Виды, устройство и принцип работы автомобильного аккумулятора

Классифицируем аккумуляторы для автомобиля и выясняем какой лучше выбрать в определенных условиях

Неопытный автолюбитель легко может запутаться в ассортименте современных аккумуляторных батарей. Значительно облегчить ситуацию можно классифицировав многообразие источников электроэнергии на три вида:

1. Традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы с жидким электролитом.
2. EFB (Enhanced Flooded Battery).
3. AGM (Absorbed Glass Material).

Традиционные «жидкие» батареи состоят из шести банок, в которых находятся свинцовые пластины и жидкий электролит. Дабы свинец не осыпался с пластин, их дополнительно упрочняют. В зависимости от упрочняющего материала источники энергии данного класса принято делить на несколько подвидов:

• малосурьмянистые (свинцово-сурмяные электроды);
• кальциевые (свинцово-кальциевые электроды);
• гибридные (электроды «+» – свинцово-сурмяные, «-» – свинцово-кальциевые).

Малосурьмянистые источники тока

Решая вопрос, как выбрать АКБ для автомобиля, следует иметь в виду, что малосурьмянистые батареи имеют маркировку Sb на этикетке. Данные изделия отлично противостоят глубоким разрядам. Модели принадлежат к классу обслуживаемых, поскольку имеют съемные крышки для доступа к банкам с электролитом. Вместе с тем, малосурьмянистые экземпляры требуют частого обслуживания и обладают такими недостатками:

• интенсивное испарение электролита;
• низкая устойчивость к саморазрядам;
• малый пусковой ток;
• малая емкость.

Кальциевые источники энергии

Кальциевые батареи относятся к классу необслуживаемых, поскольку в их конструкции не предусмотрен доступ к емкостям с электролитом. Крышки таких моделей наоборот имеют специальные лабиринтные каналы для сбора конденсата электролита. Это отнюдь не является минусом изделия, поскольку аккумуляторы данного вида склонны к минимальному испарению токопроводящей жидкости. К числу положительных характеристик кальциевых АКБ следует причислить:

• большую емкость;
• высокие пусковые токи;
• добавление серебра в структуру электродов;
• малый саморазряд при хранении.

Не лишены изделия данного класса и минусов. В частности они не переносят глубокие разряды. А 3-4 разряда приводят к потере емкости аккумулятора на 80 %. Не порадует автовладельцев KIA Rio и цена на батареи типа Ca/Ca.

Гибридные батареи

Изделия, таящие в маркировке словосочетание типа «Hybrid battery» или надпись в виде Sb/Ca, относятся к классу гибридных, имеющих усредненные электротехнические характеристики. Батареи малообслуживаемы и устойчивы к глубоким разрядам. Останавливаясь на выборе традиционных аккумуляторов для автомобиля и выясняя какой лучше из них выбрать специалисты рекомендуют отдать предпочтение именно гибридным источникам.

Батареи AGM

В изделиях типа Absorbed Glass Material электролит удерживается в микропористом стекловолокнистом материале, уложенном между пластинами. Свободный объем микропор служит для процесса замкнутой рекомбинации газов, благодаря которому водород и кислород удерживаются внутри конструкции. На таких моделях нередко можно заметить надпись Start-Stop. И не зря, ведь семейство AGM аккумуляторов часто встречается на автомобилях Jaguar F-Pace с системой Старт-Стоп и рекуперативным торможением. В наборе достоинств:

• высокий пусковой ток;
• устойчивость к глубоким циклическим разрядам;
• долговечность;
• возможность работать в любом положении.

EFB батареи

Enhanced Flooded Battery – модели с технологией влажного электрода. Электроды здесь покрыты пленкой из специального микроволокна. Это препятствует возможности осыпания материала с пластин, что, как и в случае с AGM, позволяет выдерживать глубокие циклические разряды. В отличие от Absorbed Glass Material, электролит здесь жидкий. Следует отметить, что батареи типа AGM и EFB в ближайшем будущем вытеснят традиционные изделия с жидким «электролитом». Пока ограничивающий фактор – слишком высокая цена на модели прогрессивного класса: они в 2-2,5 раза выше стоимости «традиционок».

