрицательных и положительных пластиков. «Минусовых» пластин больше на одну штуку. Это делается специально, чтобы «окружить» с двух сторон «плюсовые» пластины.

Конструктивно описанные выше пластины имею одинаковый вид — они изготовлены из стальных ламелей, на которые нанесен слой никеля. Внутрь данных ламелей впрессовывается активная масса.

Ламели связаны между собой, закреплены ребрами (к последним приваривается контактная пластина), объединяются в замок и фиксируются с двух сторон ребер. К последним надежно приварена пластина со специальным отверстием под шпильку.

Блоки пластин которые состоят из положительных и отрицательных, не только не соприкасаются друг с другом, но и со стенками корпуса.
В роли изолирующего вещества выступает листовый эбонит.

У каждого блока есть по паре выходов, которые находятся на внешней части АКБ, Для более простой идентификации на крышке указывается полярность (как правило, только «плюс»).

Электролит в АКБ может заливаться через специальную горловину, на которой установлена крышка со специальным клапаном для выпуска лишних газов.

2. Никель-кадмиевые АКБ по своему устройству почти полностью повторяют описанных выше собратьев. В частности, месторасположение электродов, а также объем активного материала не отличается.

Если рассматривать источник питания в собранном виде, то по краям находятся положительные пластины. Между «плюсовыми» и «минусовыми» пластинами установлены сепараторы.

Блок готовится отдельно, а после вставляется в аккумулятор . На верхней части крышки есть специальные отверстия для заливки электролита.

Одним из наиболее популярных, надежных и простых в обслуживании является свинцово-кислотный аккумулятор. Он состоит из нескольких ячеек и группы электродов, которые находятся в одной смеси (электролите).

Электроды представляют собой специальные решетки, изготовленные из свинца, но имеющие разные активные элементы. В «плюсовых» решетках используется диоксид свинца, а в «минусовых» — чистый свинец.

Особенность таких аккумуляторов — устойчивость к морозам, минимальная скорость саморазряда, способность выдерживать большой цикл заряда-разряда, надежность и так далее.

В последнее время устройство свинцово-кислотного аккумулятора и прочих видов источников питания мало интересует автолюбителей. Причина — появление в продаже необслуживаемых АКБ, которые много проще в обслуживании.

Их преимущества — надежность, доступность по цене, отсутствие необходимости обслуживания. Минус — небольшой срок эксплуатации (3-5 лет). Удачи на дорогах и конечно же без поломок.

Важнейшим элементом электрооборудования автомобиля, а также мобильных телефонов, электроинструментов, некоторых часов и многих других бытовых приборов является аккумуляторная батарея. Устройство аккумулятора и похожи во всех этих предметах, хотя виды накопителей могут быть различными. Однако у разных приборов могут быть свои особенности. В этой статье мы разберем принцип действия автомобильного аккумулятора и устройство литий-ионной аккумуляторной батареи (АКБ) для другой, менее крупной техники.

Назначение автомобильного аккумулятора

Что касается автомобиля, здесь АКБ играет решающую роль при запуске двигателя (питание стартера). К тому же от него работают все электроприборы (такие, как фары), когда мотор выключен, и генератор не работает. И даже когда работает, накопитель выступает «помощником» в случаях, если нагрузка слишком большая - например, в «пробке», когда энергии генератора не очень много.

Для авто применяются различные , среди них:

• - иногда называются просто кислотными, применяются чаще всего;
• железо-никелевые - на втором месте по частоте использования;
• никель-кадмиевые;
• серебряно-цинковые - в современных моделях практически не применяются, так как быстро изнашиваются и при этом имеют высокую себестоимость.

Принцип работы кислотного аккумулятора основан на чистой серной кислоте, разбавленной дистиллированной водой для достижения необходимой плотности. Ею залиты пакеты из положительно и отрицательно заряженных свинцовых пластин. Пластины разделены диэлектрическим материалом. Каждая пара параллельно соединенных пластинок являет собой источник тока. Все пластины объединены в модули (банки). Как правило, модулей шесть, и они соединены между собой. Оболочка батареи сделана из устойчивого к агрессивной среде материала.

Когда эта конструкция в действии, пластинки под влиянием серной кислоты выделяют сульфат свинца, и в результате образуется электрическая энергия. Также выделяется вода, и поэтому концентрация электролита становится менее плотной. Во время зарядки АКБ процесс осуществляется в обратном порядке, свинец снова обретает металлическую форму, электролит становится более концентрированным.

Устройство щелочного аккумулятора аналогично кислотному, но используются другие химические элементы, в том числе самого корпуса контейнера. Практически во всех российских машинах установлены щелочные аккумуляторы, так как они отличаются низкой стоимостью и высокой надежностью.

Таким образом, устройство аккумулятора автомобиля основано на следующих принципах:

• переход электроэнергии в химическую (когда заряжается);
• переход химической энергии в электрическую (когда он разряжается).

Определенные типы АКБ требуют регулярного обслуживания, то есть контроля уровня электролита. Чтобы обслужить такую батарею, нужно иметь навыки автомобильного мастера или обращаться в сервис.

Однако в последнее время появилось понятие автомобиля. Это не означает, что его не нужно заряжать. Просто он не требует операций по проверке и доливке электролита. Но помните, что у некоторых из них (типа Ca/Ca, где электроды сделаны из сплава свинца с кальцием) есть недостаток - при сильной разрядке они ощутимо теряют емкость, и несколько таких случаев приводят к непригодности необслуживаемого АКБ к дальнейшему использованию.

