Устройство, схема и принцип работы автомобильного аккумулятора

В своей хозяйственной деятельности человек использует различные устройства, в составе которых работают аккумуляторы. Это касается бытовой техники, мобильных устройств, часов, автомобилей, электроинструмента и много чего ещё. Вне зависимости от того, в какой сфере используются аккумуляторные батареи, принцип работы у них одинаков. В процессе зарядки АКБ накапливает электрическую энергию, а затем отдаёт для питания устройства. На сегодняшний день имеется много видов аккумуляторных батарей, у каждого из которых есть свои особенности в устройстве и функционировании. В этой статье мы поговорим про устройство автомобильного аккумулятора и его конструкцию.

Аккумулятор представляет собой один из ключевых элементов авто. Работая в бортовой сети автомобиля в связке генератором, он является источником электрического тока. Основные функции аккумуляторной батареи заключаются в следующем:

• Обеспечение пуска мотора. Аккумулятор подаёт питание на стартер в момент запуска;
• Обеспечение питания потребителей в сети автомобиля, когда мотор заглушён;
• Обеспечивает питание во время поездки, если генератор перегружен.

Кроме того, при работе вместе с генератором АКБ осуществляет сглаживание пульсаций электрического тока в бортовой сети.

Напряжение аккумуляторных батарей для легковых автомобилей составляет 12 вольт. Ёмкость может лежать в пределах 40─130 Ач. Пусковой ток 300─1300 ампер. Значения справедливы для АКБ легковых машин и лёгкого коммерческого транспорта.

На грузовые авто и специальную технику могут устанавливаться батареи с напряжением 24 вольта. На мотоциклетной технике используются модели номиналом 6 вольт.

К аккумулятору для автомобиля обычно предъявляют следующие требования:

• небольшой саморазряд;
• высокий пусковой ток;
• компактные габариты;
• отсутствие или минимум обслуживания.

Устройство аккумулятора автомобиля

В подавляющем большинстве легковых автомобилей работают свинцово-кислотные батареи с жидким электролитом (WET). Их устройство и конструкция постоянно дорабатывается и совершенствуется. Кроме того, ведутся разработки новых типов автомобильных аккумуляторов. Ниже представлена схема автомобильного аккумулятора.

АКБ состоит из 6 банок (аккумуляторных элементов), подключённых последовательно. Все они заключены в пластиковый корпус, который не проводит электрический ток и стойкий к воздействию серной кислоты. В каждой банке есть набор положительных и отрицательных электродов, которые чередуются. Электрод представляет собой токоотводящую решётку, на которую нанесена обмазка (активная масса).

Для того чтобы предотвратить замыкание электродов разной полярности, они помещены в полиэтиленовые сепараторы. Электроды выполнены из свинца с различными легирующими добавками. Устройство современных АКБ часто подразумевает наличие электродов из сплава свинца с кальцием. Это позволяет снизить саморазряд и расход воды. Примером могут служить .

Вообще, можно выделить следующие актуальные разновидности WET аккумуляторов:

• Малосурьмянистые (малообслуживаемые). Положительные и отрицательные электроды выполнены из сплава свинца с сурьмой (до 6%);
• Кальциевые (необслуживаемые). Электроды выполнены из сплава свинца с кальцием;
• Гибридные. Отрицательный электрод выполняется из свинца, легированного кальцием, а положительный ─ сурьмой.

Существуют также разные методы изготовления решёток электродов (литьё, просечка) и нанесения активной массы. Некоторые производители имеют свои запатентованные технологии. В основном все они ориентированы на улучшение отвода тока и уменьшение внутреннего сопротивления АКБ. В некоторых случаях в состав электродов добавляют серебро, тантал, олово для того, чтобы увеличить стойкость к коррозии.

В современном производстве при выпуске положительных электродов применяют несколько методов:

• Power Frame. Это наиболее современная технология. В этом случае решётка электрода выполняется с опорной рамкой и внутренними направляющими. В результате повышается жёсткость конструкции;
• Power Pass. Эта технология подразумевает наличие вертикальных направляющий к «уху» электрода;
• Chess Plate. В этом случае направляющие располагаются в шахматном порядке.

На решётки электродов наносится обмазка или активная масса для увеличения поверхности взаимодействия с электролитом. Для положительных пластин используется диоксид свинца, а для отрицательных ─ губчатый свинец.