Гибриды

Название говорит само за себя: гибридными считаются те батареи, в строение которых входят неодинаковые пластины, то есть выполненные из различных материалов. Стоит учесть, что положительно заряженные пластины включают в себя компоненты сурьмы (ее содержание в них не превышает 5%), в то время как отрицательно заряженные пластины имеют в составе кальциевые компоненты.

Новый, чуть ли не революционный метод изготовления аккумуляторных батарей смог привести к следующему:

• Во-первых, если сравнивать аккумуляторы с пониженным содержанием сурьмы, расход жидкости очевидно уменьшается.
• Во-вторых, батарея стала более устойчивой и выносливой к перепадам напряжения, даже в случаях интенсивной зарядки и тотальной разрядки.

Конечно, это вовсе не означает, что данные аккумуляторы можно считать полностью идеальными «без единого изъяна». Они не имеют никаких особых преимуществ над всеми вышеописанными устройствами. Но при этом по качеству характеристик их можно поставить прямо посередине этого ряда.

Литий-полимерные аккумуляторы

Основные характеристики автомобильных аккумуляторов

Обычно заводы–изготовители при маркировке продукции и в сопроводительной документации приводят следующий перечень характеристик АКБ:

• Ёмкость номинальная – характеризует ток, который АКБ будет отдавать в течение 20 часов разряда до напряжения не менее 10,5 В при температуре 25 оС. Например, аккумулятор ёмкостью 60 А·ч должен на указанных условиях отдавать ток не менее 3 А. Но зависимость здесь нелинейная: отдавать 60 А в течение часа аккумулятор не сможет;
• Ёмкость резервная – характеризует время разряда полностью заряженной АКБ током 25 А до напряжения не менее 10,5 В при температуре 25 оС. Резервная ёмкость составляет 1,63 от соответствующего показателя номинальной ёмкости, определённого экспериментальным путём;
• Ток холодной прокрутки – разрядный ток, который может выдать АКБ при температуре минус 18 оС в течение 10 секунд и напряжении не менее 7,5 В. Определяется экспериментально и зависит от стандарта проведения измерений;
• Полярность – конструктивное расположение клемм на крышке АКБ. Клеммы расположены ближе или дальше от большей стороны прямоугольника крышки. Если смотреть сверху от ближней стороны и плюсовая клемма расположена слева – полярность прямая;
• Размеры. Необходимо прочно закрепить аккумулятор на штатной площадке, и в этом смысле важна ширина: она не должна превышать ширину площадки (имеющую, как правило, ограничительные буртики). В отношении длины и высоты АКБ почти всегда существует запас по посадочным размерам.

Перечень характеристик АКБ приведенным списком не ограничивается: существуют ещё такие показатели, как внутреннее сопротивление, электродвижущая сила, степень зарядки и другие, но они представляют интерес скорее для специалистов.

Изделия российских производителей

Естественно, выпуском популярного типа аккумуляторов ААА занимаются и отечественные производители. Среди популярных моделей пользователи отмечают «Космос KOCR03» и «3убр Dynamic Pro AAA». Обе модели обладают предельной для этого форм-фактора емкостью – 1100 мАч, и предназначены они для использования в устройствах с высоким энергопотреблением. Стоимость приблизительно одинакова и составляет около 150 рублей. Количество циклов перезаряда – около 1000.

Аккумулятор Robiton AAA Micro (стоимостью 90-100 рублей) обладает несколько меньшей емкостью (900 мАч). Производитель позиционирует данное изделие как самое дешевое среди аналогов без эффекта памяти и с низким током саморазряда.

Аккумуляторы типа OGI, OSP

Батареи этого типа выпускаются практически всеми европейскими фирмами. Имеют намазные положительные электроды. Серии OGi и OSP незначительно отличаются конструкцией и материалом токоотвода (решетки). Кроме того, серия OSP обеспечена конвертацией положительных электродов, что снижает унос активной массы положительного электрода, тем самым, приближая срок службы к типу OPzS, имеющему панцирные положительные электроды. При этом электрические параметры остаются характерными для типа OGI.

Аккумуляторы этого типа, благодаря применению намазной технологии изготовления электродов, имеют минимальную трудоемкость в сравнении с OPzS и GrOE, соответственно, имеют и более низкую стоимость.

