Автокөліктің аккумуляторы: Қызметі мен қауіпсіздік шаралары

Кіріспе

Автомобильдің қайта зарядталатын батареясы – автомобильдің ішкі жану қозғалтқышын іске қосуға арналған.

Автомобиль батареясы – қозғалтқышты іске қосып, қосымша жабдықтарды қуатпен қамтамасыз ететін қайта зарядталатын батарея.

Автомобиль батареясы, немесе машина батареясы – моторлық көлікті іске қосу үшін қолданылатын қайта зарядталатын батарея. Оның басты міндеті – электрмен жұмыс істейтін стартерге электр тогын беру, ол өз кезегінде көлікті қозғалтатын химиялық қуатпен жұмыс істейтін ішкі жану қозғалтқышын іске қосады. Қозғалтқыш жұмыс істегеннен кейін, көліктің электр жүйелеріне қуат беру батарея арқылы жүзеге асырылады, ал генератор талаптың артуына немесе азаюына қарай батареяны зарядтайды.

Бензинді және дизельді қозғалтқыштар

Әдетте, іске қосу батарея қуатының 3%-дан азын пайдаланады. Осы себепті автомобиль батареялары қысқа мерзім ішінде максималды ток беруге арналған. Сондықтан оларды кейде "SLI батареялары" деп атайды – іске қосу, жарықтандыру және тұтану үшін. SLI батареялары терең разрядталуға арналмаған, ал толық разряд батареяның қызмет ету мерзімін қысқартуы мүмкін. Қозғалтқышты іске қосумен қатар, SLI батареясы көліктің электрлік жүктемесі зарядтау жүйесінен асып кеткен кезде қажетті қосымша қуатты қамтамасыз етеді. Бұл батарея сонымен қатар тұрақтандырғыш ретінде қызмет етеді, потенциалды зиянды кернеудің өзгеруін теңестіреді. Қозғалтқыш жұмыс істеп тұрғанда қуаттың көп бөлігі генератормен қамтамасыз етіледі, ол 13,5 және 14,5 В аралығында шығысты ұстау үшін кернеуді реттегішпен жабдықталған. Қазіргі заманғы SLI батареялары қорғасын-қышқылды типті, номиналды 12 вольттық жүйе үшін (көбінесе жолаушылар автомобильдері мен жеңіл жүк көліктерінде) алты тізбектелген элементтерді немесе ауыр жүк көліктерінде немесе жер қазу техникасында 24 вольттық жүйе үшін он екі элементтерді пайдаланады. Газ жарылысы теріс электродта болуы мүмкін, онда сутегі газы жиналуы мүмкін, себебі батареяның сыртқы тежеуші саңылаулары бітелген немесе нашар желдетілетін ортада тұрақтандыру көзі бар. Қозғалтқышты іске қосу кезіндегі жарылыстар көбінесе тозған немесе лас батарея тіректерімен байланысты. Ең көп кездесетін жағдайлар – кабельдік қосылымдармен жұмыс істеу кезінде, секіріп іске қосу кезінде (әдетте, зарядтау көзіне бұрын өлі батареяны қоспау және тікелей тоқ өткізгіш тірекке емес, көлік шассиіне қосу), сондай-ақ сұйықтық деңгейін тексеру кезінде. Сонымен қатар, электр көліктерінде іске қосу қозғалтқышы болмайды, сондықтан олардың қосалқы батареясынан тек шектеулі қуат пен энергия қажет. Осылайша, 2021 жылы Tesla тек 99 Вт⋅сағ энергия сақтайтын литий-иондық қосалқы батареяны ұсынды.

