Устройство аккумуляторной батареи
Обычная автомобильная аккумуляторная батарея, как правило, состоит из шести 2-вольтовых элементов, что дает на выходе напряжение 12 В. Каждый элемент, в свою очередь, включает набор свинцовых решетчатых пластин, покрытых активным веществом и погруженных в сернокислотный электролит. Отрицательные пластины покрыты мелкопористым свинцом, а положительные - двуокисью свинца. Когда к аккумулятору подключают нагрузку, активное вещество вступает в химическую реакцию с электролитом, вырабатывая электрический ток. На пластинах при этом осаждается сульфат свинца, и электролит, соответственно, истощается. При зарядке эта реакция проходит в обратном направлении, и способность аккумулятора давать ток восстанавливается. Аккумулятор выполняет три функции: запускает двигатель, питает бортовые электрические устройства (при неработающем двигателе) и «помогает» генератору, когда тот не справляется с нагрузкой.
Аккумулятор обычно размещается в моторном отсеке (крайне редко в багажнике или в салоне). Однако, высокой температуры он не переносит. С целью снижения уровня шума производители все тщательнее закрывают любые отверстия в моторном отсеке, что, как правило, приводит к повышению температуры внутри него. Верхний предел рабочей температуры аккумуляторов — 100 о С, выше него электролит закипает. Однако, даже при приближении к этой температуре срок службы батарей все равно снижается в три-четыре раза. На сегодняшний день это, пожалуй, самая большая проблема для производителей аккумуляторов.
Стандартная свинцовая стартерная аккумуляторная батарея (АКБ) — вторичный источник электроэнергии. После глубокого разряда ее работоспособность можно восстановить пропусканием электрического тока в направлении, обратному тому, в котором протекал ток при разряде. Работает АКБ, превращая электрическую энергию в химическую при заряде и химическую энергию в электрическую при разряде. Назовем активные вещества свинцового аккумулятора, принимающие участие в токообразующем процессе:
· на положительном электроде — двуокись свинца темно-коричневого цвета;
· на отрицательном электроде — губчатый свинец серого цвета.
В токообразующем процессе принимает участие также электролит — водный раствор серной кислоты плотностью 1,28 г/см3. В процессе разряда активная масса как положительного, так и отрицательного электродов превращается в сульфат свинца (двойная сульфатация). При этом плотность электролита снижется к концу разряда до 1,08-1,10 г/см3.
Наиболее распространены автомобильные АКБ с номинальным напряжением 12 В и емкостью от 36 до 190 А-ч.
Виды аккумуляторов, доступных в России
У многочисленных свинцовых стартерных АКБ в зависимости от исполнения имеются свои конструктивно-технологические особенности, однако, в их устройстве много общего. Все они содержат разноименные электроды, разделенные сепараторами, помещенными в сосуд, заполненный электролитом. В зависимости от применяемых при производстве материалов и используемых конструктивных, технологических и эксплуатационных особенностей, современные батареи можно подразделить на два основных вида исполнения: классический и необслуживаемый.
Классические АКБ
В России батареи классического исполнения выпускают как в моноблоках с отдельными крышками, герметизируемыми битумной смазкой, так и в моноблоках с общей крышкой, герметизируемой контактно-тепловой сваркой. Аккумуляторные батареи с отдельными крышками имеют многоячеечный, как правило, эбонитовый корпус (или из другой кислотоупорной пластмассы), который разделен перегородками (16) на банки по числу аккумуляторов. Каждая банка содержит блок чередующихся положительных (5) и отрицательных (3) электродов с расположенными между ними сепараторами. Таким образом, каждый блок можно назвать отдельным аккумулятором, обеспечивающим на выводах электродов напряжение 2 В.
Ввиду того, что в процессе работы аккумулятора неизбежно образуется шлам в виде осадка, оседающего на дно моноблока, между дном и опорными призмами электродов (1) предусмотрен зазор. Аккумулятор выходит из строя, если все пространство под электродами будет заполнено шламом, и он замкнет разноименные электроды. Причина образования шлама заключается в оплывании частиц активной массы положительных электродов.
Электроды состоят из активной массы, удерживаемой на токоотводе решетчатой структуры. Роль сепараторов заключается в разделении друг от друга реагентов – участников электрохимических процессов, а также обеспечении диффузии электролита от одного электрода к другому. Для улучшения доступа электролита к активной массе положительного электрода сторона сепаратора, обращенная к нему, выполнена ребристой. Соседние аккумуляторы в батарее последовательно соединяет между собой наружный токоотвод, называемый борном (8). К выводным клеммам крайних аккумуляторов батареи приваривают полюсные выводы (9) и (14), через которые происходит связь батареи со всем электрооборудованием автомобиля. Выводы аккумуляторной батареи намеренно выполняют разного диаметра. Это гарантирует от ошибки при подключении аккумуляторной батареи в сеть, когда вместо отрицательного может быть подключен положительный вывод. Чтобы исключить случаи повреждения верхних кромок сепараторов при замерах уровня и плотности электролита в верхней части электродного блока монтируют защитный щиток (7).