Устройство аккумулятора подразумевает погружение электродов в электролит. Это раствор серной кислоты в дистиллированной воде. Главной характеристикой электролита является его плотность. Эта величина изменяется в зависимости от степени заряда. Плотность максимальна на полностью заряженной АКБ и минимальна на разряженной.

Особенности конструкции разных видов автомобильных аккумуляторов

Кроме аккумуляторов WET с жидким электролитом, есть и другие виды свинцово-кислотных аккумуляторов. Это батареи AGM и GEL. Их устройство предусматривает наличие кислотного электролита в связанном состоянии. Часто эти батареи обобщённо называют , но это не совсем так. В AGM аккумуляторах электролитом пропитан материал из стекловолокна, который прилегает к свинцовым пластинам. На изображении ниже можно посмотреть устройство AGM аккумулятора.

Ещё одна разновидность свинцовых аккумуляторов называется GEL. Здесь кислотный электролит находится в гелеобразном состоянии. Это достигается за счёт добавления в кислоту оксида кремния. Этот вид АКБ практически не используется в легковых автомобилях. Батареи GEL можно встретить в мотоциклетной технике, скутерах, морском транспорте, домах на колёсах. А вот AGM батареи получают всё большее распространение в авто.

Популярность AGM растёт благодаря появлению автомобилей с системами старт-стоп и рекуперации энергии торможения. Требования к АКБ возрастают. От них требуется более высокий ток прокрутки, устойчивость к глубоким разрядам, длительный срок службы. Аккумуляторы AGM (расшифровывается, как Absorbed Glass Material) удовлетворяют требованиям современных автомобилей с большим количеством электроники на борту.

В продаже также можно встретить аккумуляторные батареи EFB или Enhanced Flooded Battery. По устройству эти АКБ можно отнести к WET батареям. Но в реальности они занимают промежуточную ступень между обычными WET и AGM аккумуляторами. В них залит жидкий кислотный электролит, а электроды имеют покрытие из микроволокна. Это обеспечивает большую аккумуляцию энергии, повышение токоотдачи и устойчивость к частым циклам заряд-разряд. Производители также рекомендуют использовать их в автомобилях с системами старт-стоп. Пока EFB и AGM не стали массовыми из-за высокой стоимости. Поэтому в большинстве машин используются аккумуляторы типа WET.

Стоит отметить, что при заряде АКБ идёт выделение газов. Поэтому корпуса аккумуляторов имеют систему отведения газов. Чтобы батарея оставалась герметичной используются предохранительные клапаны. Такие клапаны могут быть встроены в пробки. Их устройство позволяет им открываться при увеличении давления выше определённого предела.

Водород и кислород, которые выделяются на электродах при зарядке, взаимодействуют с выделением воды. А в случае превышения допустимого заряда они выпускаются в атмосферу. Этот механизм называют VRLA или Valve Regulated Lead Acid Battery. Устройство лабиринтной вентиляции в корпусе АКБ является более совершенным. В такой конструкции выделяющиеся газы конденсируются, и образующаяся вода возвращается обратно в банки аккумулятора.

Есть батареи, устройство которых предусматривает наличие пламегасителей. Эти приспособления обеспечивают отсекание пламени от внутреннего пространства аккумулятора при воспламенении газов. По своей конструкции пламегасители являются мембранами.
Аккумулятор подключается к автомобилю с помощью выводов из свинца. Положительного и отрицательного. Они выполняются разной толщины и маркируются соответствующим образом, чтобы не допустить ошибку при подключении.

В зависимости от положения выводов полярность аккумуляторной батареи может быть прямая или обратная. Читайте подробнее о том, как определить .

Устройство необслуживаемых батарей предусматривает наличие индикатором заряда. Его ещё называют гидрометром или просто «глазком». Подробнее об читайте в статье по ссылке.

Крепление аккумулятора в подкапотном пространстве выполняется двумя основными способами:

• скобой за выступ корпуса АКБ. Такое крепление используется для аккумуляторов европейского типоразмера;
• при помощи рамки. Применяется в случае с батареями азиатского типоразмера.

Для автомобиля аккумуляторную батарею можно назвать вторым сердцем. Его значимость для нормальной работы так же велика, как и сам двигатель. В современном автомобильном мире осуществлялись попытки заменить аккумулятор пневматическими устройствами пуска мотора, конденсаторными накопителями, но безрезультатно.