Тарих

Электр жүйесі шектеулі болғандықтан, алғашқы көліктерде аккумуляторлар болмаған. Олардың тұтандыруға арналған электр қуаты магнитпен қамтамасыз етілді, қозғалтқыш бұрандамен іске қосылды, фаралар газбен жұмыс істеді, ал электр мүйізінің орнына қоңырау немесе шам кернейі қолданылды. Автомобиль батареялары 1920 жылдары кеңінен қолданыла бастады, себебі көліктер электрлік стартерлік қозғалтқыштармен жабдықталды. Бүгінде, жол көліктерінің басым көпшілігінде теріс полюстік жүйе қолданылады. Батареяның теріс терминалы көліктің шассиіне қосылған. Хадсон моторлы автомобиль компаниясы 1918 жылы Battery Council International (BCI) аккумуляторларын пайдалана бастағанда, алғаш рет стандартталған аккумуляторды қолданды. BCI – аккумуляторлардың өлшемдік стандарттарын белгілейтін ұйым. Көліктер 1950 жылдардың ортасына дейін 6 В электр жүйелері мен аккумуляторларын пайдаланды. 6 В-тан 12 В-қа көшу үлкен қозғалтқыштардың, жоғары сығылу қатынастарының болуына байланысты туындады, оларға іске қосылу үшін көбірек электр қуаты қажет болды. Аз қуатқа ие болған кішірек көліктер, мысалы, 1960 жылдардың ортасында Volkswagen Beetle және 1970 жылы Citroën 2CV, 6 В жүйесін ұзақ уақыт пайдаланды. 1971 жылы қайта толтыруды қажет етпейтін герметикалық батарея ойлап табылды. 1990 жылдары 42 В электр жүйесі стандарты ұсынылды. Ол қуаттырақ электрмен жұмыс істейтін қосымша құрылғыларды және жеңілдетілген автомобильдік сымдау жиынтығын пайдалануға мүмкіндік беруді көздеді. Жоғары тиімділікке ие моторлардың, жаңа сымдау техникаларының, цифрлық басқару жүйелерінің қолжетімділігі және жоғары кернеулі стартер-генераторларды пайдаланатын гибридтік көлік жүйелеріне басымдық беру, автомобильдегі негізгі кернеуді ауыстыру қажеттілігін жойды. 2023 жылы Tesla 48 вольт электр жүйесін пайдаланатын Cybertruck көлігін жеткізуді бастады, бұл көліктегі сымдардың көлемін 70%-ға азайтты.

Дизайн

Автомобиль батареясы – алты жасушалы ылғалды батареяның мысалы. Қорғасын аккумулятордың әрбір жасушасы қорғасын қорытпасынан жасалған торға толтырылған, кезектесті орналасқан қорғасын пластиналардан (катод) тұрады. Әрбір жасуша күкірт қышқылы ерітіндісімен толтырылады, ол электролит болып табылады. Алғашқыда әр жасушада толтыру қақпағы болған, одан электролит деңгейін көруге және жасушаға су қосуға болады. Толтыру қақпағында кішкентай тежеу тесігі болған, ол зарядтау кезінде пайда болатын сутегі газының жасушадан шығуына мүмкіндік берген. Жасушалар қысқа, ауыр таспалармен жалғастырылады – бір жасушаның оң пластинасынан келесі жасушаның теріс пластинасына. Батареяның үстіңгі жағына, кейде бүйір жағына, коррозияға қарсы тұру үшін қорғасынмен қапталған екі ауыр терминал орнатылады. Алғашқы автомобиль аккумуляторларында қатты резеңке қабықтар және ағаш пластиналар бөлгіштер ретінде қолданылған. Қазіргі заманғы құрылғыларда пластик қабықтар мен тоқылған маталар қолданылады, бұл жасуша пластиналарының жанасуына және қысқа тұйықталуына жол бермейді. Бұрын автомобиль аккумуляторларын үнемі тексеру және суды толықтыру қажет болған, себебі ол аккумулятор жұмыс істеу кезінде ыдырайтын еді. "Төмен күтімді" (кейде "күтімсіз") аккумуляторлар пластина элементтері үшін басқа қорытпа қолданады, бұл зарядтау кезінде ыдырайтын су мөлшерін азайтады. Қазіргі заманғы аккумулятор өмірі бойы қосымша су қажет етпеуі мүмкін, ал кейбір түрлері әр жасуша үшін жеке толтыру қақпақтарын жоқ етеді. Бұл аккумуляторлардың кемшілігі – олар терең разрядқа төзбейді, мысалы, шамдарды қосып қойып, автомобиль аккумуляторын толығымен қудырып алғанда. Бұл қорғасын пластиналарын қорғасын сульфатының қабаттарымен жабады және аккумулятордың қызмет ету мерзімін үштен бір бөлікке немесе одан да көпке қысқартуы мүмкін. VRLA аккумуляторлары, сондай-ақ сіңірілген шыны талшықты (AGM) аккумуляторлар терең разрядқа көбірек төзімді, бірақ олар қымбат. VRLA аккумуляторларына жасушаға су қосуға рұқсат берілмейді. Әр жасушада қатты жүктеме немесе ішкі ақау кезінде жарылудан қорғау үшін автоматты қысымды босату клапаны орнатылған. VRLA аккумуляторы электролитті төгіп жібермейді, бұл оны мотоцикл сияқты көлік құралдарында пайдалануға өте қолайлы етеді. Аккумуляторлар әдетте сериялы қосылған алты гальваникалық жасушадан тұрады. Әр жасуша 2,1 вольт береді, ал толық зарядталғанда барлығы 12,6 вольтқа жетеді. Разряд кезінде теріс (қорғасын) терминалда химиялық реакция сыртқы тізбекке электрондарды босатады, ал оң (қорғасын тотығы) терминалда басқа химиялық реакция сыртқы тізбектен электрондарды сіңіреді. Бұл электронды сыртқы тізбек сымы (электр өткізгіші) арқылы өткізіп, электр тогын (электр энергиясын) тудырады. Аккумулятор разрядталғанда электролиттің қышқылы пластиналардың материалдарымен әрекеттесіп, олардың бетін қорғасын сульфатына айналдырады. Аккумулятор қайта зарядталғанда химиялық реакция кері жүреді: қорғасын сульфаты қорғасын диоксидіне айналады. Плиталар бастапқы күйіне келгеннен кейін процесті қайталауға болады. Кейбір көліктер басқа стартер аккумуляторларын пайдаланады. Салмақты азайту үшін 2010 жылғы Porsche 911 GT3 RS литий-ионды аккумуляторымен жабдықталған, ал 2018 жылдан бастап барлық Kia Niro гибридтерінде де осындай аккумулятор қолданылады. Ауыр көліктерде 24 В жүйе үшін екі аккумулятор сериялы қосылған немесе 24 В-ты беретін аккумуляторлардың сериялы-параллель топтары болуы мүмкін.

