Автомобильный аккумулятор: принцип работы, типы и безопасность

Введение

Аккумуляторная батарея для запуска двигателя внутреннего сгорания автомобиля.

Автомобильный аккумулятор – это аккумуляторная батарея, используемая для запуска двигателя транспортного средства. Его основное назначение – обеспечивать электрическим током стартер, который, в свою очередь, запускает двигатель внутреннего сгорания, приводящий автомобиль в движение. После запуска двигателя питание электрических систем автомобиля продолжает обеспечиваться аккумулятором, при этом генератор поддерживает заряд аккумулятора в зависимости от текущей нагрузки.

Бензиновые и дизельные двигатели

Обычно запуск двигателя потребляет менее трех процентов емкости аккумулятора. По этой причине автомобильные аккумуляторы рассчитаны на выдачу максимального тока в течение короткого времени. Именно поэтому их часто называют "аккумуляторами SLI" – для запуска, освещения и зажигания. Аккумуляторы SLI не предназначены для глубокого разряда, и полный разряд может сократить срок их службы. Помимо запуска двигателя, аккумулятор SLI обеспечивает дополнительную мощность, необходимую, когда электрическая нагрузка автомобиля превышает возможности зарядной системы. Он также служит стабилизатором, сглаживая потенциально опасные скачки напряжения. Когда двигатель работает, основную часть энергии обеспечивает генератор, который включает в себя регулятор напряжения для поддержания выходного напряжения в диапазоне от 13,5 до 14,5 В. Современные аккумуляторы SLI – свинцово-кислотные, состоящие из шести последовательно соединенных элементов, обеспечивающих номинальное напряжение 12 В (в большинстве легковых автомобилей и легких грузовиков) или двенадцати элементов для 24-вольтной системы в тяжелых грузовиках или строительной технике, например. Взрывы газа могут происходить у отрицательного электрода, где может накапливаться водород из-за заблокированных вентиляционных отверстий аккумулятора или недостаточной вентиляции, в сочетании с источником воспламенения. Взрывы при запуске двигателя обычно связаны с коррозией или загрязнением клемм аккумулятора. Другие распространенные случаи происходят при работе с кабельными соединениями, при "прикуривании", как правило, из-за неправильной последовательности подключения – сначала к источнику зарядки, а не к разряженному аккумулятору, или подключения к кузову автомобиля, а не непосредственно к минусовой клемме, а также при проверке уровня электролита. Кроме того, электромобиль не имеет стартера, поэтому требует лишь ограниченного количества мощности и энергии от вспомогательного аккумулятора. В 2021 году Tesla представила литий-ионный вспомогательный аккумулятор емкостью всего 99 Вт⋅ч.

История

Ранние автомобили не имели аккумуляторов, поскольку их электрические системы были ограничены. Электрическая энергия для зажигания обеспечивалась магнито, двигатель запускался ручным стартером, фары работали на газе, а вместо электрического клаксона использовался колокольчик или горн. Автомобильные аккумуляторы стали широко использоваться примерно в 1920 году, когда автомобили начали оснащаться электрическими стартерами. Сегодня почти все дорожные транспортные средства имеют систему с отрицательным заземлением. Отрицательная клемма аккумулятора соединена с шасси автомобиля. Компания Hudson Motor Car Company первой начала использовать стандартизированные аккумуляторы в 1918 году, перейдя на аккумуляторы Battery Council International (BCI). BCI – это организация, устанавливающая размерные стандарты для аккумуляторов. Автомобили использовали 6-вольтовые электрические системы и аккумуляторы до середины 1950-х годов. Переход с 6 на 12 вольт произошел, когда более мощные двигатели с более высокой степенью сжатия требовали больше электрической энергии для запуска. Более компактные автомобили, которым требовалось меньше энергии для запуска, дольше оставались на 6 вольтах, например, Volkswagen Beetle в середине 1960-х годов и Citroën 2CV в 1970 году. Герметичный аккумулятор, не требующий долива электролита, был изобретен в 1971 году. В 1990-х годах был предложен стандарт 42-вольтовой электрической системы. Он предназначался для более мощных электроприборов и облегчения автомобильной проводки. Появление более эффективных двигателей, новых технологий проводки и цифрового управления, а также акцент на гибридных транспортных средствах, использующих высоковольтные стартер-генераторы, в значительной степени снизили потребность в переходе на другие основные напряжения в автомобилях. В 2023 году Tesla начала поставки своего Cybertruck, использующего 48-вольтовую электрическую систему, что позволило сократить количество проводки в автомобиле на 70%.

