Аккумулятор - химический источник тока, в котором энергия химической реакции многократно преобразуется в электрическую и наоборот. Таким образом, аккумулятор, имея возможность преобразовывать химическую энергию в электрическую, способен запасать ее и хранить в течение длительного времени. Заряжаясь, аккумулятор накапливает электрическую энергию, разряжаясь, отдает ее потребителю.

Первый аккумулятор (прототип современного свинцово-кислотного) был создан в 1860 г. Гастоном Планте и представлял собой две свинцовые полосы, разделенные пористым изолятором и помещенные в раствор серной кислоты. Выполненный по такой схеме единичный аккумуляторный элемент способен обеспечивать напряжение на выходе около 2 вольт. Емкость такого аккумулятора была невелика, и рабочие характеристики достигались только после многократных зарядно-разрядных циклов. Аккумулятор, аналогичный по своей конструкции современному, был создан в 1881г. Пластины в нем представляли собой пакеты свинцовых решеток с запрессованной в них активной массой - пастой двуокиси свинца. Точно также и в современном свинцово-кислотном аккумуляторе активными веществами являются свинец и двуокись свинца, а электролитом - водный раствор серной кислоты.

Стандартная современная 12-вольтовая автомобильная аккумуляторная батарея выполнена из шести последовательно соединенных между собой блоков разноименно заряженных пластин, каждый из которых и представляет собой простейший аккумулятор с выходным напряжением около 2 вольт. Положительно заряженная пластина (электрод) представляет собой свинцовую решетку с активной массой из двуокиси свинца (PbO₂), а электрод со знаком минус - решетку с активной массой из губчатого свинца (Pb). Полублоки разноименно заряженных пластин вставляются друг в друга. Во избежание возникновения короткого замыкания между пластинами, их разделяют пористыми сепараторами из изоляционного материала. Собранные блоки помещаются в корпус и заливаются электролитом (раствором серной кислоты плотностью 1.27-1.29 г/см³). Полюса (баретки) крайних элементов соединяются с расположенными снаружи корпуса контактными выводами - борнами.

Если к аккумулятору подключить нагрузку, то свинцовые пластины с активной массой, электролит и нагрузка образуют замкнутую цепь. Внутри аккумулятора начинается химическая реакция, в результате которой активная масса обоих электродов начнет менять первоначальный состав, преобразуясь из губчатого свинца и его двуокиси в сернокислый свинец (сульфат свинца PbSO₄), а плотность электролита начинает падать. В итоге, в цепи образуется направленное движение ионов, и течет электрический ток. Такой процесс представляет собой разряд аккумулятора. При подключении к аккумулятору внешнего источника тока начинается обратный процесс - заряд. При заряде активная масса пластин восстанавливает свой первоначальный состав, плотность электролита растет. Эти химические процессы можно описать следующими уравнениями:

- на положительной пластине: PbO₂ + H₂SO₄ = PbSO₄ + H₂O + 2e;

- на отрицательной пластине: Pb + H₂SO₄ = PbSO₄ + H₂ - 2e.

Из всего вышесказанного следует, что количество запасаемой аккумулятором энергии (емкость) определяется объемом активной массы и электролита.

Поскольку автомобильная 12-вольтовая аккумуляторная батарея состоит из шести аккумуляторных элементов, соединенных в батарею последовательно, то по сути устройство, в повседневном обиходе просто называемое «аккумулятор», на самом деле является батареей из нескольких аккумуляторов.

Впервые серийно аккумуляторные батареи стали устанавливать на автомобили Cadillac в 1912 г. На первых автомобилях аккумуляторные батареи были снимаемые, т.к. из-за отсутствия бортового генератора после разряда их приходилась подзаряжать от внешнего источника тока.

В автомобиле аккумуляторная батарея выполняет три функции: во-первых, запускает двигатель, во-вторых, питает бортовые электрические устройства в то время, когда двигатель не работает, и, наконец, при работающем двигателе помогает генератору, когда тот не справляется с нагрузкой в бортовой электрической сети.

Конструкция аккумуляторной батареи

Современная аккумуляторная батарея состоит из следующих основных частей:

• моноблок (корпус), служащий резервуаром для электролита;
• крышка;
• пластины;
• сепараторы;
• соединительные выводы.