An automobile battery is an example of a wet cell battery, with six cells. Each cell of a lead storage battery consists of alternate plates made of a lead alloy grid filled with sponge lead plates (cathode) Each cell is filled with a sulfuric acid solution, which is the electrolyte. Initially, cells each had a filler cap, through which the electrolyte level could be viewed and which allowed water to be added to the cell. The filler cap had a small vent hole which allowed hydrogen gas generated during charging to escape from the cell. The cells are connected by short heavy straps from the positive plates of one cell to the negative plates of the adjacent cell. A pair of heavy terminals, plated with lead to resist corrosion, are mounted at the top, sometimes the side, of the battery. Early auto batteries used hard rubber cases and wooden plate separators. Modern units use plastic cases and woven sheets to prevent the plates of a cell from touching and short circuiting. In the past, auto batteries required regular inspection and maintenance to replace water that was decomposed during the operation of the battery. "Low maintenance" (sometimes called "zero maintenance") batteries use a different alloy for the plate elements, reducing the amount of water decomposed on charging. A modern battery may not require additional water over its useful life; some types eliminate the individual filler caps for each cell. A weakness of these batteries is that they are very intolerant of deep discharge, such as when the car battery is completely drained by leaving the lights on. This coats the lead plate electrodes with lead sulfate deposits and can reduce the battery's lifespan by a third or more. VRLA batteries, also known as absorbed glass mat (AGM) batteries are more tolerant of deep discharge but are more expensive. VRLA batteries do not permit addition of water to the cell. The cells each have an automatic pressure release valve, to protect the case from rupture on severe overcharge or internal failure. A VRLA battery cannot spill its electrolyte which makes it particularly useful in vehicles such as motorcycles. Batteries are typically made of six galvanic cells in a series circuits. Each cell provides 2.1 volts for a total of 12.6 volts at full charge. During discharge, at the negative (lead) terminal a chemical reaction releases electrons to the external circuit, and at the positive (lead oxide) terminal another chemical reaction absorbs electrons from the external circuit. This drives the electrons through the external circuit wire (an electrical conductor) to produce an electric current (electricity). As the battery discharges, the acid of the electrolyte reacts with the materials of the plates, changing their surface to lead sulfate. When the battery is recharged, the chemical reaction is reversed: the lead sulfate reforms into lead dioxide. With the plates restored to their original condition, the process may be repeated. Some vehicles use other starter batteries. For weight savings, the 2010 Porsche 911 GT3 RS has a lithium ion battery as an option; from 2018 onward, all Kia Niro conventional hybrids feature one as well. Heavy vehicles may have two batteries in series for a 24V system or may have series parallel groups of batteries supplying 24V.