До сих пор широко используется только три типа электрических аккумуляторов:

• свинцово-кислотный;
• литий-ионный;
• безламельный железоникелевый.

Первый был изобретен в начале 20 века и за более чем столетнюю историю устройство аккумулятора практически не изменилось, за исключением ряда усовершенствований и дополнений, позволивших оптимизировать его работу. Второй тип появился сравнительно недавно - 15-20 лет назад , темпы развития его конструкции и устройства, завоевания рынка можно назвать революционными. Третий вариант аккумулятора оказался слишком дорогим в производстве и постепенно был вытеснен первыми двумя.

Классический автомобильный аккумулятор

Своему долголетию кислотный аккумулятор обязан полному и безоговорочному доминированию двигателей внутреннего сгорания. Устройство свинцово-кислотного аккумулятора лучше всего удовлетворяло требование к безопасному источнику электроэнергии, способного кратковременно выдать ее с огромной силой тока, необходимой для запуска двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Остальные варианты устройства электрохимических элементов, даже при более высоких показателях емкости либо были не в состоянии выдержать столь мощную нагрузку, либо их производство было неоправданно, технологически сложно и обходилось значительно дороже свинцово-кислотного варианта.

Устройство классического автомобильного аккумулятора

С точки зрения теории единичная банка аккумулятора представляет собой систему двух электродов, один из которых - катод или минусовый электрод, выполнен в виде тонкой свинцовой пластины с пористой поверхностью, второй называемый анодом - положительный электрод в виде тонкой свинцовой сетки с запрессованной активной пористой массой из окиси свинца.

В устройстве электроды погружены в раствор серной кислоты - электролит, плотностью , дающей максимальный уровень накопления энергии. Анод и катод приближены друг к другу на минимальное расстояние и разделены тонким пластиковым сепаратором.

Как накапливается электрический заряд в аккумуляторе

Зарядка аккумулятора автомобиля осуществляется постоянным током строго определенного напряжения и тока. Для стандартного 12В-го аккумулятора, заряд проводится напряжением в 13,5-14,2 В с силой тока равной десятой части емкости.

При зарядке, под действием постоянного тока на свинцовом аноде выделяется комплексное соединение из недоокисленного металлического свинца и связанных ионов серной кислоты из электролита. На катоде - отрицательном электроде, выделяется перекись свинца Pb 2 O 5 . Из-за связывания части ионов серной кислоты плотность электролита в процессе накопления заряда падает. Напряжение на ячейке устройства устанавливают не выше 2,2В, чтобы обеспечить накопление необходимых ионов и предупредить бесполезное разложение воды на кислород и водород.

При замыкании внешней цепи на контакты происходит быстрое разложение накопленных солей и соединений с выделение на электродах огромного количества электрической энергии. Плотность электролита возрастает по мере разряда аккумуляторной батареи.

Недостатки и преимущества устройства аккумулятора автомобиля

В устройстве свинцово-кислотного аккумулятора его природой заложено ряд пороков, делающих устройство капризным и чувствительным к определенным условиям эксплуатации:

• ограниченное число циклов разряд-заряд;
• необратимые процессы сульфатации пластин, значительно снижающие его емкость и срок службы;
• малая механическая прочность электродов, возникновение замыкания анода и катода из-за осыпающейся электродной массы или разрушения сепаратора;
• выход из строя при регулярном перезаряде или длительном хранении устройства в разряженном состоянии.

Сульфатация серьезно уменьшает ресурс батареи автомобиля. Комплексные сернокислотные соли свинца, отлагающиеся на катоде, под воздействием выделяющегося свободного кислорода и водорода переходят в слаборастворимое соединение - сульфат свинца, насмерть закупоривающее поры катода и делающее его неработоспособным.

Современные новации в устройстве аккумуляторной батареи

Попытки устранить основные недостатки в конструкции аккумулятора автомобиля привели к созданию новых сплавов свинца, более стойких к агрессивному воздействию кислоты. Применение легирующих добавок кальция, олова, никеля позволили снизить саморазряд и потери воды до минимально возможного уровня. В днище корпуса устройства стали применяться ловушки для накопления частиц активной массы электродов, что в значительной мере снизило риск замыкания анода и катода в придонной части.