Электрические параметры наиболее высокие при коротких режимах разряда и толчковых нагрузках. При таких режимах разряда установленная емкость аккумуляторных батарей может быть ниже на 30% в сравнении с батареями других типов.

Рекомендуемая плотность электролита 1,24г/см3. При этом обеспечивается максимальный срок службы и оптимальные электрические параметры аккумуляторов этого типа.

Аккумуляторы типа OGi могут работать в диапазоне температур -30÷+50°С. Рекомендуемые температуры эксплуатации +10÷+30°С.

Оптимальной является температура 20÷5°С.

Режимы заряда

Оптимальным напряжением поддерживающего заряда при работе в буферном режиме, при температуре 20÷5°С является U = 2,23÷0,02 В/элемент.

Повторные заряды могут проводиться одним из следующих режимов:

1.  Без ограничения тока, напряжением 2.33-2,40 В/элемент в течение 12 часов.
2.  При напряжении 2,23 В/элемент в течение 50 часов при отключенной нагрузке.
3.  При максимальном токе 5А на каждые 100А/ч емкости батареи до достижения конечного напряжения заряда 2,60÷2,75 В/элемент.

Выбор режима заряда зависит от характеристик установленного зарядного агрегата.

Уравнительный заряд проводится после глубоких разрядов или при недостаточном повторном заряде, что определяется по сниженной плотности электролита. Режимы следующие:

1.  При напряжении 2,33-2,40 В/элемент до достижении и стабилизации плотности электролита на уровне нормативной в течение 2 часов.
2.  До достижения конечного напряжения 2,60-2,75 В/элемент и нормативной плотности электролита со стабилизацией в течении 2 часов при максимальном токе заряда 5 А на 100 А/ч емкости батареи.

При любом заряде не допускается повышение температуры электролита выше 45°С. При превышении указанной температуры делается перерыв в заряде или вдвое снижается его ток. Температурная корректировка напряжения поддерживающего заряда в диапазоне температур 10-30°С не требуется.

Виды аккумуляторов

Классификация АКБ по составу активного вещества

Свинцовые пластины, используемые в старых аккумуляторах перестали устраивать потребителей. Таким образом, возникала необходимость по улучшению качества работы АКБ. Сначала добавили сурьму к свинцу, что позволило заметно продлить срок эксплуатации батареи. На следующем этапе – уменьшили процентное содержания сурьмы до оптимальной концентрации. Такой подход привел к созданию малообслуживаемых аккумуляторов, характерной чертой которых является более редкий процесс долива воды.

При использовании металлического кальция для покрытия пластин появились кальциевые энергосберегающие источники. В предыдущих моделях потери воды из-за электролиза на 12 вольт нуждались в постоянном доливе, а кальций позволил повысить этот порог до 16 вольт. Так появилась возможность в производстве необслуживаемых аккумуляторов и использовать герметичный, неразборной корпус.

Виды АКБ

• Сурьмянистые батареи. Этот вид относится к классике из-за повышенного состава сурьмы, которая ускоряет процесс электролиза.
• АКБ со свинцом. В малосурьмянистых АКБ материалом для пластин служит свинец с небольшой примесью сурьмы. В них степень саморазряда значительно меньше, чем в сурьмянистых АКБ.
• Калициевые источники. При производстве кальциевых источников свинцовые пластины легированы до 0,1% кальцием. Они могут иметь различные заряды, как отрицательный, так и положительный.
• Гибридные источники энергии вытесняют кальциевые. При их производстве, две объединенные основные технологии имеют конструктивные отличия: одна, когда пластины формируются из сплава свинца и сурьмы, положительные электроды, а другая – когда пластины формируются из сплава свинца и кальция, отрицательные электроды.
• EFB является улучшенной жидкозаполненной батареей. Свинцовые пластины в ЕФБ аккумуляторах в два раза толще, чем у обычных, вследствие чего увеличивается их ёмкость. Каждая платина закрыта в пакет из специальной ткани, который наполнен жидким сернокислотным электролитом.
• В гелевых аккумуляторах применяется гелеобразный электролит. Суть такой технологии в том, что она позволяет снизить текучесть электролита, который содержит агрессивную серную кислоту.
• В литиевых АКБ используется жидкий электролит, представляющий собой раствор фторсодержащих солей лития в смеси эфиров угольной кислоты.
• AGM имеет отличительную особенность в электролите, где с помощью специальной технологии между пластинами вставляются стекловолоконные микропористые прокладки.
• Во всех щелочных батареях применяется растворенная в воде щёлочь.