Первоначально корпус (моноблок) аккумуляторной батареи был деревянным, выложенным внутри листовым свинцом, затем - эбонитовым. Первые корпуса аккумуляторных батарей из синтетических материалов появились в 1941г. (их начала производить австрийская фирма BAREN), а полипропилен для изготовления корпусов начала использовать американская фирма Johnson Controls. В настоящее время все современные аккумуляторные батареи имеют полипропиленовые корпуса, исключение составляют устаревшие модели, в основном производимые в России с моноблоками из эбонита. Эбонитовый корпус не имеет ни одного бесспорного достоинства, но ему присущи два крупных недостатка: большая масса и нетехнологичность производства. Внутри моноблок любой аккумуляторной батареи разделен на ячейки (три или шесть, в зависимости от напряжения батареи- 6 В либо 12 В) для отдельных блоков пластин.

Крышка корпуса закрывает межэлементные соединения батареи и плотно прикрепляется (приваривается) к моноблоку. В обслуживаемых и малообслуживаемых батареях в крышке могут располагаться индикатор уровня плотности электролита (косвенно свидетельствующий о степени заряженности того аккумулятора, в банке которого индикатор установлен) и отверстия для контроля уровня и доливки электролита, закрываемые пробками. Для того, чтобы избежать повышения давления внутри закрытого корпуса (т.к. в процессе заряда аккумулятора происходит электролиз находящейся в электролите воды, при этом на положительной пластине выделяется кислород, а на отрицательной - водород) в крышке (или в пробках) выполнены специальные газоотводные каналы. В современных батареях газоотводные каналы имеют форму лабиринта, позволяющего задержать внутри корпуса капли электролита, уносимые газом, и возвратить их в электролит. Тем самым с одной стороны устраняется выход во внешнюю среду вредных кислотных испарений, а с другой - предотвращается потеря электролита. В батареях устаревших конструкций (например, с эбонитовыми корпусами) общая крышка отсутствует, ее роль выполняет мастика, которой заливаются межэлементные перемычки.

Пластины аккумулятора обеспечивают протекание основных электрохимических процессов работы батареи. Пластины аккумулятора представляют собой свинцовые решетки с нанесенной на них активной массой. Изначально активная масса решетки представляет собой порошок из мелко размолотого свинца с добавлением легирующих материалов, придающих пластинам необходимые технологичные свойства. Раньше в качестве основного легирующего материала применялась сурьма, сейчас используются сложные сплавы, рецепты которых ведущие мировые производители держат в секрете. В процессе формировки, представляющем собой многократный цикл заряда-разряда, активная масса пластин приобретает кристаллическую структуру, необходимую для правильного функционирования аккумулятора (активная масса положительной пластины преобразуется в PbO₂, отрицательной - в Pb). Химическая реакция между активной массой и электролитом происходит на поверхности частиц активной массы, поэтому ее делают пористой, чтобы материал хорошо пропитывался электролитом, и в реакции участвовал его максимальный объем. Кроме того, большинство фирм-производителей батарей разрабатывают свою рецептуру легирующих примесей, позволяющих улучшить характеристики пластин. Состав таких примесей и рецептуры результирующих сплавов в значительной степени определяют, насколько надежно и долговечно будет работать аккумулятор.

Для предотвращения короткого замыкания между разноименно заряженными пластинами между ними располагается изолятор - диэлектрическая прослойка, называемая «сепаратор». На первых аккумуляторах сепаратор представлял собой тонкий лист шпона, позже шпон заменили стекловолокно и микропористый эбонит (мипор). Современные сепараторы изготавливают из микропористой пластмассы (мипласта). В современных батареях сепаратор выполнен в виде конверта, надетого на положительные пластины. Это позволяет повысить надежность аккумуляторных батарей, так как в этом случае оплывающая в процессе длительной работы батареи с положительных пластин активная масса («шлам») остается внутри конверта, а не оседает на дно корпуса и не достигает отрицательных пластин (в результате чего происходит короткое замыкание). Кроме того, конверт-сепаратор дает возможность устанавливать пластины прямо на дно моноблока, что позволяет увеличить объем эффективно используемого электролита при тех же габаритах батареи. В батареях без конверта-сепаратора во избежание короткого замыкания между пластинами блоки пластин устанавливаются на специальные ребра на дне моноблока, в результате чего создается так называемое «шламовое пространство». Это увеличивает габариты батареи и снижает ее надежность. Появление конверта-сепаратора наряду с изменением рецептуры сплава решеток пластин позволило создать мало- и необслуживаемые батареи.

Соединительные выводы

Элементы батареи соединяются между собой последовательно с помощью межэлементных соединений (МЭС). Существуют два основных типа МЭС:

• традиционные МЭС, при которых элементы соединяются между собой поверх крышки аккумуляторных батарей. В настоящее время этот вид МЭС применяется в некоторых отечественных батареях и батареях для тяжелых грузовиков (исполнение Heavy Duty);
• МЭС, при которых соединение бареток проходит через стенки секций посредством контактной сварки.