Устройство батареи автомобиля изменилось, она получила статус необслуживаемой. Теперь, по замыслу производителя, устройство не требует контроля уровня воды в банках аккумулятора и плотности электролита, как это было в старых моделях. В устройстве батареи появились приспособления в виде поплавкового индикатора-глазка, меняющего свой цвет в зависимости от состояния заряда.

Перспективные решения

Среди новшеств, появившихся в устройстве сравнительно недавно и призванных улучшить характеристики свинцово-кислотной батареи автомобиля можно отметить:

• использование гелеобразных видов аккумуляторного электролита на основе соединений кремния. Нулевая потеря воды и хорошие эксплуатационные качества позволяют использовать такие устройства даже в салонах автомобилей;
• применение электронных диагностических чипов, позволяющих тонко и дозированно вмешиваться в работу каждой банки устройства;
• применение графита и углерода для формирования основы положительного и отрицательного электродов, что сделает батарею автомобиля легче и компактнее.

Безламельные железоникелевые аккумуляторы со щелочным электролитом

Была разработана и внедрена идея стартерных аккумуляторов на основе щелочного электролита и электродами из прессованного порошка никеля и железа. Хорошо известна модель серии СЖН -50, выпускавшаяся в Советском Союзе ограниченными партиями для военной техники. Устройство батареи обладало хорошими характеристиками:

• высокий ресурс, количество циклов заряд-разряд достигло 1000, что превысило ресурс кислотного;
• малая чувствительность к условиям эксплуатации;
• длительный перезаряд или хранение в разряженном состоянии не оказывали столь пагубного влияния на состояние устройства.

В устройстве использовалось большое количество дефицитного никеля, производство аккумулятора было сложным и нерентабельным.

Интересно! Практика эксплуатации советских щелочных аккумуляторов для автомобиля, показала возможность использования таких батарей в течении 15-20 лет при расчетном 10-летнем периоде, с условием тщательного соблюдения правил эксплуатации.

Современные ионно-литиевые автомобильные аккумуляторы

Массовое применение литиевых аккумуляторов на автомобиле ассоциируется с современными электромобилями, где подобное устройство широко применяется из-за высоких параметров емкости и малого веса. На рынке представлены вспомогательные ионно-литиевые аккумуляторы, предназначенные для быстрого заряда основного аккумулятора. Есть ряд устройств, оснащенных блоком ионисторов, позволяющих запускать двигатели с рабочим объемом не более 500 см 3 .

Стоимость свинцово-кислотного аккумулятора, емкостью до 70 Ач, будет чуть более сотни долларов, аналогичный ионно-литиевый вариант по цене превысить конкурента в 10 и более раз.

Важно! Ионно-литиевый аккумулятор невероятно чувствителен к перезарядке и требует точной работы электронного блока управления. При неисправном чипе возможны случаи его возгорания.

Видео устройства аккумулятора:

Аккумуляторные батареи (АКБ) используются повсюду в качестве мобильных и стационарных источников питания: в подъемно-транспортном оборудовании, как элементы аварийного и резервного энергоснабжения, являются основой для автономности огромного разнообразия портативных устройств. Понимание того, как работает аккумулятор, поможет правильно заряжать смартфон и продлить срок службы батареи автомобиля.

Исторический обзор

Разработку первого гальванического элемента приписывают итальянскому физику Алессандро Вольта. Он проводил серию экспериментов с электрохимическими явлениями в течение 1790-х годов и примерно в 1800-м создал первую батарею, которую современники назвали «вольтовым столбом». Устройство состояло из чередующихся цинковых и серебряных дисков, разделённых слоями бумаги или ткани, которые были смочены в растворе натрия гидроксида.

Эти эксперименты стали основой работы над количественными законами электрохимии для Майкла Фарадея. Он описал принцип действия аккумулятора и на основе работ учёного были созданы первые коммерческие электрические элементы. Дальнейшая эволюция выглядела так:

Устройство и принцип работы

Батареей называют устройство, которое преобразует энергию химических реакций в электрическую. Хотя термин «батарея» и обозначает сборку из двух или более гальванических элементов, способных к такому преобразованию, в широком смысле он применяется и к единичному элементу такого типа.

Каждый такая ячейка имеет катод (положительный электрод) и анод (отрицательный). Эти электроды разделены электролитом, обеспечивающим обмен ионами между ними. Электродные материалы и состав электролита подбираются таким образом, чтобы обеспечить достаточную электродвижущую силу между клеммами батареи.

