Автомобилен акумулатор

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към навигацията Направо към търсенето
Фиг. 1. Оловно-киселинен автомобилен акумулатор (12 V, 40 Ah).
Фиг. 2. Схема на клетка от оловно-киселинна батерия. За 12 V акумулатор 6 клетки са свързани последователно.

Автомобилен акумулатор е тип акумулатор, доставящ електрическа енергия в автомобила. Най-често е оловно-киселинен, изобретен през 1859 г. от френския физик Гастон Планте (Gaston Planté). Макар че се е променил от гледна точка на конструкция, акумулаторът, който се използва днес в автомобилите, е изработен от последователно свързани 2-волтови елементи, всеки от които е абсолютно подобен на елемента на Гастон Планте. Свободните, несвързани изводи на крайните елементи са изведени върху корпуса във вид на цилиндрични полюси (+ и ), от които по-дебел е положителният (фиг. 1).

Акумулаторът може да бъде стартерен, доставящ електричество до стартера, светлините и запалителната система на двигателя, или тягов – използван като основен източник на енергия в електромобила.

Устройство и принцип на действие[редактиране | редактиране на кода]

Оловно-киселинен акумулатор[редактиране | редактиране на кода]

Конвенционалните автомобилни акумулатори са оловно-киселинни акумулаторни батерии, осигуряващи напрежение от 12 V (по-точно 12,6 V). За тази цел те съдържат шест клетки, свързани последователно, всяка от които има номинално напрежение от 2 до 2,1 V. При такова свързване [(+)(–+)(–+)(–+)(–+)(–+)] (фиг. 2) се сумират напреженията им. За да се постигне номинално напрежение от 6 V или 24 V, е необходимо да се свържат последователно съответно 3 или 12 такива клетки. Както и при другите акумулатори от този тип, клетката е съставена от 2 електрода, всеки във вид на свързани успоредни пластини за увеличаване на площта им: отрицателният (–) е направен от олово (на фиг. 2 сиви), а положителният (+) – от оловен двуокис (кафяви). Решетките от пластини на електродите са поставени една срещу друга и разделени от сепараторни пластини (оранжеви). Те са потопени в електролит. В зависимост от консистенцията на електролита, оловно-киселинните батерии се разделят на така наречените акумулатори с „мокри клетки” и акумулатори с регулирана клапа (VRLA). Акумулаторите VRLA могат да бъдат с руно (изолирана стъклена подложка – AGM) или гел. Електролитът на мокрите клетки е съставен от приблизително 35 % сярна киселина и 65 % дестилирана вода. Вследствие на протичащата електрохимична реакция химическата енергия се превръща в електрическа. При разреждането на акумулатора материалът на електродите реагира с киселината от електролита, превръщайки се и в двата случая в оловен сулфат. Когато акумулаторът се зарежда, протича обратната реакция. Оловният сулфат се превръща съответно в олово и оловен двуокис, възстановявайки електродите до началното им състояние.

Тъй като оловният двуокис и оловният сулфат са кристални порьозни вещества, те са поставени в метална решетка за по-добра механична устойчивост. Към електродния материал се добавят различни вещества – калций, кадмий или стронций за промяна на плътността, твърдостта или порьозността. Това позволява по-лесното производство на електродите.

Видове[редактиране | редактиране на кода]

Автомобилните акумулатори намират различно приложение:

  • Стартерният тип дава по-голям ток, обикновено за стартиране на двигател. Те обикновено имат повече електроди и оттук по-голяма площ, която позволява отдаването на по-голям максимален ток. Стартерният акумулатор съдържа повече антимон, калций, кадмий. Наличието на такива елементи подобряват експлоатационните им качества. Разработени са и безантимонови акумулаторни батерии.

Стартерните батерии за автомобили и камиони се различават по капацитет и по този начин също по тегло и размери. В допълнение, за камиони, напрежението обикновено е 24 V вместо 12 V, така че тук се използват две подобни, последователно свързани 12-волтови батерии или, в най-редките случаи, специални 24-волтови батерии с двойно по-голям брой клетки.

