Свинцово-кислотные аккумуляторы

Свинцово – кислотные автомобильные аккумуляторы – это электроустройства, которые являются источником тока, питают стартер при запуске мотора. Для транспортных средств, работающих на бензине, дизельном топливе, аккумулятор выполняет роль вспомогательного источника энергии, который нужен для запуска двигателя источника энергии бортовой сети, если мотор не работает. Для электротранспорта автомобильный аккумулятор – основной источник энергии. 

Устройство

Конструктивно кислотный аккумулятор состоит из следующих элементов:

• Корпус. Представляет собой моноблок. В него помещаются аккумуляторы. Изготовлен из изолирующего  материала, стойкого к кислоте. Как правило, это пропилен.
• Электрод (решётка, покрытая пастой из свинцово-оксидного порошка). Положительные электроды покрыты диоксидом свинца. Отрицательно заряжённые решётки покрыты массой губчатого свинца. Для того чтобы увеличить антикоррозийную стойкость электродов, ряд производителей в свинцово-кальциевый сплав добавляет пассиваторы 
• Сепаратор-конверт. Устанавливается для изоляции решёток, пластин противоположной полярности в батарейных элементах. В случае соприкосновения пластин разной полярности произойдёт короткое замыкание. Главная сложность при изготовлении сепараторов: их материал должен уберечь от такого замыкания, при этом ток должен беспрепятственно проходить через электролит. Компромиссное  решение и достойный вариант материала – микропористая пластмасса. Большинство свинцово-кислотных батарей используют активное вещество электродов   из свинцово-кальциевого сплава. У них минимальный уровень саморазряда.
• Шина
• Крышка
• Выходное отверстие.
• Клеммы. Обеспечивают непосредственную связь батареи со стартером, генератором, позволяют быстро монтировать или демонтировать батарею.
• Индикаторы плотности электролита и заряженности батареи.
  

Каждая современная батарея состоит из шести кислотных аккумуляторов. Используется последовательное соединение. Шесть 2-х вольтовых элементов обеспечивают на выходе 12 вольт.

Типы свинцово-кислотных аккумуляторов

Квалифицировать АКБ можно по двум признакам по функциональному назначению и установленному электролиту. По функциональному назначению устройства бывают двух типов:

1. Стартерные.Обеспечивают запуск двигателя автомобиля, подают ток на стартер. Требуют обслуживания и вентиляции.
2. Тяговые. Устройства для цикличных режимов. Используются в ситуациях, когда нужно обеспечить механизмы непрерывной энергией (питания в постоянном режиме). Чаще всего устанавливаются на электрокарах, тягачах, погрузчиках.
   

В большинстве случаев мы имеем дело с жидкой средой. Электроды находятся в электролите из раствора серной кислоты.

Плотность электролита в зависимости от степени заряженности постоянно изменяется. Чем заряжённость элемента ниже, тем ниже плотность электролита. При полном заряде плотность достигает 1.29 г/см3.

У ряда же современных АКБ электролит удерживается в специальном микропористом материале. В этом случае речь и идёт об абсорбируемом электролите. Объём электролита, заливаемый в АКБ добавляются в том объёме, который может впитать микропористый материал. Лучшее поглощение кислоты влечет за собой повышение эффективности активной массы. Это очень ценно, если АКБ работает на систему рекуперативного торможения или систему стоп-старта. Но из-за высокой стоимости батарей такого типа массового перехода на них пока нет. Большинство использует традиционные свинцово-кислотные батареи.

Наиболее хорошо известны решения, которые ориентированы на абсорбированные электролиты. Это батареи, изготовленные по технологии AGM. Обслуживание свинцово-кислотных аккумуляторов такого типа не требуется. Для установки не нужно заботиться о том, чтобы помещение было вентилируемым. Работа не требует обслуживания. При этом  в режиме подзарядки (буферном режиме) батареи способны служить 12-18 лет, в цикличном режиме - меньше.

Принцип работы аккумуляторной батареи

Как работает аккумуляторная батарея автомобиля?

• При заряде электрическая энергия преобразуется в химическую энергию.
• При разряде химическая энергия преобразуется в электрическую.
• Работа аккумулятора циклична.

Таким образом, принцип действия базируется на преобразовании электрической энергии в химическую (этот процесс происходит при заряде) и химической энергии в электрическую (напротив, при разряде). И затем этот процесс повторяется.

