Устройство аккумуляторной батареи и принцип ее действия устройство стартера

Обновлено: 26.01.2025

Автомобиль в наше время перестал быть роскошью и стал средством передвижения. Многих автомобилистов интересуют такие вопросы, как: какие автомобильные аккумуляторы лучшие, устройство автомобильного аккумулятора и принцип его работы. Сегодня в нашей статье мы ответим на эти вопросы, а также расскажем, можно ли зарядить автомобильный аккумулятор.

Под крышкой аккумулятора размещаются:

• Аккумуляторная батарея, состоящая из шести аккумуляторов или, как их еще называют, банок. Банки помещены в электролит – раствор, состоящий из 35% серной кислоты и 65% дистиллированной воды. Электролит необходим для взаимодействия химических элементов и вырабатывания электрического тока.
• Борны, предназначенные для наружного токоотвода. К ним привариваются положительный и отрицательный полюсные выводы.
• Перегородки, обеспечивающие разделение блоков аккумуляторов (банок) друг от друга.
• Полюсные мосты с межэлементными соединителями, при помощи которого выполняется герметичное соединение блоков аккумуляторов через перегородку корпуса.

Банки же в свою очередь состоят из следующих частей:

• Блок положительных электродов, выполненный из свинцовых решетчатых пластин, на которые нанесена активная масса из диоксида свинца. Все электроды через ушко подсоединены к полюсному мосту.
• Блок отрицательных электродов из свинцовых решетчатых пластин, в которые впрессована активная масса из мелкопористого свинца. Электроды через ушко, так же подсоединены к соответствующему полюсному мосту.

Стоит отметить, что количество реагента, нанесенного на пластины положительных и отрицательных электродов, определяет такую важную характеристику аккумуляторной батареи, как ее емкость, а площадь поверхности пластин — пусковой ток.

• Сепаратор. Чаще всего представляет собой конверт из мипора, мипласта или полиэтилена. Он обеспечивает разделение участвующих в электрохимических превращениях реагентов, а также обеспечивает возможность диффузии электролита от одного электрода к другому.

Принцип работы аккумуляторной батареи

Принцип действия аккумулятора основан на образовании разности потенциалов между двумя электродами, погруженными в электролит. При подключении нагрузки к аккумулятору активное вещество на положительных и отрицательных электродах вступает в химическую реакцию с электролитом, который частично диссоциирован на положительные и отрицательные ионы. Под действием ЭДС аккумулятора электрический ток потечет по направлению от положительного электрода к отрицательному. Электроны, накопившиеся на отрицательном электроде, будут перетекать по внешней цепи в противоположном направлении. Электроны, двигаясь по сеткам электродов, будут вырабатывать электрический ток, при этом в одной банке формируется напряжение около двух Вольт. После того как электроны из первой банки проходят во вторую, они набирают еще два Вольта. Далее все повторяется, пока напряжение автомобильного аккумулятора на выходе не составит 12 Вольт.

Важно отметить, что во время разрядки происходит окислительная реакция, которая приводит к образованию на пластинах электродов сульфата свинца и к истощению электролита.

Чтобы выполнить заряд автомобильного аккумулятора, к его борнам необходимо присоединить источник тока, напряжение которого превышает ЭДС аккумулятора. Ток будет протекать через аккумулятор в направлении, обратном току разряда. Электроны будут перетекать от отрицательных электродов к положительным, при этом так же будет восстанавливаться ионный состав электролита.

Мы рассказали об устройстве и принципе работы аккумуляторной батареи. Вы также можете посмотреть наше видео, в котором подробно показано, как устроен АКБ и как она работает.

Если этот материал был для Вас полезным, поделитесь им в социальных сетях!

Для чего нужны стартерные аккумуляторные батареи понятно каждому мало-мальски сведущему в технических вопросах автолюбителю. С первой ее функцией, обеспечением запуска двигателя мы сталкиваемся каждый день. Есть и вторая реже применяемая, но от того не менее значимая использование в качестве аварийного источника питания при выходе из строя генератора.