  • Тяговите батерии са предназначени за постоянно подаване на ток за дълъг период от време например в електрокари или други транспортни средства, задвижвани от електрическа енергия. Те могат да се използват за временно съхраняване на енергията от вятърна турбина. Техните пластини са по-дебели за постигане на по-голям капацитет и позволяват повече цикли на разреждане/зареждане.

Двигател на прогреса са т.нар. „хибридни автомобили“, използващи електрически двигател и двигател с вътрешно горене. За подаване на енергия към електрическия двигател в автомобила се поставят тягови акумулатори или водородни клетки. В определени случаи оловно-киселинният акумулатор бива заменен от суперкондензатори.

Има и акумулатори с двойно предназначение (стартерни и тягови). По-нататък основно се разглежда стартерният акумулатор.

Предназначение, функции, изисквания[редактиране | редактиране на кода]

Стартерният акумулатор изпълнява следните задачи в моторното превозно средство (МПС):

1. Подготвя процеса на стартиране на двигателя чрез подаване на напрежение към всички съответни компоненти (управляващи устройства, инжекционна система, запалителна бобина, система за подгряване).
2. Захранва задвижващия мотор (стартер) с енергия.
3. В случай на криза (внезапна повреда на двигателя) доставя енергия за аварийно осветление (светлина, аварийни светлини) и за по-нататъшни опити за стартиране.
4. Изглажда напрежението на алтернатора и елиминира (отчасти) пиковете на напрежението при нормално шофиране.
5. В режим на готовност доставя енергия на различни потребители (часовник, радио, контролен блок).

След като двигателят заработи, алтернаторът поема захранването на цялата система и зарежда стартерната батерия. Някои потребители наричат стартерния акумулатор SLI батерия, от съкращението на основните му предназначения на английски език: стартиране (Starting), осветление (Lighting) и запалване (Ignition).

Стартирането на двигател с вътрешно горене от електрически стартер за кратко изисква високи токове от няколко стотици до 1000 ампера. Бензиновият двигател отнема около 2 до 15 секунди, за да стартира колата и около 5 до 100 секунди за дизеловия двигател (включително по-старите превозни средства). Батерията губи до около 0,2 Ah при бензиново (при стартиране от 2 секунди) и до около 0,3 - 0,4 Ah при дизелово гориво (7 секунди начално време с предварително загряване). За презареждане на получената загуба на капацитет на батерията се изисква 0,2 Ah, около 3-5 минути време за шофиране. Стартерната батерия трябва да може да доставя тази мощност дори през зимата при ниски температури. В допълнение, електрическото напрежение не трябва да пада твърде много по време на процеса на стартиране. Следователно стартерните батерии имат ниско вътрешно електрическо съпротивление.

Технологии[редактиране | редактиране на кода]

С развитието на технологиите нови видове акумулатори намират приложение в автомобила. В автомобилите с автоматичен старт-стоп контрол, конвенционалните стартерни батерии бързо се претоварват, тъй като значително увеличените стартови събития водят до промяна в профила на изискванията за мощността и броя на циклите на зареждане и по този начин и стабилността на цикъла на акумулаторите. За тази цел са разработени батерии EFB (Enhanced Flooded Battery - Подобрена запълнена батерия), които имат по-висок стартов ток (повече олово) в конвенционален, мокър дизайн и са допълнително дълбоко циклични (нетъкани подложки). Акумулаторите AGM (Абсорбираща стъклена подложка), използвани през последните около 50 години в някои сектори, също бяха доразвити в стартерни батерии.

Акумулаторите EFB са предназначени за чиста старт-стоп система без рекуперация. За превозни средства с технология за рекуперация, които са значително по-скъпи, са разработени акумулатори AGM. Тук например се подава ток от акумулатора по време на процеса на спиране. Предимство на мощните AGM акумулатори е до 4 пъти по-голям брой цикли на зареждане в сравнение с конвенционалните батерии. Ниското вътрешно съпротивление, дължащо се на конструкцията, също спомага за бърза реакция между киселината и плочите, в резултат на което големи количества енергия могат бързо да бъдат прехвърлени. Акумулаторите AGM обаче имат високи цени и са много податливи на високи температури, поради което често не се монтират в горещото отделение на двигателя, а в интериора или в багажника.