Разобрав устройство автомобильного аккумулятора, перейдем к работе Li-ion аккумулятора.

Li-ion батарея

Литий-ионная АКБ не применяется в автомобилестроении, если речь не идет об электромобилях, но получила широкое распространение в устройствах вроде мобильного телефона.

Где применяют Li-ion аккумуляторные батареи?

Технология Li-ion может использоваться в самых разных приборах, от аккумулятора ноутбука или сотового телефона до аккумулятора шуруповерта. Литиевым, как правило, является внешний аккумулятор для смартфона или другого электронного устройства.

Внешний аккумулятор в последнее время стал популярным, когда выяснилось, что встроенные накопители в бытовой электронике последних моделей не позволяют держать заряд длительное время. Тогда получили распространение дополнительные приспособления, которые накапливают гораздо больший заряд и могут впоследствии работать вдали от розеток для подзарядки меньших по размеру, но слабых встроенных батарей. Такое приспособление и называется внешний аккумулятор.

Он работает точно так же, как и все остальные АКБ: накапливает заряд, а потом отдает электроэнергию. Только она используется не напрямую для работы каких-либо устройств, а для зарядки других батарей. Иногда внешний аккумулятор приобретают не только для мобильников, но и для аккумулятора ноутбука, фотоаппарата или других устройств.

Внешний аккумулятор может иметь различные размеры, форму и емкость. От этих параметров, соответственно, зависит его цена. Так что для каждого из множества смартфонов можно подобрать портативное зарядное устройство, соответствующее потребностям. Если у вас несколько электронных приборов, которым может потребоваться зарядка «в полях», рекомендуется подбирать универсальный портативный зарядник: для аккумулятора ноутбука, телефона, плеера и всего остального.

Li-ion АКБ в электроинструментах

Напоследок скажем несколько слов об аккумуляторе шуруповерта, дрели и других инструментов. Ранее такие АКБ были чаще всего никель-кадмиевыми (Ni-Cd). Сейчас они устарели, но до сих пор распространены ввиду низкой стоимости. Основные недостатки - быстрый саморазряд и довольно ощутимая потеря емкости со временем.

Сейчас на смену им пришли два типа АКБ:

• Никель-металл-гидридные (Ni-MH) - больше емкость, чем у Ni-Cd, меньше саморазряд, выше цена.
• Литий-ионные - недостатков, выраженных у других типов, нет. Вместе с тем «не любят» полного разряда или перезаряда, в последнем случае могут взорваться. Стоят дороже других видов батарей.

Таким образом, в качестве аккумулятора шуруповерта рекомендуют выбирать никель-металл-гидридный, но при профессиональном (частом и длительном) применении лучше подойдет литий-ионный.

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

Параллельное соединение

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.

Последовательное соединение

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:

свинец;

железо;

литий;

титан;

кобальт;

кадмий;

никель;

цинк;

серебро;

ванадий;

алюминий

некоторые другие элементы.

Они влияют на электрические выходные характеристики, а, следовательно, на область применения.

Способность выдерживать кратковременно большие нагрузки, возникающие при раскрутке коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания электродвигателями-стартерами, характерна для свинцово-кислотных АКБ. Они широко используются в транспорте, источниках бесперебойного питания и системах аварийного электроснабжения.

Стандартные (простые батарейки) обычно заменяют никель кадмиевыми, никель-цинковыми и никель-металлгидридными аккумуляторами.

А вот литий-ионные или литий-полимерные конструкции надежно работают в мобильных и компьютерных устройствах, строительном инструменте и даже электромобилях.

По виду применяемого электролита аккумуляторы бывают:

кислотными;

щелочными.

Существует классификация аккумуляторов по назначению. Например, в современных условиях появились устройства, используемые для передачи энергии - подзаряда других источников. Так называемый внешний аккумулятор выручает владельцев многих мобильных устройств в условиях отсутствия переменной электрической сети. Он способен многократно заряжать планшет, смартфон, мобильник.

Все эти аккумуляторы имеют однотипный принцип работы и подобное устройство. Например, пальчиковая литий-ионная модель, представленная на рисунке ниже, повторяет во многом конструкцию рассмотренных ранее кислотных АКБ.

Здесь мы видим те же электроды-контакты, пластины, сепаратор и корпус. Только выполнены они с учетом других условий работы.

Основные электрические характеристики аккумулятора

На эксплуатацию устройства влияют параметры:

емкость;

плотность энергии;

саморазряд;

температурный режим.

Емкостью называют максимальный заряд у аккумулятора, который он способен отдать во время разряда до наименьшего напряжения. Ее выражают в кулонах (система СИ) и ампер часах (внесистемная единица).

Как разновидность емкости существует «энергетическая емкость», определяющая энергию, отдаваемую при разряде до минимально допустимого напряжения. Она измеряется джоулями (система СИ) и ватт-часами (внесистемная единица).

Плотность энергии выражается соотношением количества энергии к весу или объему аккумулятора.

Саморазрядом считают потери емкости после заряда при отсутствии нагрузки на клеммах. Он зависит от конструкции и усиливается при нарушениях изоляции между электродами по многочисленным причинам.

Температурный режим эксплуатации влияет на электрические свойства и при серьезных отклонениях от указанной производителем нормы может вывести аккумулятор из строя. Жара и холод недопустимы, они влияют на протекание химических реакций и давление среды внутри банки.