Дизайн

Автомобильный аккумулятор — пример аккумулятора с мокрыми ячейками, состоящего из шести ячеек. Каждая ячейка свинцово-кислотного аккумулятора состоит из чередующихся пластин, изготовленных из решетки свинцового сплава, заполненной губчатым свинцом (катод). Каждая ячейка заполнена раствором серной кислоты, являющимся электролитом. Изначально каждая ячейка имела заливную крышку, через которую можно было контролировать уровень электролита и добавлять воду. Заливная крышка имела небольшое вентиляционное отверстие, позволяющее выходить водороду, образующемуся при зарядке. Ячейки соединены короткими, массивными перемычками от положительных пластин одной ячейки к отрицательным пластинам соседней ячейки. Пара массивных клемм, покрытых свинцом для защиты от коррозии, установлена сверху или сбоку аккумулятора. В ранних автомобильных аккумуляторах использовались корпуса из твердой резины и деревянные сепараторы. Современные модели используют пластиковые корпуса и тканые листы для предотвращения контакта и короткого замыкания пластин. Ранее автомобильные аккумуляторы требовали регулярной проверки и обслуживания для замены воды, которая разлагалась в процессе эксплуатации. Аккумуляторы с низким (иногда называемые "без обслуживания") уровнем обслуживания используют другой сплав для пластин, что снижает количество воды, разлагаемой при зарядке. Современный аккумулятор может не требовать добавления воды в течение всего срока службы; некоторые типы вообще не имеют отдельных заливных крышек для каждой ячейки. Недостатком этих аккумуляторов является их чувствительность к глубокому разряду, например, при полной разрядке аккумулятора автомобиля из-за оставленных включенными фар. Это приводит к образованию на электродах из свинцовых пластин отложений сульфата свинца, что может сократить срок службы аккумулятора на треть и более. Аккумуляторы VRLA (Valve Regulated Lead-Acid), также известные как AGM (Absorbent Glass Mat) аккумуляторы, более устойчивы к глубокому разряду, но более дорогие. В аккумуляторах VRLA добавление воды в ячейки не предусмотрено. Каждая ячейка оснащена автоматическим предохранительным клапаном для защиты корпуса от разрыва при сильной перезарядке или внутренней неисправности. Аккумулятор VRLA не может вылить электролит, что делает его особенно полезным в таких транспортных средствах, как мотоциклы. Аккумуляторы обычно состоят из шести гальванических элементов, соединенных последовательно. Каждая ячейка обеспечивает 2,1 вольта, в сумме давая 12,6 вольта при полной зарядке. При разряде на отрицательном (свинцовом) электроде химическая реакция высвобождает электроны во внешнюю цепь, а на положительном (оксид свинца) электроде другая химическая реакция поглощает электроны из внешней цепи. Это приводит к прохождению электронов через внешний проводник (электрический проводник) для создания электрического тока. По мере разряда кислота электролита реагирует с материалом пластин, изменяя их поверхность до сульфата свинца. При зарядке химическая реакция обратима: сульфат свинца восстанавливается до диоксида свинца. После восстановления пластин до первоначального состояния процесс можно повторить. Некоторые транспортные средства используют другие типы стартерных аккумуляторов. Для снижения веса в Porsche 911 GT3 RS 2010 года выпуска опционально устанавливался литий-ионный аккумулятор; начиная с 2018 года, все обычные гибриды Kia Niro также оснащаются таким аккумулятором. В тяжелых транспортных средствах могут быть установлены две батареи, соединенные последовательно для системы 24 В, или последовательно-параллельные группы батарей, обеспечивающие 24 В.

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.

Физический формат

Батареи группируются по физическому размеру, типу, расположению выводов и способу монтажа. Важно не путать показатели CCA с показателями CA/MCA или HCA, поскольку последние всегда выше из-за более высокой температуры. Например, батарея с показателем 250 CCA обеспечит большую пусковую мощность, чем батарея с показателем 250 CA (или MCA), и, аналогично, батарея с показателем 250 CA обеспечит большую мощность, чем батарея с показателем 250 HCA. Пусковой ток (CA): количество тока, которое батарея может отдать при, опять же, в течение 30 секунд при напряжении, равном или превышающем 7,2 вольт. Морской пусковой ток (MCA): как и CA, количество тока, которое батарея может отдать при, и часто указывается на батареях для лодок (отсюда и название "морской") и газонокосилок/садовых тракторов, которые реже эксплуатируются в условиях образования льда. Горячий пусковой ток (HCA) – это количество тока, которое батарея может отдать при данной температуре. Номинальное значение определяется как ток, который свинцово-кислотная батарея может отдать при этой температуре в течение 30 секунд, поддерживая напряжение не менее 1,2 вольт на элемент (7,2 вольт для 12-вольтовой батареи).