Евтината оловно-киселинна батерия има сравнително високо тегло спрямо батерии от други видове технологии за акумулатори със същия капацитет за съхранение. В самолетите като стартерни батерии за стартиране на бутални двигатели или спомагателни турбини, все по-често се използват никел-кадмиеви акумулатори, никел-металхидридни акумулатори, сребърно-цинкови акумулатори и литиево-йонни акумулатори. Нов етап на развитието са литиево-полимерните акумулатори (LiPo).

Акумулатори, използващи други окислително-редукционни системи, като например литиева технология, особено поради причини, свързани с разходите, досега не са могли да се надделеят над оловно-киселинните батерии. Освен това значително по-скъпите акумулатори изискват сложни схеми за зареждане и защита в сравнение с оловните системи. Също така, потенциалът за спестяване на тегло не е достатъчно висок за подмяна в масовото производство. Само Порше предлага литиево-желязо-фосфатен акумулатор (LiFePO4) като стартерна батерия срещу допълнително заплащане. При модернизацията бизнес-скутерите и мотоциклетите използват акумулаторни батерии с литиеви системи.

Конструкция и разположение на полюсите[редактиране | редактиране на кода]

Електродите и електролитът на акумулатора са поставени в затворена пластмасова кутия. Върху горната ѝ стена в краищата са изведени двата полюса. Положителният полюс на стартерните акумулаторни батерии е маркиран със знак „+” (плюс) и / или червен цвят, а отрицателният полюс със знак „–” минус и / или черен или син цвят. За да се избегне объркване, полюсите имат различни размери – диаметърът на отрицателния е по-малък. Те могат да бъдат разположени в една линия успоредно на широката или тясна стена или по диагонал (фиг. 3). При това в ляво или дясно може да бъде както положителният, така и отрицателният полюс. Разположението на полюсите се описва когато акумулатора се гледа отпред. В Германия производителите на акумулатори (Бош, Варта) използват цифрова схема за обозначаване на подреждането на полюсите. За 12-волтови стартерни батерии:

Фиг. 3. Различни подреждания на полюсите върху акумулаторна батерия
Означение Плюс Mинус
0 вдясно отпред вляво отпред
1 вляво отпред вдясно отпред
2 вдясно отпред вляво отзад
3 вляво отзад вляво отпред
4 вляво отпред вляво отзад

Положението на полюсите „плюс“ и „минус“ на стартерната батерия зависи от модела. Това разположение е важно за съвместимостта на акумулатора с кабелите за свързване към електрическата система на автомобила и трябва да се взима под внимание при избор на акумулатор и при свързването му към МПС.

Използване и поддръжка[редактиране | редактиране на кода]

Монтиране на акумулатора в автомобила[редактиране | редактиране на кода]

Електрическата система на моторното превозно средство е свързана към акумулатора чрез кабели с полюсни накрайници, които също са означени със знаците „+” и „–” и отворите им имат различен диаметър както полюсите. За да се избегнат сериозни повреди, батерията трябва да бъде свързана с правилния поляритет. Трябва да се спазва правилната полярност и особено при скок на тока (паралелно свързване на заредена и слаба стартерна батерия) - обръщането на полярността създава опасно късо съединение на двете батерии.

Отрицателният полюс също се нарича маса, тъй като той е електрически свързан с каросерията на автомобила в повечето МПС. Въпреки това, в миналото е имало автомобили, които използват за „маса“ „плюса“ на акумулатора. В някои по-стари английски и американски автомобили към „маса“ е свързан положителният полюс, но те корозират повече. В повечето автомобили за „маса“ се използва металният корпус (каросерията) на автомобила, като минусовата клема на акумулатора се свързва към корпуса.