Поскольку электроды содержат ограниченный потенциал химической энергии, батарея во время работы будет истощена. Тип гальванических элементов, который приспособлен для пополнения после частичного или полного разряда, называется аккумуляторами. Сборка из таких соединённых между собой ячеек - аккумуляторной батареей. Работа АКБ предполагает циклическую смену двух состояний:

• Зарядка - батарея работает в качестве приёмника электроэнергии, внутри ячеек электрическая энергия реализуется в химические изменения.
• Разрядка - устройство функционирует как источник электрического тока благодаря преобразованию энергии химических реакций в электрическую.

Особенности зарядки и разрядки

Энергия, используемая для восстановления ёмкости АКБ, поступает из зарядных устройств, подключённых к электрической сети. Чтобы заставить ток протекать внутри элементов, напряжение источника должно быть выше, чем у батареи. Значительное превышение расчётного зарядного напряжения может привести к выходу АКБ из строя.

Алгоритмы зарядки напрямую зависят от того, как устроен аккумулятор и к какому типу он относится. Например, некоторые батареи могут безопасно пополнять свою ёмкость от источников постоянного напряжения. Другие работают только с регулируемым источником тока, способными менять параметры в зависимости от уровня заряда.

Неверно организованный процесс заряда может повредить батарею. В крайних случаях возможно возгорание АКБ или взрыв её содержимого. Существуют интеллектуальные аккумуляторы, оснащённые устройствами контроля напряжения. Основными параметрами, которые следует учитывать при эксплуатации обращаемых гальванических батарей:

Типы аккумуляторов

Конструктивно батареи различаются в зависимости от назначения и от типа протекающих в них электрохимических реакций. По способу их применения АКБ можно разделить на две основные категории:

В дополнение к способности перезаряжаться, аккумуляторные батареи, в сравнении с обычными гальваническими элементами, характеризуются высокой плотностью мощности и хорошей производительностью даже при низких температурах. В зависимости от состава электролита, материалов электродов и особенностей конструкции можно выделить три распространённых типа аккумуляторов.

Свинцово-кислотные

Эти АКБ имеют самую долгую историю популярности в качестве автономных источников питания. Большинство таких батарей изготовлены из свинцовых пластин или сеток, где одна из решёток (положительный электрод) покрыта диоксидом свинца в кристаллической форме. Электролит, состоящий из серной кислоты, участвует в реакциях свинца и диоксида свинца с образованием сульфата свинца. Перемещение ионов последнего образует ток разряда. Заряд происходит при помощи восстановления током заряда диоксида свинца на катоде.

Этот тип батарей был востребован на протяжении более чем сотни лет благодаря следующим особенностям:

• широкому диапазону возможностей как при производстве сильных, так и слабых токов;
• надёжностью в течение сотен циклов в присутствии контроля заряда;
• относительно низкой стоимости (свинец дешевле в пересчёте на ёмкость чем никель, кадмий, литий или серебро);
• большой срок годности при хранении для перезаряжаемого устройства;
• высокое напряжение единичной ячейки;
• простотой изготовления (литьё, сварка, прокатка).

Автомобильный аккумулятор - наиболее известный свинцово-кислотный перезаряжаемый источник питания. Широко их применение в качестве тяговых в автофургонах, погрузчиках и других транспортных средствах. Хотя большинство их портативны, некоторые могут весить несколько тонн.

Щелочные батареи

В этом типе батарей электрическая энергия генерируется в результате химических реакций в щелочном растворе с использованием различных электродных материалов. Наиболее известные из них:

Литиевые перезаряжаемые устройства

К ним относятся аккумуляторы с литиевым анодом или использованием в электрохимической реакции ионов лития. На момент появления батареи на основе металлического лития были многообещающими благодаря впечатляющему потенциалу к миниатюризации, но оказались крайне нестабильны из-за риска протекания бурных химических реакций на аноде. Поэтому основной коммерческий успех этого типа АКБ состоялся с применением литий ионных технологий, суть которых заключалась в том, что вместе с отказом от металлического анода роль электролита взяли на себя сложные соли лития.