Размер группы

Размер группы, установленный Battery Council International (BCI), определяет физические габариты аккумулятора, включая длину, ширину и высоту. Эти группы стандартизированы данной организацией.

Коды дат

В Соединенных Штатах на батареях есть коды, помогающие потребителям приобрести недавно выпущенную батарею. При хранении батареи начинают терять заряд из-за нетокопроводящих химических реакций электродов с кислотой батареи. Батарея, произведенная в октябре 2015 года, будет иметь цифровой код 10 5 или буквенно-цифровой код K 5. "A" обозначает январь, "B" – февраль и так далее (буква "I" пропускается). Низкие температуры также могут привести к выходу батареи из строя. Если батарея разряжена настолько, что не может запустить двигатель, его можно запустить от внешнего источника питания. После запуска двигатель может заряжать батарею, если генератор и система зарядки не повреждены. Коррозия на клеммах батареи может препятствовать запуску автомобиля из-за электрического сопротивления, что можно предотвратить правильным нанесением диэлектрической смазки. Сульфатация – это процесс, при котором электроды покрываются твердым слоем сульфата свинца, что ослабляет батарею. Сульфатация происходит, когда батарея не полностью заряжена и остается в разряженном состоянии. Сульфатированные батареи следует заряжать медленно, чтобы избежать повреждений. Аккумуляторы SLI (для запуска, освещения и зажигания) не предназначены для глубокого разряда, и их срок службы сокращается при таком использовании. Стартерные батареи имеют пластины, разработанные для увеличения площади поверхности и, следовательно, обеспечения высокого пускового тока, в то время как морские (гибридные) и тяговые аккумуляторы имеют более толстые пластины и больше места в нижней части пластин для сбора отработанного материала перед замыканием ячейки. Автомобильные аккумуляторы со свинцово-сурьмянистыми пластинами требуют регулярного долива дистиллированной воды для восполнения потерь, вызванных электролизом и испарением. В более современных конструкциях, где в качестве легирующего элемента используется кальций, скорость потери воды снижена. Современные автомобильные аккумуляторы требуют меньше обслуживания и могут не иметь крышек для добавления воды в ячейки. Такие батареи содержат дополнительный электролит над пластинами для компенсации потерь в течение срока службы. Некоторые производители аккумуляторов встраивают гидрометр для отображения состояния заряда батареи. Основной механизм износа – это осыпание активного материала с пластин батареи, который накапливается на дне ячеек и может в конечном итоге вызвать короткое замыкание пластин. Это можно значительно уменьшить, поместив один набор пластин в пластиковые разделительные пакеты из проницаемого материала. Это позволяет электролиту и ионам проходить сквозь них, но предотвращает образование осадка, соединяющего пластины. Осадок в основном состоит из сульфата свинца, который образуется на обоих электродах.

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.

Влияние на окружающую среду

Переработка автомобильных аккумуляторов снижает потребность в ресурсах, необходимых для производства новых аккумуляторов, предотвращает попадание токсичного свинца на свалки и исключает риск неправильной утилизации. Как только свинцово-кислотный аккумулятор перестает держать заряд, он считается отработанным свинцово-кислотным аккумулятором (ULAB), который классифицируется как опасные отходы в соответствии с Базельской конвенцией. По данным Агентства по охране окружающей среды США, 12-вольтный автомобильный аккумулятор является самым перерабатываемым продуктом в мире. Только в США ежегодно заменяется около 100 миллионов автомобильных аккумуляторов, и 99 процентов из них сдаются на переработку. Однако переработка может осуществляться неправильно в нерегулируемых условиях. В рамках международной торговли отходами ULAB экспортируются из промышленно развитых стран в развивающиеся страны для разборки и извлечения ценных материалов. Около 97 процентов свинца может быть восстановлено. По оценкам организации Pure Earth, более 12 миллионов человек в развивающихся странах подвержены воздействию загрязнения свинцом из-за переработки ULAB.