При изваждането на акумулатора първо трябва да се освободи минусовата клема, а след това плюсовата. При разхлабване на клемата с гаечен ключ е възможно ключът да опре до оголени метални части на корпуса. Понеже последният е свързан с минусовата клема, трябва да се разхлаби и освободи първо тя. Ако се разхлабва първо плюсовата клема, това може да доведе до създаването на опасно късо съединение от гаечния ключ към маса (корпус)! При поставянето на акумулатора се действа в обратния ред – първо трябва да се свърже плюсовата клема, а след това минусовата. Накрайниците се поставят върху полюсите и се затягат здраво, отчитайки силният ток, който минава през връзката. Освен това, положителният полюс често е покрит с изолация, за да се предотврати късо съединение в пътнотранспортни произшествия и неправилна експлоатация. Акумулаторът се закрепва неподвижно с планка към мястото си в каросерията, така че да не се мести по време на движение на автомобила.

Ниво на електролита[редактиране | редактиране на кода]

По-голямата част от акумулаторите, произвеждани по нова технология, нямат нужда от поддръжка и от обслужване (доливане с дестилирана вода). Ако акумулаторът има лесно отварящи се запушалки, то е необходимо периодично (ежемесечно, а при по-старите батерии дори и ежеседмично) да се следи нивото на електролита в определените граници и при нужда да се коригира. В този случай запушалките се махат и се долива дестилирана вода в границите от 10 до 15 mm над горната повърхност на плочите.

Вода от чешмата или дъждовна вода не трябва да се използват никога (проверено и доказано)! Те съдържат минерали, които водят до корозия на електродите и намаляват капацитета на акумулатора.

Зареждане и разреждане[редактиране | редактиране на кода]

При натоварване или при стоене с времето акумулаторът се разрежда (респ. саморазрежда) вследствие на електрохимична реакция, при което се изразходват оловото и оловният диоксид и се получава оловен сулфат (т.нар. сулфатизиране). Образуваният оловен сулфат PBSO4 е под формата на фини бели кристали с много голяма повърхност. При дълго стоене в разредено състояние или при много дълбоко разреждане кристалите се срастват и се образуват по-едри кристали с много по-малка повърхност. В този случай акумулаторът губи голяма част от капацитета си, защото само една част от едрите кристали може да се превърне обратно в олово/оловен двуокис. Поради намалената повърхност се редуцира значително и максималният ток, който може да се отдаде при стартиране на автомобила.

За да не се допусне това, неизползваните акумулатори трябва да се зареждат периодично със зарядно устройство. При нормална работа на алтернатора (генератора) в автомобила енергията, изразходвана при стартирането на двигателя, се възстановява и акумулаторът се зарежда напълно. Изключение са случаите на кратковременни пътувания, особено при използването на много електрически консуматори (климатик и вентилатор, осветление и други) – акумулаторът може да не се зареди напълно.

При зареждането на разреден акумулатор се прилагат няколко метода. Най-щадящият от тях се нарича продължително зареждане. Другите са бавно и ускорено зареждане, като вторият е най-вреден за акумулатора. Напрежението на зареждане не трябва да е по-високо от около 14,4 V (за 12 V акумулатор), в противен случай в акумулатора се образуват водород и кислород вследствие електролиза на водата.

Зареждането (както и разреждането) зависят от редица фактори като: началното състояние, до какво крайно състояние се разрежда, възрастта, капацитета, товара, температурата и др. За напълно зареден акумулатор теоретичното максималното време на работа се получава, като капацитетът в амперчаса (A·h или Ah) се раздели на протичащия ток в ампери (A). Например нов акумулатор с капацитет 72 Ah при товар от 10 A би трябвало да издържи 7,2 часа до пълно разреждане. На практика количеството достъпна за използване енергия е ограничена до част от теоретичния капацитет в зависимост тип на батерията, технологични особености, характер на зарядно-разрядния цикъл и изисквания за продължителност на живота ѝ. Например, приема се за нормално едно продължително разреждане до 50 % от капацитета за тягов оловен акумулатор, докато за стартерна батерия това е силно непрепоръчително.

Когато акумулаторът остарее, капацитетът му намалява поради частично сулфатиране на електродите. При ниски температури максималният ток, който може да протече, е много нисък и не е достатъчен за стартиране на автомобила.