Классификация батарей по типу электролита

Электролиты бывают кислотными и щелочными.

Щелочные растворы применяются в заправке аккумуляторных батарей. Щелочные аккумуляторные жидкости этот такие жидкости, которые проявляют большую активность по отношению к металлам и кислотам. При реакциях с кислотами образуются соль и вода. Растворы щелочей подвергаются гидролизу. Химические свойства позволяют использовать этот тип электропроводящей жидкости для накопления электрической энергии в аккумуляторе.

Кислотные смеси с дистиллированной водой применяются в основном в автомобильных аккумуляторах. Составы этого типа легко можно приобрести в специализированных магазинах либо, при желании, приготовить самостоятельно на дому. На заводе процесс изготовления таких смесей осуществляется в масштабном производстве по ГОСТу. В домашней обстановке его приготовление так же возможно при соблюдении обязательных пропорций и правил техники безопасности. Для этого нужно смешать кислоту с дистиллированной водой.

Критерии применения стационарных акб

Критерием применения стационарных аккумуляторных батарей является тяжесть последствий, вызванных нарушением подачи электроэнергии. Нетрудно представить последствия, когда не срабатывает система атомного реактора, пропадает освещение и отключаются приборы в операционной при проведении хирургической операции, обесточивается система посадки на аэродроме при заходе на посадку самолета в ночных условиях. Примеров подобных последствий можно привести множество, и всегда надежным гарантом энергообеспечения является стационарная аккумуляторная батарея.

Не менее важна роль стационарных аккумуляторов в энергетике, телекоммуникационных и компьютерных системах, где вопросы обеспечения надежности функционирования имеют первостепенное значение.

Литий-полимерные аккумуляторы

Литий-ионный полимерный аккумулятор, известный также как Li-Pol, LiPo, Li-polymer, представляет собой улучшенную версию стандартного литиевого аккумулятора и находит применение во многих видах техники. Электролитом здесь служит полимерный материал.

Такие типы литиевых аккумуляторов хороши тем, что обладают значительной энергетической плотностью на единицу объема и массы, пониженным саморазрядом, донельзя тонкими элементами (всего от 1 мм), возможностью гибкости, крайне несущественным перепадом напряжения в процессе разрядки, широким диапозоном температур, при которых устройство продолжит свою полноценную работу. И, ко всему прочему, LiPo не имеет эффекта памяти.

Хотя не стоит слепо полагать, что батареи такого плана на самом деле можно назвать полностью идеальными. Даже у Li-Pol есть свои изъяны. Один из самых существенных — опасность возгорания в случае перезарядки и избыточного потребления тепла. Недостатком представляется и сравнительно небольшое количество рабочих циклов — 800-900, а также старение аккумуляторов, даже если они лежат в стороне без надобности.

Наконец, даже сама зарядка весьма пагубно влияет на приспособление: если процесс зарядки уменьшает вместимость, то при глубоком заряде прибор можно смело отправлять в металлолом.

Щелочные

Исторически щелочные источники энергии появились позже кислотных аккумуляторов, вследствие этого некоторые недостатки, свойственные кислотным, не присутствуют у щелочных аккумуляторов. Более того, щелочные АКБ имеют преимущества над кислотными: они переносят перегрузки и короткие замыкания, хорошо работают при различных температурах и т.д. Во всех ЩА (почему они и называются щелочными) применяется растворенная в воде щёлочь.

Что же касается состава химически активной массы пластин, то он может быть различным. При их производстве применяют никель, кадмий, цинк, серебро или др. материалы. От вида использования соответствующих химических элементов в отрицательных пластинах (электродах) щелочные аккумуляторы подразделяются на: цинково-никелевые, кадмиево-никелевые, железо-никелевые, серебряно-цинковые и т.д.

В аккумуляторах щелочного типа количество пластин в положительных и отрицательных электродах не одинаково. В никель-кадмиевом аккумуляторе количество положительных пластин на одну больше количества отрицательных пластин. В щелочных аккумуляторах с никель-железными пластинами больше на одну отрицательную.