Борны (выходящие наружу корпуса электрические контакты) батарей изготавливаются из свинца и имеют стандартизованные размеры. Расположение, тип и размер выводов следуют из применяемости батарей и указываются в каталогах. Также из каталога аккумуляторных батарей можно узнать размер моноблока и тип фланца крепления моноблока к корпусу автомобиля.

Ряд автомобилей требуют специфического типа моноблока (японские автомобили, некоторые модели BMW) или специфических выводов (японские автомобили с тонкими клеммами и автомобили Ford прежних моделей). Обозначение батареи в каталоге, соответствующее данной модели автомобиля, однозначно указывает на наличие или отсутствие вышеуказанных специфических особенностей.

Основные типы конструкций аккумуляторных батарей

В зависимости от конструктивных особенностей аккумуляторные батареи можно разделить на три типа:

• обслуживаемые;
• малообслуживаемые;
• полностью необслуживаемые.

Обслуживаемые аккумуляторные батареи

Обслуживаемые аккумуляторные батареи требуют постоянного контроля уровня электролита и его плотности. Это происходит из-за того, что при изготовлении пластин для повышения прочности их материала и улучшения его литьевых свойств в свинец добавляется сурьма (свыше 4,5%). Это приводит к тому, что разложение электролита (с одновременной потерей воды) происходит при невысоких (14,3-14,4 В) напряжениях. Для компенсации расхода воды ее приходится периодически доливать через отверстия, закрытые пробками. Если же момент резкого снижения уровня электролита упущен, то начнется необратимая сульфатация свинца, и, как следствие, разрушение активной массы пластин.

Величина порогового напряжения, при котором электролит начинает кипеть (терять воду), напрямую связана с составом материала пластин: чем больше сурьмы в материале пластин, тем ниже напряжение газовыделения. Однако, чистый свинец не может быть использован в качестве материала пластин по технологическим причинам. Поэтому фирмы-производители применяют легирующие примеси, которые, не снижая напряжения газовыделения, придают материалу решеток необходимую прочность.

Малообслуживаемые аккумуляторные батареи

В 1969 г. американская фирма AC Delco создала батарею, в которой место сурьмы в материале решеток занял кальций. Применение кальция позволило снизить газовыделение в 10 раз. Кроме того, применение конверт-сепараторов позволило создать над пластинами больший резервный запас электролита. В результате при пониженном расходе воды выкипание увеличенного объема электролита оказалось сравнимо по времени с естественным выходом батареи из строя вследствие коррозионного разрушения решеток. Это был первый прототип так называемого необслуживаемого аккумулятора.

Параллельно с этим ведущие фирмы-производители добились уменьшения доли сурьмы в свинце пластин до уровня менее 2,5-3%, что приблизило их по потреблению воды к кальциевым. Ряд фирм (например, Varta) легируют решетки серебряным сплавом, некоторые фирмы - редкоземельными металлами. Сниженная потребность в регламентном обслуживании позволяет отнести эти батареи к малообслуживаемым.

В настоящее время подавляющее большинство производимых батарей имеют малообслуживаемую конструкцию. Исключение составляет устаревшая продукция отечественных и ряда китайских производителей, представляющая собой традиционные разборные батареи, требующие большого объема регламентных работ. Немногими достоинствами такой конструкции батарей является возможность замены вышедшего из строя элемента батареи.

В торговую сеть фирмы-производители поставляют аккумуляторные батареи как залитыми на заводе электролитом (т.е. полностью готовыми к работе), так и в так называемом сухозаряженном исполнении. У сухозаряженного аккумулятора пластины элементов полностью готовы к работе, т.е. в процессе формировки батареи им приданы свойства, необходимые для дальнейшего функционирования. Для начала эксплуатации батареи ее необходимо залить электролитом заданной плотности до необходимого уровня и дозарядить. Преимуществом сухозаряженной батареи является возможность хранения ее в течение двух лет без потери функциональных свойств и три года при условии дозарядки после заливки электролита.

Малообслуживаемые аккумуляторные батареи обладают как ярко выраженными достоинствами, так и недостатками. К достоинствам можно отнести малое потребление воды, высокую коррозионную стойкость пластин и малый саморазряд. Недостатком является необратимое образование сульфата кальция при перезарядах (сопряженных с выкипанием электролита) и глубоких разрядах. Для уменьшения последнего явления некоторые производители изготавливают батареи комбинированной конструкции: отрицательные пластины выполняются из кальциевого сплава свинца, положительные - из малосурьмянистого (как у старых обслуживаемых батарей). Подавляющее большинство аккумуляторов, изготавливаемых отечественными заводами, являются малообслуживаемыми. В Европе, как и во всем мире, малообслуживаемые аккумуляторы вытесняются необслуживаемыми.