На работу влияет окружающая температура. Если температура воздуха возрастает, увеличивается отдаваемая аккумулятором мощность. Казалось бы, проблема эффективности решена. Но не всё так просто, одновременно существенно увеличивается склонность батареи к саморозряду и к корродированию.

Понижение температуры в свою очередь, приводит к уменьшению разрядной емкости, а также уменьшению плотности электролита.

Преимущества и недостатки

Популярность кислотно-свинцовых устройств легко объяснить множеством факторов.

• Низкой себестоимостью и, соответственно, доступной ценой.
• Надёжностью.
• Малой саморазрядностью.
• Простотой в обслуживании (не нужно доливать электролит),а для некоторых моделей, как, например, решений по технологии AGM, и вовсе отсутствие необходимости в сервисе.

Тем не менее, человечество постоянно ищет альтернативу, в ряде случаев использует щелощные устройства. Почему? Это связано с тем, что у кислотного оборудования есть и недостатки:

• Трудности с организацией хранения. Хранение возможно исключительно в заряжённом виде. 
• Плохая переносимость переразрядов. Правила эксплуатации ограничивают количество циклов заряда- разряда.
• Вред для окружающей среды (выделение испарений).
• Высокие риски перегрева при неправильной зарядке.
• Нестабильная работа в условиях низких температур. Иногда из-за этого возникают проблемы с запуском мотора в зимнее время.
• Слабые возможности на протяжении длительного времени в тяговом режиме эксплуатации выдавать электрический ток.

Где применяются?

Решения позволяют работать с большими пиковыми мощностными нагрузками. Поэтому сфера использования батарей очень обширна. Установка возможна:

• На всех стартерных и ряде тяговых двигателей автомобилей.
• На мототехнике: мопедах, мотоциклах, квадроциклах, скутерах.
• На лодочных моторах.
• На авиационной технике.
• В качестве стартерных чаще используют решения с жидким электролитом, в качестве буферных, а также на сложной технике, включая авиационную, используют, преимущественно решения абсорбированным на сепараторе (по AGM -технологии).

Срок службы

Срок службы батареи - это потенциальное время, за которое она будет оставаться в рабочем состоянии и в пределах описанных для неё производителем параметров.За этим сроком на деле стоит максимальный срок работы батареи в типовых условиях функционирования.   Снизить срок эксплуатации по неосторожности может ряд факторов. Особенно внимательным нужно быть при пуске. Он должен осуществляться в стабильной среде. Особенно опасны вибрация и скачки температуры.

Недопустимы скачки температуры и во время эксплуатации. Резкое повышение температуры на 10 ° C существенно снизит емкость на 25% и уменьшит срок службы на 50%. Снижение температуры на ту же величину также уменьшит емкость батареи примерно на 25%.

Очень большой вес имеет и соблюдение правил хранения свинцово кислотных аккумуляторов. Помещение должно быть прохладным, сухим.Нельзя осуществлять штабеллирование.

Популярные батареи на жидких электролитах обычно служат 3-4 года, при эксплуатации в стабильной среде и низких нагрузках - возможный срок службы -7-8 лет. Решения, изготовленные по технологи AGM в режиме подзарядки (буферном режиме) способны служить 12-18 лет.

Срок службы никогда не стоит путать с гарантийным, последний всегда - меньше. Например, у изделий, которые способны служить 4 года,  гарантийный срок обычно равен 1-2 года.

Зарядка

Автомобильная аккумуляторная батарея сама по себе не может обеспечить авто должным количеством энергии на протяжении длительного времени. Поэтому важно заботиться о пополнении запаса энергии, израсходованной из аккумулятора. Здесь выручает система зарядки. Её задача - производить электрическую энергию, которой снабжаются все потребители электрической энергии транспортного средства во время работы мотора.

Как зарядить свинцово кислотный аккумулятор физически?

Возможны два варианта:

1. Постоянным током.
2. Переменным током.

Первый вариант проще реализовать физически, но второй вариант более эффективен. Поэтому сначала для зарядки использовался, преимущественно, генератор постоянного тока, а затем на смену ему пришёл генератор переменного или альтернатор. Он и считается наиболее перспективным вариантом зарядки современных транспортных средств.