По конструкции электродов (пластин) кадмиево-никелевые и железо-никелевые аккумуляторы разделяются на ламельные и безламельные, по способу исполнения — на герметичные и негерметичные. Наиболее широкое распространение получили ламельные щелочные кадмиево-никелевые и железо-никелевые аккумуляторы, и те и другие схожи как по устройству, так и по действию.

Например, сосуды этих аккумуляторов производятся из никелированного железа при помощи сварки, состав активной массы плюсовых пластин и электролит одинаков. У железо-никелевых и кадмиево-никелевых различаются только отрицательные пластины, но не по устройству, а по составу активной массы. В процессе зарядки и разрядки плотность электролита не изменяется.

Активная масса щелочной батареи заключена в стальные перфорированные пакеты, или ламели, а ламели впрессованы в стальные стойки (рамку) пластин. Для лучшего контакта и электропроводности между активной массой и никелированной основой пластин в активную массу добавляют чешуйки графита или лепестки Никеля.

Номинальное напряжение одного аккумулятора составляет 1,25в. Большинство потребителей работают на напряжении 14-15в., поэтому аккумуляторы представляют из себя сборку. Характерная особенность щелочных АКБ – они не требуют разборки. При грамотной эксплуатации и уходе батареи могут использоваться до 10 лет.

Таблица 1 — Сравнительные характеристики четырех наиболее часто используемых типов аккумуляторных систем, с указанием усредненных параметров

1 Внутреннее сопротивление аккумуляторов зависит от величины миллиампер-часов (мАч), проводки и количества элементов. Контур защиты литий-ионных батарей добавляет около 100 mΩ

2 Типоразмер элемента 18650. Размер элемента и дизайн определяет внутреннее сопротивление.

3Жизненный цикл у батарей, проходящих регулярное техническое обслуживание.

4 Жизненный цикл зависит от величины разряда. Меньшая величина разряда повышает срок службы.

5Самая большая скорость саморазряда сразу после заряда. NiCd аккумулятор теряет 10% заряда в течение первых 24 часов, затем скорость потери заряда снижается до 10% за каждые 30 дней. Высокая температура увеличивает саморазряд.

6 Защитный контур, как правило, потребляет 3% от запасенной энергии в месяц.

7Чаще используется традиционное напряжение 1,25; 1,2 В.

8 Низкое внутреннее сопротивление уменьшает падение напряжения под нагрузкой и литий-ионные аккумуляторы часто имеют маркировку с большим значением, чем 3,6В/элемент. Элементы с маркировкой 3,7В и 3,8В полностью совместимы с 3,6В.

9Способен выдерживать большой импульс тока нагрузки, но нужно время для восстановления.

10Не заряжайте регулярно литий-ионные аккумуляторы при температуре ниже нуля.

11 Техническое обслуживание, такое как балансировка или подзарядка, для предотвращения сульфатации.

12 Для большинства типов литий-ионных систем отсечка происходит, если напряжение меньше чем 2,20В и больше чем 4,30В, другие значения напряжения применяются для литий-феррофосфатных аккумуляторов.

• Как хранить аккумуляторы?
• Переработка аккумуляторов и батареек
• Процессы в аккумуляторе отследили с помощью электронного микроскопа

По материалам batteryuniversity.com

(Просмотрели35 954 | Посмотрели сегодня 2 )

Гелевый или кислотный аккумулятор – какой лучше выбрать?

Плюсы гелевого аккумулятора:

• не вытекает и устойчив к вибрациям;
• безопасен;
• не деформируется из-за разложения кислоты;
• не боится высоких температур и полного разряда;
• ёмкость батареи максимально увеличена;
• гарантирован длительный срок эксплуатации;
• газовыделения отсутствуют;
• прекрасно функционирует во влажной среде;
• имеет доступную стоимость.

К минусам гелевых батарей следует отнести высокое внутреннее сопротивление, из-за которого сложно снять большие токи, а также аккумулятор нуждается в стабильном зарядном напряжении.

Тяговый гелевый аккумулятор Exide Equipment Gel 80А/ч

Преимущества кислотного аккумулятора:

• герметичная конструкция и наличие клапанной регулировки;
• при правильном использовании батарея не выделяет газов;
• устанавливать оборудование можно в любом положении;
• прекрасно функционирует при низких температурах;
• быстрое время зарядки и длительный срок службы.