Необслуживаемые аккумуляторные батареи

По стандартам DIN «необслуживаемость» аккумуляторной батареи подразумевает расход воды меньше 6 г/А*час. На практике к необслуживаемым батареям относят такие, в конструкции которых применен комплекс решений, направленных на достижение крайне низкого темпа расхода воды. В результате чего предполагается, что срок выкипания критичного для работоспособности батареи объема электролита превышает срок службы батареи до ее естественного выхода из строя вследствие естественного коррозионного разрушения решеток.

Доля сурьмы в свинце пластин необслуживаемых батарей составляет менее 2,5%.

Ниже приведена сравнительная диаграмма снижения напряжения холостого хода у аккумуляторных батарей различной конструкции в процессе их хранения без подзарядки:

• Antomin 2,3-4: аккумуляторные батареи с 2,3-4% содержанием сурьмы в материале пластин;
• Hybrid: аккумуляторные батареи комбинированной (гибридной) конструкции, у которых отрицательные пластины выполнены из кальциевого сплава свинца, положительные - из малосурьмянистого;
• Ca/Ca: необслуживаемые аккумуляторные батареи, у которых пластины изготовлены из сплавов свинца, легированного кальцием;
• PbCa/Silver: необслуживаемые аккумуляторные батареи, у которых пластины изготовлены из сложных свинцово-кальциевых сплавов с добавлением серебра (технология Varta).

Параметры аккумуляторных батарей

Аккумулятор обладает 100% эффективностью при 27^oС. При минус 18^oС эффективность батареи падает на 40%. Поэтому в условиях холодного климата значениям рабочих параметров придается особенное значение. Наиболее важными параметрами батареи, напрямую влияющими на потребительский выбор, являются:

• Номинальная емкость - количество электричества, которое можно получить от аккумулятора при его разряде до установленного конечного напряжения, выраженное в ампер-часах.
• Ток холодного запуска - величина силы тока (в амперах), подаваемого батареей на стартер автомобиля во время запуска холодного двигателя.

В разных странах существуют различные стандарты измерений тока холодного запуска. Например, по принятому в США стандарту SAE ток холодного запуска численно равен величине тока в амперах, которым батарея может разряжаться в течение 30 секунд при температуре минус 18^oС, при этом напряжение на клеммах не должно опускаться ниже 7,2В. По германскому стандарту DIN ток холодного запуска численно равен величине тока в амперах, которым батарея может разряжаться в течение 30 секунд при температуре минус 18^oС, при этом напряжение на клеммах не должно опускаться ниже 9 В. Европейский стандарт EN предполагает более сложную методику определения величины тока холодного запуска.

• На батареях, производимых в США или изготовленных для продажи на рынке США, может быть указана резервная емкость - параметр, аналогичный по значению номинальной емкости. Этот параметр может быть переведен в номинальную емкость (в ампер*часах) по следующей формуле:

C^AH = √17778 + 208,3*C^RC-133,3

где:

C^AH - емкость в Ампер*часах;

С^RC - емкость в резервных минутах.

При выборе типа батареи следует строго следовать данным, указанным производителем автомобиля. В жестких холодных климатических условиях допускается применение батареи емкостью, превышающей рекомендованную на 20%.

Маркировка аккумуляторных батарей

На аккумуляторные батареи наносятся обозначения, позволяющие однозначно определить их основные параметры: емкость, ток холодного запуска, тип корпуса. Обозначения даты и/или места производства являются не обязательными, поэтому не стандартизированы.

Маркировку можно разделить (применительно к нашим условиям) на две большие группы:

• маркировка согласно ГОСТ;
• маркировка согласно DIN.

Например, по стандарту ГОСТ маркировка батареи 6СТ-55ПМА несет следующую информацию:

6 - количество элементов (напряжением 2В) в батарее;
СТ - назначение батареи (стартерная);
55 - номинальная емкость в ампер*часах;
П - материал моноблока (сополимер полиэтилена с полипропиленом);
М - материал сепаратора (мипласт);
А - общая крышка;
З - выпускается в залитом и заряженном виде.

По стандарту DIN маркировка 5 74 012 068 несет следующую информацию:

5 - цифра, показывающая «порядок» значения емкости;
(5 - до 100 А*час, 6 - от 100 до 200 А*час, 7 - свыше 200 А*час);
74 - емкость 74 А*час;
012 - заводское обозначение типа корпуса, из которого следуют габариты корпуса, тип крепления, расположение выводов;
068 - ток пуска 680 А по стандарту EN.