Аккумулятор, устанавливаемый в камеру-ячейку моноблока, комплектуется специальной индивидуальной эбонитовой крышкой с двумя отверстиями, снабженными втулками для выводных борнов электродного блока. Для залива электролита и проведения технического обслуживания аккумулятора служит специальное резьбовое отверстие в крышке, закрываемое полиэтиленовой пробкой с вентиляционным отверстием для выхода газов. С целью герметичной укупорки новых сухозаряженных батарей пробка, закрывающая вентиляционное отверстие, имеет глухой прилив, удаляемый (срезаемый) перед началом эксплуатации аккумулятора.
Широкое распространение получили в последнее время аккумуляторные батареи с общей крышкой моноблока из сополимера пропилена с этиленом, устройство которых показано на рис. 2. Моноблок (1) включает электродные блоки, включающие разноименные электроды (2) и (3) и сепараторы (4). Блоки связаны между собой посредством укороченных межэлементных связей (6) через отверстия в перегородках (5) моноблока. Все 6 аккумуляторов накрыты единой крышкой (7). Благодаря параметрам термопластичной пластмассы и примененному методу контактно-тепловой сварки герметичность аккумуляторной батареи, как по периметру, так и между отдельными аккумуляторами сохраняется при температуре от – 50 до + 70 °С.
| Рис. 2 Аккумуляторная батарея с общей крышкой |
Необслуживаемые АКБ
Переход сурьмы, содержащейся в сплаве положительных токоотводов, (по мере их коррозии) через раствор на поверхность отрицательного электрода – главная «болезнь» традиционных свинцовых батарей. Появление этой «болезни» характеризуется бурным газовыделением, сопровождающимся «кипением» электролита вследствие электролитического разложения входящей в него воды в конце зарядного процесса и при небольшом перезаряде. Осаждение сурьмы снижает напряжение на электродах батареи, при котором вода разлагается на кислород и водород. В необслуживаемых аккумуляторных батареях используют сплавы для производства токоотводов с пониженным содержанием сурьмы или вовсе без нее. Кроме того, преимуществом батарей такого типа является и то, что один из электродов помещают в сепаратор-конверт из микропористого полиэтилена с низким электрическим сопротивлением.
В подобной конструкции батареи ввиду полного исключения замыкания электродов разной полярности опорные призмы устанавливать уже нет необходимости, блок электродов монтируют на дно моноблока, при этом габаритная высота батареи снижается. А та часть электролита, которая ранее не использовалась в работе батареи (она размещалась в шламовом отсеке моноблока), теперь находится выше электродов и пополняет запас, расходуемый в процессе эксплуатации. В США такие батареи начали выпускать, используя свинцово-кальциевый сплав (Са – 0,07 – 1,0 %; Sn – 0,1 – 1,2 %; остальное – Pb) в качестве материала для токоотводов, а также положительного и отрицательного электродов. В этих батареях газовыделение настолько уменьшилось, что позволило эксплуатировать их в течение как минимум двух лет без долива воды. Конструкторы лишили их отверстий для долива воды и назвали полностью необслуживаемыми. Саморазряд таких батарей замедлился более, чем в 6 раз, при этом проявились и серьезные недостатки. При нескольких глубоких разрядах такие батареи быстро теряли емкость, и это обстоятельство не позволило получить им достаточно заметного распространения в Европе и в России.
Позднее в США на рынок были выведены аккумуляторные батареи так называемой системы «кальций плюс» или гибридные. Они содержали до 1,5 – 1,8 % сурьмы и до 1,4 – 1,6 % кадмия в положительном токоотводе, при этом имели свинцово-кадмиевый отрицательный токоотвод. Подобные батареи имеют параметры по расходу воды и саморазряду в 2 раза выше, чем малосурьмяные, однако все же уступают свинцово-кальциевым. В Европе необслуживаемые батареи получили широкое распространение в начале 80 г.г. Это были батареи с содержанием сурьмы, сниженным до 2,5 – 3 процентов. Расход воды и саморазряд таких батарей выше, чем у батарей с кальциевыми токоотводами в 2 – 3 раза, и это послужило причиной дальнейшей работы над совершенствованием АКБ, в частности, разработке гибридных батарей. Конец 90-х годов – время появления в США и Европе батарей с токоотводами из свинцово-кальциевого сплава с добавкой новых легирующих компонентов (в том числе, серебра), не боящихся глубоких разрядов.
В нашей стране производят необслуживаемые батареи емкостью от 44 до 90 А-ч, токоотводы которых изготавливают из малосурьмяного сплава с содержанием сурьмы от 1,7 до 3 %. Эксплуатируя АКБ без отверстий для долива воды автовладельцы должны знать, что эти батареи являются очень чувствительными к техническому состоянию всей системы электрооборудования автомобиля. Генератор, регулятор напряжения, натяжение ремня привода генератора должны постоянно быть в норме. На долговечность АКБ влияет также наличие утечек тока в системе электрооборудования. Абсолютное большинство АКБ, поступающих на российский рынок из стран Европы, имеют гибридное исполнение, либо два токоотвода из свинцово-кальциевого сплава. Малосурьмяные сплавы с содержанием сурьмы от 1,6 до 1,8 % заводы-изготовители АКБ применяют для электродов обеих полярностей при производстве сухозаряженных батарей.