Устройство, принцип работы автомобильного аккумулятора

Несмотря на то, что основной движущей силой автомобиля является двигатель внутреннего сгорания, без автономного источника питания было бы невозможно обеспечить его нормальное функционирование, и прежде всего – пуск силового агрегата. Накопление энергии, необходимой для прокручивания стартера, происходит во время движения транспортного средства, что избавляет водителя от необходимости частой подзарядки АКБ от внешних источников.

Назначение автомобильного аккумулятора

Наверняка вам знакома аббревиатура АКБ, но далеко не все знают, что обозначает буква «К». Так вот, расшифровывается это буквенное сочетание как «автомобильная кислотная батарея», и хотя современные аккумуляторы далеко не все кислотные, применительно к автомобилям это преобладающий тип аккумуляторов.

Функции автомобильного аккумулятора:

• питание стартера с целью пуска ДВС. АКБ способна на протяжении 30 секунд обеспечивать электроэнергией стартер. Последний, являясь электродвигателем, осуществляет холодный пуск основного силового агрегата;
• аккумулятор может обеспечивать питание бортовой сети транспортного средства, если нагрузка на генератор превысит его возможности электроснабжения потребителей;
• при неработающем моторе питание бортовой сети осуществляются исключительно посредством аккумуляторной батареи.

Отметим, что использование аккумулятора в качестве источника питания при работающем двигателе – ситуация экстраординарная, указывающая или на слишком большое количество потребителей (вернее, их суммарную мощность потребления электроэнергии), или на серьёзные неполадки в бортовой сети, требующие диагностики и оперативного устранения.

Впрочем, некоторое время до выхода генератора на оптимальный режим функционирования (это происходит при достижении частоты вращения коленвала показателя порядка 1800 об/минуту) часть его функций выполняет батарея. После того, как генератор заработал в полную мощность, он начинает восполнять потерянную при пуске мотора ёмкость АКБ и продолжает это делать до момента увеличения напряжения на контактах батареи до определённого значения.

Поскольку действующим веществом аккумулятора является раствор кислоты, он требует к себе бережного отношения. Могут представлять опасность и пары кислоты, выделяющиеся при кипении электролита (процесс, характерный при зарядке АКБ с помощью зарядного устройства). Необслуживаемые батареи в этом плане менее опасны, поскольку здесь газовыделение наружу сведено к минимуму.

Параметры АКБ

Стандартная аккумуляторная батарея, предназначенная для установки на легковой автомобиль, выдаёт напряжение номиналом 12 В – именно на это значение и ориентировано большинство потребителей электроэнергии. Грузовые авто малой грузоподъёмности также используют 12-вольтовые батареи, а вот для большегрузного транспорта этого недостаточно – там используют 24-вольтовые АКБ (если быть более точным, то две 12-вольтовые, соединённые последовательно).

Каждый аккумулятор, независимо от типа, характеризуется несколькими базовыми параметрами:

• ёмкостью;
• напряжением;
• током холодного пуска.

Именно эти характеристики обычно указываются на маркировке аккумулятора. Давайте вкратце пройдёмся по всем трём указанным параметрам.

Под ёмкостью батареи понимают количество энергии, выраженной в амперах, которую полностью заряженная и исправная АКБ способна отдать на протяжении 20 часов. Так, 60-амперная батарея будет в час отдавать 3 ампера, 55-амперная – 2,75 А.

Резервная ёмкость – параметр, который указывается редко, но имеет большое практическое значение. Он измеряется в минутах и указывает, сколько времени аккумулятор может замещать генератор. Так, при совокупной нагрузке 25 А резервная ёмкость должна составлять порядка 90 минут, на протяжении которых напряжение на клеммах упадёт до 10,4-10,5 В.

Номинал напряжения – это суммарное значение разницы потенциалов всех аккумуляторов, входящих в состав батареи (у автомобильной АКБ их обычно 6). Для легкового автомобиля это значение составляет 12 вольт.

Ток холодного пуска (прокрутки) представляет собой величину тока, требующуюся для пуска силового агрегата при отрицательных температурах. Измеряется при следующих условиях:

• температура: -18ºС;
• время работы: 10 секунд;
• выходное напряжение: 7,5 В.

Чем больше величина тока холодного пуска, тем легче будет происходить пуск двигателя в зимнее время.

Устройство АКБ автомобиля

Внешне аккумулятор автомобиля выглядит как монолитный источник питания, но на самом деле он состоит из шести отдельных аккумуляторов, соединённых друг с другом по последовательной схеме с помощью свинцовых перемычек. Каждый такой аккумулятор расположен в отдельном отсеке (банке) и имеет номинал 2,1-2,2 В. Поскольку подключение последовательное, разница потенциалов между первой положительной пластиной первой банки и последней отрицательной пластины шестого отсека является арифметической суммой напряжений в каждом аккумуляторе, что даёт 12,6-13,2 вольта.