Требования к аккумуляторной батарее

Требования к характеристикам пусковых аккумуляторных батарей в современных автомобилях постоянно растут. Дизельные двигатели и двигатели с искровым зажиганием с большим рабочим объемом предъявляют высокие требования к холодному запуску (высокий пусковой ток, особенно в мороз). Электрические системы в автомобилях с полным спектром электрооборудования требуют от аккумуляторных батарей большого количества энергии, если вырабатываемой генератором энергии временно не хватает, или (что нельзя недооценивать), когда двигатель выключен. Суммарная выходная мощность установленного электрооборудования, запитываемого в течение нескольких минут от аккумуляторной батареи, часто превышает 2 кВт. Кроме того, пиковый ток в рабочем режиме, который аккумуляторная батарея должна выдавать в течение дней и даже недель, составляет много тысяч миллиампер.

Помимо этих аспектов, требующих однородного электропитания, аккумуляторные батареи в электрической системе автомобиля должны поддерживать задачи, требующие динамических импульсов с большим током, которые не могут быть обеспечены генератором столь же быстро (для переходных процессов, таких как процессы включения в электрическом усилителе руля). Кроме того, из-за очень большой естественной емкости двухслойного конденсатора (несколько фарад) аккумуляторная батарея способна великолепно сглаживать пульсации тока в бортовой сети. Это помогает свести к минимуму и даже устранить проблемы с электромагнитной совместимостью.

Принимая во внимание вышесказанное, легко понять, почему столько вкладывается средств в оптимизацию характеристик аккумуляторных батарей в процессе производства и обеспечение их работы при обслуживании. Самые передовые аккумуляторные батареи — это те, что не просто обладают необходимыми электрическими свойствами, но и не требуют обслуживания, безопасны для окружающей среды и особенно безопасны в обращении. Ожидается, что на автомобили все чаще будут устанавливаться системы с двумя аккумуляторными батареями и устройствами для измерения состояния заряда АКБ для повышения надежности электропитания путем предотвращения полного разряда и своевременной замены аккумуляторной батареи.

Аккумуляторные батареи специально разрабатывают в целях удовлетворения отдельных требований электросистемы автомобиля по мощности пуска двигателя, емкости и величине тока зарядки при температурах от -30°С до +60°С. Существуют дополнительные требования для необслуживаемых аккумуляторных батарей, аккумуляторных батарей с защитой от вибраций.

Типичное напряжение бортовой сети составляет 12 В у легковых автомобилей и 24 В у грузовых; это достигается путем последовательного соединения двух аккумуляторных батарей напряжением 12 В.

Устройство аккумуляторной батареи

Компоненты аккумуляторной батареи

Материал решетчатых пластин аккумуляторной батареи

По разным причинам (жидкотекучесть, обработка, механическая прочность, стойкость к коррозии), для решеток используется сплав свинца с сурьмой. Стандартные способы изготовления решеток — отливка, прокатка и штамповка.

Свинцово-сурьмяный сплав (PbSb)

Свинцово-кальциевый сплав (РbСа)

Еще одним преимуществом является высокое напряжение газообразования, стабильное в течение срока службы, и связанный с этим расход воды (меньший по сравнению со сплавом свинца с сурьмой).

Свинцово-кальциевые сплавы с добавлением серебра (РЬСаAg)

Помимо снижения содержания кальция и увеличения содержания олова этот сплав также имеет определенный процент серебра (Ag). Он имеет более тонкую структуру решетки и показал себя крайне стойким даже при высоких температурах, ускоряющих коррозию. Это сказывается, когда происходит деструктивный перезаряд при высокой плотности электролита и (что в равной степени нежелательно) в перерывах в эксплуатации при высокой плотности электролита.

Свинцово-кальциево-оловянные сплавы (PbCaSn)

Этот сплав используется для решеток, изготавливаемых непрерывной прокаткой и штамповкой, и содержит гораздо больше олова, чем РЬСаAg. Он отличается крайне высокой стойкостью к коррозии при небольшой массе решетки.

Заряд и разряд аккумуляторной батареи

Кривые напряжения АКБ в зависимости от времени разряда при разных разрядных токах

Поведение аккумуляторной батареи при низких температурах

В принципе, при низких температурах химические реакции в аккумуляторной батарее происходят медленнее. Поэтому пусковая мощность даже полностью заряженной аккумуляторной батареи снижается при падении температуры. Чем больше аккумуляторная батарея разряжается, тем ниже плотность электролита. Так как плотность электролита уменьшается, то его точка замерзания повышается. Аккумуляторная батарея, электролит которой имеет низкую температуру замерзания, способна обеспечивать низкое значение тока, которого бывает недостаточно для пуска двигателя автомобиля.