Ряд зарубежных производителей батарей маркируют свои батареи специфическим образом, указывая в маркировке не емкость, а значение тока холодного запуска, которому по каталогу можно сопоставить величину номинальной емкости. Своеобразно маркируются также батареи, производимые в США или изготовленные для продажи на рынке США.

Дополнительный код, собственный для каждого производителя, позволяет узнать место и дату производства батареи.

Правила эксплуатации

Меры безопасности

1.    Не допускается замыкание полюсов аккумуляторной батареи.

2.    Не допускается эксплуатация аккумуляторной батареи с плохими (окислившимися) контактами между выводами аккумуляторной батареи и клеммами проводов.

3.    В помещениях, где ведется заряд аккумуляторной батареи, запрещается курить и пользоваться открытым пламенем.

4.    При работе с кислотой и осмотре заряжающейся аккумуляторной батареи глаза должны быть защищены очками.

5.    После любой работы с аккумуляторной батареей или кислотой необходимо вымыть руки с мылом.

6.    Работая с кислотой, необходимо надеть резиновые перчатки, фартук и сапоги.

7.    При разбавлении кислоты необходимо лить кислоту в воду, а не наоборот.

8.    Для хранения кислоты или приготовления электролита пользоваться только кислотостойкой посудой, поставленной в поддон.

9.    При попадании кислоты на кожу или одежду немедленно промыть это место проточной водой, затем раствором соды, после чего обратиться к врачу.

Залитую аккумуляторную батарею хранить в местах, недоступных для детей.

Присоединение и отсоединение батареи от бортовой сети автомобиля производить при отключенных потребителях. Сначала присоединить вывод, соединен­ный с бортовой сетью автомобиля, а затем - соединенный с ее массой. Отсоединение производить в обратном порядке.

Батарея должна быть надежно закреплена в штатном гнезде автомобиля, соединительные клеммы плотно зажаты на полюсных выводах, а сами провода прослаблены.

Подготовка новой аккумуляторной батареи к эксплуатации

1.    Перед началом эксплуатации аккумуляторной батареи следует полностью удалить с нее упаковочный материал.

2.    Температура аккумуляторной батареи и электролита при приведении в рабочее состояние должна быть +25±5°С.

3.    При приведении в действие сухозаряженной аккумуляторной батареи необходимо:

o    выкрутить пробки и, если это предусмотрено конструкцией, срезать выступы или иным способом разгерметизировать вентиляционные отверстия;

o    залить в аккумуляторную батарею электролит так, чтобы его уровень был на 10-15 мм выше предохранительного щитка и завернуть пробки;

o    если через 2 часа плотность электролита понизилась не более чем на 0.03 г/см³, то аккумуляторная батарея готова к установке на автомобиль; в случае понижения плотности на большую величину аккумуляторную батарею нужно дозарядить.

4.    Ориентировочно степень заряженности аккумуляторной батареи может быть определена по напряжению без нагрузки (см. табл.1).

Таблица 1

Зарядка аккумуляторной батареи

1.    Зарядка аккумуляторной батареи должна производиться в специально оборудованном для этих целей хорошо вентилируемом нежилом помещении с соблюдением правил противопожарной безопасности.

2.    Перед началом зарядки аккумуляторной батареи из нее следует выкрутить все пробки (при их наличии).

3.    Зарядка аккумуляторной батареи должна осуществляться зарядным устройством заводского изготовления в соответствии с инструкцией к этому зарядному устройству.

4.    Температура аккумуляторной батареи перед зарядом должна быть в пределах от +15°С до +25°С. Если определить температуру невозможно, а аккумуляторная батарея хранилась при более низкой температуре, то перед включением на заряд необходимо выдержать ее при комнатной температуре не менее 10 часов.

5.    Для заряда положительную клемму аккумуляторной батареи следует присоединить к положительному полюсу зарядного устройства, а отрицательную - к отрицательному.

6.    Величина необходимого зарядного тока показана в табл.2. После того, как плотность электролита и напряжение перестанут расти, аккумуляторная батарея должна заряжаться еще в течение 2 часов.

7.    Не допускается заряд аккумуляторной батареи при температуре электролита выше +45°С.

8.    По окончании заряда аккумуляторной батареи, имеющей пробки, необходимо откорректировать плотность и уровень электролита: если плотность выше нормы - добавить дистиллированную воду, если ниже - добавить корректирующий электролит повышенной плотности (1.40 г/см³). После доливки продолжить заряд еще 60 минут и проверить результирующую плотность электролита.

Таблица 2