Благодаря высокой плотности накапливаемой энергии и ничтожному саморазряду, этот тип АКБ популярен как источник питания потребительской электроники. Главный недостаток литиевых батарей - риск неожиданного возгорания от перегрева. Даже самые современные из них оснащаются дополнительным электронным контролем процессов зарядки-разрядки в целях безопасности. Литий полимерные батареи - более совершенные в своём классе. В них вместо жидкого электролита используют твёрдый полимерный. Эти батареи легче обычных литий ионных , но из-за высокой цены не смогли полностью их заменить.

Прогресс не стоит на месте. Сейчас инженеры и технологи разрабатывают модели принципиального устройства аккумуляторов будущего, которые придут на смену литий-ионным аккумуляторам.

Появление наноматериалов способно дать толчок новому витку эволюции батарей с такими удивительными для современных устройств свойствами, как мгновенная зарядка, эластичность, сверхкомпактность и экологическая безопасность.

Автономные источники электроэнергии являются одними из самых полезных изобретений человечества. Что такое телефон или радио, в которых не установлены Устройство многих приспособлений, а также условия их использования не всегда предусматривают наличие постоянного сетевого электропитания, поэтому такие источники электроэнергии позволяют с комфортом осуществлять свою деятельность практически в любой точке мира. После небольшого предисловия давайте приступим к статье.

Что такое аккумуляторная батарея?

В широком смысле под этим понятием подразумевают устройство, что при одних условиях использования может накапливать какой-либо вид энергии, а при других - расходовать, чтобы удовлетворить нужды человека.

Аккумуляторы аккумулируют электричество от внешнего источника питания, а потом отдают её подключенным потребителям, чтобы они смогли делать свою работу. Так, когда устройства работают, постоянно протекают химические реакции между электролитом и электродными пластинами. Кстати, подобная конструкция размещена в банках, из которых и формируются аккумуляторные батареи. Устройство данных конструкций предусматривает создание напряжения, как правило, 1,2-2 В, что весьма мало. Поэтому для увеличения показателей источников питания и применяются разные типы соединения.

Как работают при

Устройство данных источников питания предусматривает подключение к плюсу и минусу. Функционируют они следующим образом: когда к электродам подключается нагрузка (в качестве примера можно рассмотреть лампочку), то возникает замкнутая электрическая цепь. По ней начинает протекать ток разряда. Формируется он благодаря движению электронов, анионов и катионов. Более детальную информацию о том, что и как протекает, можно рассказать только на конкретном примере.

Допустим, что у нас есть аккумулятор, где положительный электрод - это окись никеля, в который был добавлен графит для повышения проводимости. Для отрицательной пластины применяли губчатый кадмий. Так вот, когда идёт разряд, то частицы активного кислорода выделяются и попадают в электролит. При этом от них отделяются части, которые идут как электричество (те же электроны). Затем частицы активного кислорода направляются в сторону отрицательных пластин, где они окисляют кадмий.

Функционирование аккумулятора при заряде

Необходимо отключить нагрузку на клеммах пластин. На них же подаётся, как правило, постоянное напряжение (но может быть и пульсирующее, зависит от случая), которое больше, чем величина батареи, что заряжается. Причем полярность должна быть одинаковой. То есть минусовые и плюсовые клеммы потребителя и источника обязаны совпадать. Учтите, что обязательно должно обладать большей мощностью, чем есть в аккумуляторе, чтобы подавлять остатки энергии в нем и создавать электрический ток, направление которого будет противоположным разряду. В результате меняются и химические процессы, которые протекают в аккумуляторной батарее.

Давайте рассмотрим пример из предыдущего подпункта статьи. Здесь уже положительный электрод будет обогащаться кислородом, а на отрицательном восстановится чистый кадмий. Подводя итог, можно сказать, что во время заряда и разряда меняется только химический состав электродов. Это не относится к электролиту. Но он может испаряться, что негативно будет сказываться на времени работы батареи.

Итак, мы рассмотрели принцип работы любого аккумулятора. Теперь давайте узнаем, как во время эксплуатации можно улучшить их характеристики.

Параллельное соединение

Величина тока зависит от значительного количества факторов. В первую очередь под этим понимают конструкцию, применяемые материалы и их габариты. Чем большую площадь имеют электроды, тем большие показатели тока они смогут выдержать. Этот принцип используется для параллельного соединения однотипных банок в аккумуляторах. Такое делается, если необходимо увеличить значение тока, что идёт на нагрузку. Но вместе с этим приходится и поднимать мощность источника энергии.