Физикалық пішімі

Батареялар физикалық өлшемі, түрі, терминалдардың орналасуы және бекіту стилі бойынша топтастырылады. CCA-ны CA/MCA немесе HCA көрсеткіштерімен шатастырмау керек, себебі соңғысы әрқашан жылы температурада жоғары болады. Мысалы, 250 CCA батареясы 250 CA (немесе MCA) батареясына қарағанда көбірек бастау қуатына ие, ал 250 CA, 250 HCA-дан да жоғары қуат береді. Бастау тогы (CA): аккумулятордің 7,2 вольтқа тең немесе одан жоғары кернеуде 30 секунд бойы қамтамасыз ете алатын токтың мөлшері. Теңіздік бастау тогы (MCA): CA сияқты, аккумулятордің қамтамасыз ете алатын токтың мөлшері, көбінесе қайықтардағы («теңіздік» деп аталу себебі осы) және газондық тракторларда кездеседі, олар мұз пайда болуы мүмкін жағдайларда пайдаланылуы аздау. Ыстық күйдегі бастау тогы (HCA) – аккумулятордің сол температурада бере алатын токтың мөлшері. Рейтингі – қорғасын қышқыл аккумуляторының сол температурада 30 секунд бойы жеткізе алатын және әрбір ұяшықта кемінде 1,2 вольтты (12 вольттық аккумулятор үшін 7,2 вольтты) сақтай алатын ток ретінде анықталады.

Топтың көлемі

Battery Council International (BCI) тобының мөлшері батареяның физикалық өлшемдерін, мысалы ұзындығын, енін және биіктігін көрсетеді. Осы топтарды ұйым белгілейді.

Күн коды

АҚШ-та тұтынушыларға жаңа өндірілген батареяны сатып алуға көмектесетін кодтар бар. Батареялар сақталғанда зарядтарын жоғалта бастайды, себебі электродтар мен батарея қышқылы арасында ток тудырмайтын химиялық реакциялар жүреді. 2015 жылдың қазан айында жасалған батареяның сандық коды 10 5 немесе әріптік-сандық коды K 5 болады. "А" – қаңтар, "В" – ақпан, және т.с.с. ("I" әрпі жіберіліп тасталады). Сонымен қатар, төмен температура батареяның жұмысын тоқтатуы мүмкін. Егер батареяның заряды настолько төмендеп кетсе, қозғалтқышты іске қосу мүмкін болмаса, қозғалтқышты сыртқы қуат көзі арқылы іске қосуға болады. Қозғалтқыш іске қосылғаннан кейін, егер генератор мен зарядтау жүйесі зақымдалмаса, батареяны қайта зарядтауға болады. Батарея терминалдарындағы коррозия электр кедергісінен автомобильдің іске қосылуына кедергі келтіруі мүмкін, оны диэлектрлік майды дұрыс қолдану арқылы болдырмауға болады. Сульфатация – электродтардың қатты қорғасын сульфатының қабатымен жабылуы, бұл батареяның қуатын әлсіретеді. Сульфатация батарея толық зарядталмаған және ұзақ уақыт разрядталған күйде қалғанда пайда болуы мүмкін. Сульфатталған батареяларды зақымданудың алдын алу үшін баяу зарядтау керек. SLI батареялары (іске қосу, жарықтандыру және тұтану) терең разрядталуға арналмаған, және оларға осылай келетін жағдайда қызмет ету мерзімі қысқарады. Іске қосу батареяларында жоғары ток беру үшін үлкен беті бар пластиналар болады, ал теңіз (гибридтік) және терең циклді батареяларда пластиналар қалың болады және пластиналардың түбінде қысқа тұйықталудан бұрын пайда болған материал жиналуына арналған көбірек орын болады. Қорғасын-антимон пластиналарын қолданатын автомобиль батареяларын электролиз және буланудан жоғалған суды толықтыру үшін таза сумен үнемі толтыру қажет. Қоспа элементін кальцийге ауыстыру арқылы жаңа үлгілер судың жоғалуын азайтты. Қазіргі заманғы автомобиль батареяларына аз күтім қажет, және жасушаларға су қосуға арналған қақпақтар болмауы мүмкін. Мұндай батареяларда батареяның қызмет ету мерзімі ішінде жоғалуды ескере отырып, пластиналардың үстінде қосымша электролит болады. Кейбір батарея өндірушілер батареяның зарядталу деңгейін көрсету үшін гидрометрді орнатады. Негізгі тозу механизмі – батарея пластиналарынан белсенді материалдың түсіп қалуы, ол жасушалардың түбінде жиналады және ақырында пластиналарды қысқа тұйықтауы мүмкін. Бұл бір жиын пластиналарды өткізгіш материалдан жасалған пластикалық қаптарға салып, едәуір азайтуға болады. Бұл электролиттер мен иондардың өтуіне мүмкіндік береді, бірақ шламның пластиналарды біріктіруіне жол бермейді. Шлам негізінен екі электродта да түзілетін қорғасын сульфатынан тұрады.