Опасности[редактиране | редактиране на кода]

Към зареждането трябва да се подходи с внимание, тъй като електролитът е сярна киселина и може да нанесе опасни поражения на човешкото тяло. Електролитът съдържа сярна киселина и е опасен, тъй като разяжда кожа, тъкани, метали и др.

При неправилно зареждане (напрежение по-голямо от 14,4 V или т. нар. презареждане) в акумулатора се образуват газове (водород и кислород). При това налягането в клетките се повишава, което води до спукване на акумулатора и/или загуба на електролит. Водородът и кислородът могат да реагират експлозивно един с друг при наличието на искра, което води до разрушаване на акумулатора. При определени концентрации на водорода във въздуха може да възникне самовзривяване. Помещението, в което се извършва зареждане на акумулатори, трябва да се проветрява добре.

Терминология[редактиране | редактиране на кода]

  • Амперчасовете (A·h) дават представа за електрическия заряд, който акумулаторът е способен да съхрани и след това да отдаде. Представляват дименсия на величината „капацитет“ на акумулаторната батерия.
  • Стартерен ток (CA), е токът, който акумулаторът може да отдаде за 30 s при 0 °C, като запази 1,2 V/клетка (7,2 V за 12 V акумулатор).
Фиг. 4. Ареометърът може да се използва за проверка на плътността на електролита във всеки отделен елемент.
Фиг. 5. Седемпоплавков ареометър за измерване плътността на електролита в автомобилни акумулатори.
  • Стартерен ток на студено (CCA) е токът, който акумулаторът може да отдаде за 30 s при –18 °C, като запази 1,2 V/клетка (7,2 V за 12 V акумулатор).
  • Стартерен ток на топло (HCA) е токът, който акумулаторът може да отдаде за 30 s при 26,7 °C, като запази 1,2 V/клетка (7,2 V за 12 V акумулатор).
  • Закон на Пюкерт обяснява, че капацитетът на акумулатора варира в съответствие със скоростта на разряд. Акумулатор, разреждащ се по-бързо, отдава по-малко амперчасове, отколкото същия, разреждан по-бавно.
  • Ареометърът е уред, с който се измерва плътността на електролита и така дава информация за разреждането на акумулатора. Ниски стойности означават, че акумулаторът е разреден. Състои се от стъклена тръба, на която в единия край е вкарана тапа с тънка тръбичка в нея, а другият влиза в гумен балон (фиг. 4). За измерване се стиска балона, така че да излезе въздухът, вкарва се тръбичката в отвора на клетката, така че да опре до плочите и се отпуска, при което уредът се напълва с електролит до колкото е необходимо да се повдигне поплавъкът от дъното. Нивото на течността показва върху скалата на поплавъка плътността на електролита. Съществуват и ареометри с повече поплавъци (фиг. 5).
  • Волтметърът служи за измерване на напрежението на акумулатора. Напрежението се измерва при изключен двигател и дава приблизителна оценка на степента на разреждане:
Напрежение Плътност ~ Заряд
12,65 V 1,265 g/cm³ 100%
12,45 V 1,225 g/cm³ 75%
12,24 V 1,190 g/cm³ 50%
12,06 V 1,155 g/cm³ 25%
11,89 V 1,120 g/cm³ 0%

Рециклиране[редактиране | редактиране на кода]

Оловно-киселинният автомобилен акумулатор е направен от олово и оловни съединения, пластмаса (полипропилен), електролит (воден разтвор на сярна киселина). Те подлежат на пълно рециклиране.

Повече от 97% от всеки оловно-киселинен акумулатор се рециклира. Това е изключително висок процент, за сравнение този процент е 55% при алуминиевите кутии за безалкохолни напитки и бира, 45% при вестниците и списанията, 26% при автомобилните гуми и стъклени бутилки.

Оловно-киселинните акумулатори са на върха на класацията за най-рециклируем продукт. Вашият стар автомобилен акумулатор ще бъде рециклиран и 60 – 80% от съдържащите се в него олово, оловни съединения и пластмаса ще бъдат използвани за производството на нови акумулатори.

Вижте също[редактиране | редактиране на кода]

Бележки[редактиране | редактиране на кода]