Рассмотрим более детально, как устроен автомобильный аккумулятор. Он включает следующие основные компоненты:

• корпус (изготавливается из пластика);
• крышку;
• свинцовые пластины (положительные и отрицательные).
• перемычки, соединяющие банки между собой;
• два вывода для подключения к бортовой сети;
• электролит – раствор серной кислоты;
• заливные пробки (обслуживаемые батареи).

Корпус, крышка

На первый взгляд может показаться, что корпус у аккумуляторной батареи цельный. На самом деле крышка съёмная, хотя и она, и корпус изготавливаются из пластика, нечувствительного к воздействию кислоты. Внутрь корпуса устанавливаются банки, закрываемые сверху крышкой, которая после этого герметизируется.

Пластины

Внутреннее устройство аккумуляторной батареи для автомобиля включает шесть небольших аккумуляторов, каждый из которых состоит из набора положительных и отрицательных пластин.

Минусовая пластина изготавливается из свинца губчатой структуры (катод), плюсовая сверху покрыта слоем диоксида свинца (анод). Уменьшения саморазряда добиваются за счёт ввода в свинец присадки. Для классических необслуживаемых батарей это сурьма (её доля не превышает 5%), в современных АКБ используют кальций, которые существенно уменьшает процессы сульфатации пластин, обеспечивая увеличение ёмкости батареи на величины порядка 50-70%. В гелиевых батареях и устройствах типа AGM используется чистый свинец, позволяющий увеличить значение пускового тока до 1300 ампер.

Электролит

Именно электролит, являющийся раствором серной кислоты в дистиллированной (очищенной от примесей) воде, обеспечивает электрохимические реакции, приводящие к появлению тока. Жидкость считается довольно концентрированной (35% кислоты) и потому небезопасной. Доли воды и кислоты во время работы батареи изменяются, в результате первоначальная плотность электролита варьируется в широких пределах, от 1,22 до 1,32 г/см³. Чем выше плотность, тем больше в электролите серной кислоты и тем устойчивее АКБ к пониженным температурам.

Сепаратор

В автомобильных жидкостных батареях аккумуляторы разделяются посредством сепаратора – пластины из электрически нейтрального, стойкого к кислоте пластика, эбонита или ревертекса. В необслуживаемых моделях батарей в качестве диэлектрика, разделяющего положительные и отрицательные пластины, используется микроволокно, которое, помимо основной функции, удерживает молекулы электролита, не позволяя ему испаряться. Каждая пластина обёрнута таким микроволокном, словно конвертом, что позволяет максимально плотно поместить пластины по отношению друг к другу.

Клеммы и пробки

Клеммы – это свинцовые выводы, соединённые внутри с крайними пластинами, а снаружи к ним подключаются провода в составе бортовой церии автомобиля. Обслуживаемые АКБ оснащаются пробками, закрывающими отверстия в крышке, через которые возможна заливка готового электролита или дистиллированной воды.

Принцип работы автомобильного аккумулятора

А теперь рассмотрим, как работает стандартный аккумулятор автомобиля.

Принцип функционирования АКБ основан на взаимных преобразованиях электрической и химической энергии электролита. При разряде химический потенциал преобразовывается в электрический, при зарядке происходит обратный процесс: поступающее от генератора электричество способствует обратному преобразованию и, соответственно, накоплению химической энергии.

Разница состоит в том, что отдаёт электроэнергию батарея быстро, а накапливает медленно.

Достаточно подключить к АКБ внешнюю нагрузку, чтобы активировать процесс химической реакции между электролитом и пластин, в результате которой кислота связывается со свинцом, образуя сульфат свинца и понижая количество кислоты в электролите. Процесс сопровождается возникновением ЭДС, или электрического тока, который и снимается с клемм батареи.

При функционирующем генераторе принцип работы аккумуляторной батареи заключается в обратном процессе. Под воздействием тока сульфат свинца распадается на свинец (двуокись свинца в случае положительной пластины) с выделением серной кислоты. Плотность электролита при этом увеличивается, поскольку соляная кислота тяжелее воды.

Процесс зарядки должен контролироваться. При недостаточно высоком напряжении батарея не будет заряжаться полностью, что чревато преждевременным выходом из строя источника питания. Чрезмерное напряжение тоже опасно, поскольку при этом процесс электролиза протекает намного активнее, и при дефиците кислоты начинается процесс разложения воды на атомарные составляющие (газообразный кислород и водород), что приводит к снижению объёма электролита – он выкипает.

Когда в машине работает генератор, аккумулятор начинает заряжаться, а за уровнем напряжения следит соответствующий датчик – как только оно повышается сверх критичного уровня, генератор снижает или вовсе прекращает подачу тока на батарею.

Теоретически при отсутствии нагрузки аккумулятор должен пребывать в нейтральном состоянии, но в действительности существует ток саморазряда, приводящий к постепенной разрядке АКБ. Скорость этого процесса зависит от многих факторов. В числе основных – конструктивные особенности аккумулятора, а также температура окружающей среды (чем она выше, тем больше ток саморазряда).

Таков вкратце принцип работы аккумулятора современного автомобиля. Усилия производителей сосредоточены над совершенствованием конструкции АКБ и повышении их эффективности.