К недостаткам относят чувствительность к перезарядке.

Исходя из характеристик АКБ, осуществляется приобретение нужной модели.

Литий-полимерные аккумуляторы

Литий-ионный полимерный аккумулятор, известный также как Li-Pol, LiPo, Li-polymer, представляет собой улучшенную версию стандартного литиевого аккумулятора и находит применение во многих видах техники. Электролитом здесь служит полимерный материал.

Такие типы литиевых аккумуляторов хороши тем, что обладают значительной энергетической плотностью на единицу объема и массы, пониженным саморазрядом, донельзя тонкими элементами (всего от 1 мм), возможностью гибкости, крайне несущественным перепадом напряжения в процессе разрядки, широким диапозоном температур, при которых устройство продолжит свою полноценную работу. И, ко всему прочему, LiPo не имеет эффекта памяти.

Хотя не стоит слепо полагать, что батареи такого плана на самом деле можно назвать полностью идеальными. Даже у Li-Pol есть свои изъяны. Один из самых существенных — опасность возгорания в случае перезарядки и избыточного потребления тепла. Недостатком представляется и сравнительно небольшое количество рабочих циклов — 800-900, а также старение аккумуляторов, даже если они лежат в стороне без надобности.

Наконец, даже сама зарядка весьма пагубно влияет на приспособление: если процесс зарядки уменьшает вместимость, то при глубоком заряде прибор можно смело отправлять в металлолом.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы

Гелевые аккумуляторы

Найдя практически идеальное решение по составу пластин аккумулятора, конструкторы батарей не собирались на этом останавливаться. Правда, теперь предметом их изысканий стал электролит – второй составляющий компонент любой аккумуляторной батареи. В новых АКБ жидкий электролит решено было заменить на гелеобразную массу. И результат не заставил себя ждать.

Во-первых, была практически полностью решена проблема текучести такой достаточно агрессивной жидкости, как электролит.

Во-вторых, плотная гелеобразная структура наполнителя препятствовала осыпанию пластин, что увеличивало срок их службы и, как следствие, время жизни всего аккумулятора.

И, в-третьих, гелевые батареи имели практически нулевой уровень саморазряда, что позволяло существенно увеличить срок их хранения без потери рабочих качеств.

Но на этом достоинства гелевых АКБ не заканчиваются. Одним из главных плюсов таких аккумуляторов стал высокий показатель пускового тока. Причём гелевые батареи могли выдавать его практически на любой стадии использования – даже будучи практически полностью разряженными. Кстати, для зарядки им требовалось куда меньше времени, чем «жидким» аналогам. Совокупность этих качеств сделала гелевые АКБ просто незаменимыми в ситуациях, когда автомобиль нужно было завести на морозе. Высокий пусковой ток позволял «раскрутить» двигатель даже с изрядно подмёрзшим маслом.

Правда, стоит сказать, что совсем уж экстремальный холод всё же негативно сказывался на свойствах геля. При температурах ниже -35 градусов он ещё больше густел, и этот фактор существенно снижал практически все показатели АКБ.

Боязнь низких температур открывает список недостатков гелевых аккумуляторов, которые, к сожалению, тоже имеют место быть. Также стоит упомянуть о том, что и очень высоких температур они тоже не любят. Значительный перегрев может привести к взрыву.

Ещё одним недостатком является чувствительность гелевых батарей к повышенному напряжению. Зарядка выше 14 вольт может полностью вывести АКБ из строя. То же можно сказать и о коротком замыкании – даже если аккумулятор с гелевым электролитом «закоротит» на одну-две секунды, можно считать, что дни его сочтены.

И, наконец, если до появления гелевых аккумуляторов самыми дорогими считались гибридные модели, то новые АКБ успешно сместили их с пьедестала. Высокая стоимость гелевых аккумуляторов позволяет использовать их только на автомобилях премиум-класса, а также внедорожниках и спецтехнике, которой приходится передвигаться по пересечённой местности. В последнем случае главную роль играет низкая текучесть геля и тот факт, что он не прольётся при любых наклонах автомобиля.