Необходимость перехода от генератора постоянного тока к альтернатору обусловлена тем, что с ним были трудности при производстве большого количества энергии при низких оборотах мотора. 

Ротор альтернатора обеспечивает вращающееся магнитное поле внутри альтернатора. Обмотки возбуждения ротора принимают электрический ток через щётки.В неподвижной части - статоре производится сама энергия. Специальный вентилятор охлаждения втягивает воздух и создаёт все условия для поддержания нормального температурного режима диодов.

На практике при зарядке, главное, читайте инструкцию производителя. Порядок действий, которые требуется выполнить при зарядке, может отличаться.



Восстановление аккумулятора

Нередко возникает необходимость в восстановлении батареи. Если она сел (часто такое бывает после зимнего "простоя"), главное не паниковать. Как восстановить свинцово кислотный аккумулятор практически? Существует ряд механик восстановления,но наиболее простой и действенный вариант -это многократная зарядка малым током. Главная хитрость: нужно соблюдать перерывы между зарядками. В дело вступает физика.  Напряжение возрастает, восприятие к заряду, напротив, уменьшается.. За время паузы электродные потенциалы выходят на один уровень, емкость свинцово кислотного аккумулятора увеличивается, плотность электролита также существенно растёт.

Результат достигнут в тот момент, когда показатели плотности можно считать нормальной для данного типа аккумулятора.


Cистематизируем знания, обретаем навыки: дистанционное обучение

Итак, вы познакомились с теорией, касающейся АКБ, классификацией, способами восстановления, зарядкой, но хотите изучить тему глубже, максимально систематизировать знания по этому вопросу, научиться на практике работать с батареей, протестировать свои знания? Отлично!

Вам поможет система онлайн-обучения механиков, электриков  и диагностов ELECTUDE. Огромное преимущество онлайн -платформы состоит в том, что она максимально ориентирована на комплексный подход (основы физики + практикоориетированные материалы), и вы сможете получить не просто знания, но и конкретные умения, навыки, а система оценки знаний в виде тестов поможет реально оценить, над какими темами темами еще стоит поработать, в каком темпе двигаться дальше.

Далее мы приводим скриншоты и описания переведённых нами на русский язык модулей, которые непосредственно касаются рассматриваемой выше темы.

Изучайте, присматривайтесь к системе ELECTUDE и находите для себя новый источник не просто для получения знаний, а для пошагового развития практических навыков. Ведь кроме базовых модулей в системе есть специальный виртуальный тренажёр. Он и поможет «прокачаться» по полной. Система отлично подходит для обучения в дистанционном формате, самообучения.

Модуль «Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея»

В АКБ содержится электрическая энергия, необходимая для запуска грузового транспорта. В грузовике установлены две одинаковые 12-вольтовые батареи, которые соединены последовательно и вместе выдают напряжение равное 24 V (В-вольт). Когда вы поворачиваете ключ зажигания, аккумуляторы подают питание на стартер. Стартер начинает вращать коленчатый вал двигателя. В тот же момент запускается генератор и подзаряжает аккумуляторы.

Аккумуляторные батареи также подают электроэнергию на потребителя, если генератор не обеспечивает достаточную мощность.

На большинстве грузовиках свинцово-кислотные аккумуляторные батареи крепятся к раме , на некоторых – слева, на других–справа. Аккумуляторы могут устанавливаться и под кабиной грузовика.

Эти дополнительные устройства нужны для питания в кабине иных устройств: холодильника, медиаплеера, или зарядного устройства мобильного телефона.




Поскольку устройство содержит опасные кислоты, на его корпус приклеено несколько знаков, указывающих, как с ним безопасно обращаться.

Эти знаки указывают на то, что:

• Устройство следует хранить в труднодоступном месте.
• Есть риск взрыва во время зарядки.
• Аккумулятор следует хранить вдали от открытого огня.
• АКБ содержит опасную едкую кислоту.
• При обслуживании необходимо всегда носить защитные очки.
• Перед началом работы необходимо ознакомиться с руководством по эксплуатации.
• Для утилизации аккумулятор должен быть передан в специальный пункт сбора.
• Никогда не следует выбрасывать аккумулятор вместе с обычным мусором поскольку в нём содержится свинец и кислота.