Последовательное соединение

Если рассматривать банки, из которых состоят аккумуляторные батареи, то необходимо сказать, что они находятся, как правило, в одном корпусе. Подобный тип соединения используется, чтобы получить большие показатели напряжения с меньшими потерями.

Увидеть применение этой конструкции можно, разобрав автомобильные батареи, которые являются свинцово-кислотными. Стоит сказать, что этот тип применяется не только в устройстве автомобильного аккумулятора, это просто самый вероятный способ разобрать, как же работает подобный тип соединения. В таком случае необходимо позаботится о том, чтобы не было металлического контакта, а существовала надежная гальваническая связь через электролит. Но это только нужно понимать в отношении данного типа. В других случаях по-другому будет реализовываться поставленная задача соединения.

Типы аккумуляторных батарей

Они разнятся из-за своего предназначения, возможностей, реализации и материала. На данный момент современным производством освоен выпуск больше трех десятков типов, которые отличаются своим составом электродов, а также применяемым электролитом. Так, например, li-ion аккумуляторы могут похвастаться семейством из 12 известных моделей. Условно можно выделить следующие типы:

1. Свинцово-кислотные.
2. Литиевые.
3. Никель-кадмиевые.

Это самые популярные представители. Но для понимания возможностей предлагаем ознакомиться со списком материалов, которые могут выступать в качестве электродов:

• железо;
• свинец;
• титан;
• литий;
• кадмий;
• кобальт;
• никель;
• цинк;
• ванадий;
• серебро;
• алюминий;
• ряд других элементов, которые, впрочем, встречаются очень редко.

Использование разных материалов влияет на получаемые выходные характеристики и, следовательно, на сферу применения. Так, к примеру, li-ion аккумуляторы применяются в компьютерных и мобильных устройствах. Тогда как никель-кадмиевые используются в качестве замены стандартных гальванических элементов. Теоретически все типы аккумуляторных батарей могут работать с любой нагрузкой. Вопрос только в том, насколько оправданным является такое применение.

Основные характеристики

Мы уже рассмотрели, что такое аккумуляторные батареи, устройство этих конструкций, из чего их делают. Теперь давайте сосредоточимся на том, что влияет на их эксплуатацию. Важными для нас характеристиками являются:

1. Плотностью называют характеристику соотношения количества энергии к объему или весу аккумулятора.
2. Емкостью именуют значение максимального заряда аккумулятора, которое он может отдать во время процесса разряда, пока не будет достигнуто наименьшее напряжение. Данный показатель выражается в ампер-часах или кулонах. Также может указываться энергетическая емкость. Она измеряется в ватт-часах или джоулях. Задача такой емкости - сообщать о количестве энергии, что отдаётся во время разряда до достижения минимального допустимого напряжения.
3. Температурный режим оказывает влияние на электрические свойства аккумуляторной батареи. Когда есть серьезные отклонения от рекомендованного производителем диапазона эксплуатации, то существует высокая вероятность выхода источника питания из строя. Это объясняется тем, что холод и жара влияют на интенсивность протекания химических реакций, а также на внутреннее давление.
4. Саморазрядом именуют потери емкости, которые происходят после заряда батареи, когда отсутствует нагрузка на клеммах. Во многом этот показатель зависит от конструктивного исполнения и может увеличиваться, если нарушилась изоляция.

Вот такие характеристики аккумуляторных батарей и предоставляют для нас наибольший интерес. Конечно, если придётся делать что-то новое и эксклюзивное, ранее невиданное, то может понадобиться и что-то ещё. Но это весьма маловероятно.

Устройство электродов

В качестве примера мы возьмём свинцовые пластины. Хотя таковыми они были раньше. Современные пластины изготавливаются из свинцово-кальциевого сплава. Благодаря этому достигается низкий уровень саморазряда батареи (50% емкости теряется за 18 месяцев). Также это позволяет экономно расходовать воду (всего 1 грамм на ампер-час).

Можно встретить и гибридную конструкцию, где, кроме свинца, в положительный электрод добавляется сурьма, а в отрицательный - кальций. Правда, в таких случаях имеется повышенный расход воды. Чтобы повысить стойкость к коррозийным процессам, добавляют олово или серебро.