In the United States there are codes on batteries to help consumers buy a recently produced one. When batteries are stored, they start losing their charge; this is due to non current producing chemical reactions of the electrodes with the battery acid. A battery made in October 2015 will have a numeric code of 10 5 or an alphanumeric code of K 5. "A" is for January, "B" is for February, and so on (the letter "I" is skipped). Also low temperatures can lead to battery failure. If the battery is discharged to the point where it can't start the engine, the engine can be jump started via an external source of power. Once running, the engine can recharge the battery, if the alternator and charging system are undamaged. Corrosion at the battery terminals can prevent a car from starting due to electrical resistance, which can be prevented by the proper application of dielectric grease. Sulfation is when the electrodes become coated with a hard layer of lead sulfate, which weakens the battery. Sulfation can happen when battery is not fully charged and remains discharged. Sulfated batteries should be charged slowly to prevent damage. SLI batteries (starting, lighting, and ignition) are not designed for deep discharge, and their life is reduced when subjected to this. Starting batteries have plates designed for increased surface area and thus high instant current capability, whereas marine (hybrid) and deep cycle types will have thicker plates and more room at the bottom of the plates for spent plate material to gather before shorting the cell. Car batteries using lead antimony plates require regular topping up with pure water to replace water lost due to electrolysis and evaporation. By changing the alloying element to calcium, more recent designs have reduced the rate of water loss. Modern car batteries have reduced maintenance requirements, and may not provide caps for addition of water to the cells. Such batteries include extra electrolyte above the plates to allow for losses during the battery life. Some battery manufacturers include a built in hydrometer to show the state of charge of the battery. The primary wear out mechanism is the shedding of active material from the battery plates, which accumulates at the bottom of the cells and which may eventually short circuit the plates. This can be substantially reduced by enclosing one set of plates in plastic separator bags, made from a permeable material. This allows the electrolyte and ions to pass through but keeps the sludge build up from bridging the plates. The sludge largely consists of lead sulfate, which is produced at both electrodes.

Қоршаған ортаға әсері

Автомобиль аккумуляторларын қайта өңдеу жаңа аккумуляторларды өндіруге қажетті ресурстарды азайтады, қоқыс полигондарынан улы қорғасынды алып тастайды және дұрыс тасталмау қаупін болдырмайды. Қорғасын-қышқыл аккумуляторының зарядын ұстап тұруы тоқтағанда, ол пайдаланылған қорғасын-қышқыл аккумуляторы (ULAB) деп есептеледі және Базель конвенциясына сәйкес қауіпті қалдық ретінде жіктеледі. АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің мәліметінше, 12 вольтты автомобиль аккумуляторы әлемдегі ең көп қайта өңделетін өнім. АҚШ-та ғана жылына шамамен 100 миллион автомобиль аккумуляторы ауыстырылады, олардың 99 пайызы қайта өңдеуге тапсырылады. Дегенмен, қайта өңдеу реттелмеген жағдайда дұрыс жасалмауы мүмкін. Әлемдік қалдықтар саудасының бір бөлігі ретінде ULAB-тар дамыған елдерден дамушы елдерге бөлшектеу және құрамын алу үшін жіберіледі. Қорғасынның шамамен 97 пайызын қалпына келтіруге болады. Pure Earth бағалауынша, дамушы елдерде ULAB өңдеуден туындаған қорғасынмен ластанудан 12 миллионнан астам адам зардап шегеді.