Каждое устройство содержит информацию о том, с каким типом батареи вы работаете. Эта информация соответствует определённым стандартам.

Существуют различные организации, которые занимаются стандартами, например:

• SAE (Американское общество автомобильных инженеров);
• DN (Немецкий институт стандартизации) ;
• EN (Европейский стандарт);
• IEC (Международная техническая комиссия).







На наклейке указываются необходимые  сведения. Например,

• 12 V (вольт): напряжение. Это аккумулятор с напряжением 12 V.
• 230 А/h (ампер-час): ёмкость. Это максимальное количество электрической энергии, которое может выдать  аккумулятор при 20 часовом разряде (при конечном напряжении 10, 5 V и температуре 25 ℃). Это максимальное количество электрической энергии, которое может запасти аккумулятор. Данные указываются с учётом времени разряда 20 часов.
• 1200 А, сила тока холодной прокрутки . В соответствии со стандартом DN этот аккумулятор способен обеспечить питание 1200 А в течение 30 секунд с напряжением не ниже 9 V и температурой -18 ℃.
• Две одинаковые аккумуляторные батареи соединены последовательно. Это значит, что вместе они подают напряжение 2×12V=24 V. Емкость аккумулятора постоянна и равна в нашем примере 230 А/h.
• Обе аккумуляторные батареи должны быть одной марки и иметь одинаковую ёмкость и напряжение. Они также должны иметь одинаковую дату производства.




Снятие аккумуляторных батарей

Перед тем, как приступить к снятию аккумуляторной батареи с автомобиля, необходимо ознакомиться с руководством по ремонту. Обратите внимание, что инструкция будет отличаться в зависимости от марки АКБ.

• Выньте ключ из замка зажигания.
• Снимите защитный колпачок с кожуха батареи и крышек полюсов (они иногда прикрепляются).
• Сначала отсоедините зажим аккумуляторного кабеля от отрицательной клеммы (если вы сначала отсоедините зажим аккумулятора от плюсовой клеммы, и она случайно соприкоснётся с кузовом, то это вызовет короткое замыкание.
• Затем отсоедините три остальных клеммы аккумуляторной батареи.
• Отсоедините соединительный кабель между аккумуляторами 1 и 2.
• Затем снимите оба крепления.
• Извлеките обе батареи из отсека.



Установка аккумуляторной батареи


Перед тем, как приступить к установке, необходимо ознакомиться с руководством по ремонту. Для каждой марки существует своя инструкция.

1. Установите новые аккумуляторы.
2. Очистите клеммы и зажимы.
3. Установите соединительный кабель с зажимами на отрицательную клемму аккумулятора 2 (задний аккумулятор) и положительную клемму аккумулятора 1 (передний аккумулятор). Обратите особое внимание на клеммы, поскольку вывод «плюс» имеет больший диаметр, чем вывод «минус». Обе клеммы часто сужаются в верхней части.
4. Установите зажим для положительной клеммы 2.
5. Затем установите зажим для отрицательной клеммы 1.
6. Смажьте клеммы и зажимы аккумулятора консистентной смазкой для предотвращения коррозии.
7. Наденьте защитные колпачки на крышки полюсов (если они есть).
8. Наденьте защитный чехол на корпус аккумуляторной батареи.
9. Вставьте ключ в замок зажигания.

Последовательное и параллельное соединение

Под напряжением понимают разность потенциалов между её положительными и отрицательными клеммами. напряжение обозначают буквой U. Единицей напряжения является вольт. Напряжение равно силе тока (А) при определённом сопротивлении(R).





Емкость батареи - это значение максимального количества электрической энергии, которое может содержать батарея. Единицей измерения ёмкости является ампер-час/Ач. Таким образом под мощностью подразумевается ток (А).


Также встречаются комбинированные цепи, в которых батареи соединены как параллельно, так и последовательно. Таким образом увеличивается как ёмкость, так и напряжение.



Разновидности и тестирование

На скриншотах наглядно представлены модули, характеризующие разные типы СКАБ. Это стандартные решения (с жидким электролитом) и устройства, изготовленные по усовершенствованным технологиям.















Прохождение тестов в LMS ELECTUDE позволит разобраться, как вы смогли разобраться в устройстве свинцового аккумулятора, готовы ли вы решить задачи, связанные с ним.