Электроды изготавливаются с решетчатой структурой, их покрывают слоем активной массы. Принцип работы аккумуляторной батареи в немалой степени зависит от того, какой материал используется для пластин. Мы рассматриваем свинцовые, которые просты для изучения, но ориентироваться на них всегда не рекомендуем.

Электролит

Рассматриваем все те же свинцово-кислотные батареи. В качестве электролита, в который они помещаются, чаще всего выступает серная кислота. Она обладает определённой плотностью, которая может меняться в зависимости от В данном случае действует принцип: чем больше, тем выше. Со временем электролит улетучивается, и емкость аккумуляторной батареи падает. На сроке службы сказываются особенности эксплуатации (соблюдение техники безопасности). В батареях электролит может быть двух типов:

• жидким;
• в виде пропитанного специального материала.

На данный момент наиболее распространён первый тип.

Эксплуатация аккумуляторных батарей

Использование аккумуляторов можно наблюдать практически везде. Вспомните свои мобильные телефоны или источники для компьютеров. В качестве примера можно привести и обычный фонарик (современные образцы всё чаще изготавливаются со встроенным аккумулятором и не рассчитаны на гальванические элементы). А автомобили? Системы «стоп-старт» и рекуперативного торможения работают от аккумуляторов, причем они выдвигают высокие требования к пусковому току, глубокому разряду и долговечности. Как видите, без этих источников питания сложно обойтись в современной жизни любому человеку.

Схема построения аккумуляторной батареи

Мы рассмотрели основную информацию о данных устройствах. Давайте ещё уделим внимание такому понятию, как схема аккумуляторной батареи. Ведь в рамках статьи по нему прошлись только вскользь. Аккумулятор современной схемы, согласно истории, был впервые создан французским физиком Гастоном Плантом. Площадь его творения превышала 10 квадратных метров! Современные батареи, по сути, являются просто значительно уменьшенными и немного доработанными копиями его аккумулятора. Видимым для человека элементом является только корпус. Он обеспечивает общность и целостность конструкции.

Разность потенциалов, возникающая при погружении двух пластин в раствор с электролитом, составляет основной принцип работы аккумулятора. Для того, чтобы понять, как работает аккумуляторная батарея, необходимо знать ее устройство.

Устройство аккумуляторной батареи

Аккумулятором называется отдельно взятая ячейка, которая в соединении с другими подобными ячейками образует аккумуляторную батарею. В стандартной 12-ти вольтовой батарее объединены шесть аккумуляторов, вырабатывающих напряжение 2 вольта каждый. Все они заключены в общий корпус, обеспечивающий целостность всей конструкции.

Жесткие требования к корпусу связаны с необходимостью устойчиво переносить колебания температур, агрессивные химические воздействия, а, также, вибрацию. Основным материалом корпуса является полипропилен. В состав корпуса входят две части: основная емкость с большой глубиной, которая закрывается крышкой, оснащенной отверстиями с пробками либо дренажной системой.

В каждой ячейке устанавливается пакет собранный из свинцовых пластин с чередующейся полярностью. На их решетчатую конструкцию наносится активная масса, являющаяся рабочим реагентом. Такие пластины в обязательном порядке применяются в .

Для предотвращения замыкания, между пластинами вставляются сепараторы, материалом для которых служит пористый пластик. После сборки пакет фиксируется с помощью специального бандажа для предотвращения деформации и смещения. К плюсовым и минусовым выводам тока на пластинах подключаются клеммы приема тока.

Принципы работы

Принцип работы аккумулятора основан на реакции между двуокисью свинца положительной пластины, губчатым свинцом отрицательной пластины и раствором серной кислоты с водой. Этот раствор представляет собой электролит, плотность которого составляет 1,28 г/см3. Происходит образование электрического тока, с одновременным образованием на отрицательной пластине сульфата свинца. Происходит выделение воды из электролита, со снижением его плотности.

При поступлении электрического тока из внешних источников, таких как генератор или , электрохимический процесс начинает происходить в обратном направлении. На отрицательных электродах происходит восстановление чистого свинца, а на положительных - регенерируется диоксид свинца. Одновременно повышается плотность электролита.

Таким образом, принцип работы аккумулятора основан на методе двойной сульфатации, позволяющей полностью восстанавливать первоначальные свойства батареи. Срок службы аккумулятора напрямую зависит от качества используемых материалов.

Устройство и неисправности свинцовых аккумуляторов