Характеристики аккумуляторных батарей

Обозначение на аккумуляторной батарее

Стартерные аккумуляторные батареи, изготавливаемые в Германии, маркируются с указанием номинального напряжения, номинальной емкости и испытательного тока разряда в холодном состоянии (например, DIN EN 50342). Стартерные аккумуляторные батареи, изготавливаемые в Германии, идентифицируются девятизначным номером (ETN) согласно стандарту EN 50342. Этот номер содержит информацию о номинальном напряжении, номинальной емкости и низкотемпературном испытательном токе.

Например: 555 059 042 означает: 12 В (первая цифра кода); 55 А-ч; специальный тип конструкции (059); низкотемпературный испытательный ток 420 А.

Емкость аккумуляторной батарею

Емкость — это время, в течение которого аккумуляторная батарея способна отдавать определенный ток при заданных условиях. Емкость уменьшается по мере того, как увеличивается разрядный ток и уменьшается температура электролита.

Номинальная емкость АКБ

Стандарт DIN EN 50342 определяет номинальную емкость K₂₀ как заряд, который аккумуляторная батарея способна отдать в течение 20 ч до напряжения отсечки 10,5 В (1,75 В/элемент) при заданном постоянном разрядном токе I₂₀ (I₂₀=K₂₀ /20 ч) при 25 °С. Номинальная емкость аккумуляторной батареи зависит от количества используемого активного материала (масса положительных пластин, масса отрицательных пластин, электролит) и не влияет на количество пластин.

Низкотемпературный испытательный ток

Низкотемпературный испытательный ток I_сс (ранее I_КР) показывает способность аккумуляторной батареи выдавать ток при низких температурах. Согласно стандарту DIN EN 50342, напряжение на выводах аккумуляторной батареи при I_сс и -18°С через 10 с после начала разряда должно составлять не менее 7,5 В (1,25 В на элемент). Более подробная информация о времени разрядки приведена в стандарте DIN EN 50342. Краткосрочное поведение аккумуляторной батареи вовремя разряда при I_cc, главным образом, определяется числом пластин, их площадью поверхности, а также промежутком между пластинами и материалом сепаратора.

Еще одной переменной, характеризующей пусковую реакцию, является внутреннее сопротивление R_i. К полностью заряженной аккумуляторной батарее (12 В) при -18°С применимо уравнение: R_i 0,03 г/ мл). При возникновении обрывов цепи в соединителях гальванических элементов аккумуляторной батареи зачастую может отдавать небольшой ток и может заряжаться, но даже у полностью заряженной аккумуляторной батареи при попытке завести двигатель напряжение упадет.

Если в аккумуляторной батарее нет неисправностей, но она устойчиво теряет заряд(признаки: низкая плотность электролита во всех гальванических элементах, отсутствие пусковой мощности) или перезаряжается (признаки: большая потеря воды), это говорит о неисправности электрооборудования (неисправен генератор, электрооборудование остается включенным после выключения двигателя из-за неисправности, к примеру, реле, регулятором напряжения выбрано слишком маленькое или слишком большое значение, либо он вообще вышел из строя). В батареях, подвергающихся глубокому разряду в течение длительного времени, образующийся при разряде мелкокристаллический сульфат свинца может превратиться в крупнокристаллический, что усложняет заряд аккумуляторной батареи.

Основным источником электроэнергии в автомобиле является генератор – от него питаются все потребители при работающем двигателе. Но мотор сначала надо запустить. Для этого в машине установлена аккумуляторная батарея.

Определение АКБ и его функция в автомобиле

Аккумуляторная батарея (АКБ) – электрохимический возобновляемый источник электрической энергии. Он может снабжать потребителей до исчерпания заряда, после чего может быть перезаряжен. Количество циклов заряд-разряд ограничено, оно определяет жизненный ресурс батареи.

В автомобиле основное назначение АКБ - запуск двигателя. От аккумулятора запитывается стартерный двигатель, который приводит во вращение вал мотора, а также бензонасос (если он с электроприводом) и другие необходимые для старта узлы. После окончания последовательности пусковых операций на номинальный режим выйдет генератор, и вся нагрузка бортсети (включая возобновление потраченной на пуск энергии АКБ) перейдет на него.

Также аккумулятор может запитать потребителей, если двигатель не запущен. В штатном режиме это может быть аварийное светосигнальное оборудование, охранная сигнализация, в темное время суток – габаритные фонари и т.п. В нештатной ситуации могут быть обеспечены питанием и другие потребители - автозвук, световое оборудование при ремонте и диагностике и т.п. Надо лишь помнить, что время пользования до следующего заряда ограничено.

Устройство аккумуляторной батареи и принцип ее работы

Самый простой аккумулятор состоит из двух электродов – положительного из оксида свинца, отрицательного из свинца. Оба электрода помещены в раствор серной кислоты. При подключении потребителя начинают протекать химические реакции.

Всего их при заряде-разряде несколько десятков, но для понимания работы АКБ наиболее важны следующие:

при разряде на аноде (плюсовом электроде) диоксид свинца при взаимодействии с серной кислотой восстанавливается до сульфата свинца с образованием воды;
при этом на катоде (минусовом электроде) свинец окисляется с образованием сульфата свинца (PbSO₄).

В итоге происходит два важных для эксплуатации явления:

Содержание серной кислоты в электролите падает (уменьшается плотность электролита).
На пластинах выпадает плохо растворимый в кислоте осадок сульфата свинца.

При заряде реакции идут в обратном направлении:

на катоде в результате реакции из сульфата свинца образуется свинец и кислотный остаток серной кислоты, катод заряжается отрицательным потенциалом;
на аноде сульфат свинца с водой образуют серную кислоту и чистый свинец, заряжая электрод положительно.

Итогом реакций становится:

Растворение сульфата свинца.
Увеличение содержания серной кислоты и повышение плотности электролита.
Появление электродвижущей силы (ЭДС), достигающей 2,1 вольта.

Если процессы протекают строго симметрично, то выпадающий осадок PbSO₄ полностью растворяется. На практике такого не бывает, полное равновесие соблюсти сложно. Поэтому пластины постепенно покрываются слоем сульфата, маскирующим полезную площадь. В итоге емкость АКБ снижается. Этот процесс называется сульфатацией.

В практических конструкциях изначально свинцовые решетчатые пластины заполняют намазкой из смеси оксида свинца и свинцового сурика (с химической точки зрения - соединение свинца и кислорода). При первом заряде происходит формовка пластин. Во время реакции с серной кислотой на одном аноде образуется оксид свинца в губчатом виде, на другом – металлический свинец (также в пористой форме). Емкость аккумулятора зависит от площади пластин, поэтому практическое устройство элемента аккумуляторной батареи выглядит как пакет из анодных и катодных пластин, набранных поочередно и соедиенных параллельно.

ЭДС такого пакета от количества пластин не зависит и также равна 2,1 вольта. Батарея на 6 или 12 вольт состоит из 3 или 6 банок, соединенных последовательно.

По каким технологиям изготавливают

Тематическое видео: Революционная твердотельная батарея от Toyota

Технология GEL

В этих аккумуляторах электролит загущен до состояния геля специальными добавками. Главное достоинство батареи – необслуживаемое исполнение и практическая невозможность пролива электролита . Даже при небольших повреждениях корпуса гель не вытечет. Также созданы условия для рекомбинации газов в толще электролита. Водород и кислород, даже если они образуются при зарядке, не улетучиваются, а реагируют в толще геля с образованием воды. Малая часть газов, не поучаствовавшая в рекомбинации, улетучивается в пространство над электролитом. Когда давление достигает определенного предела, оно сбрасывается в атмосферу через специальный клапан. Другим плюсом является возможность эксплуатации почти в любом положении. Электрохимические реакции в таком элементе не отличаются от реакций в обычном аккумуляторе, принцип работы гелевой батареи абсолютно такой же, поэтому ЭДС одного элемента составляет те же 2,1 вольта.

Главный минус АКБ с загущенным электролитом – пониженная динамика электрохимических реакций. Результатом этого становится пониженная токоотдача, которая не позволяет применять гелевые АКБ в качестве автомобильных стартерных. Зато такие батареи используют в качестве тяговых аккумуляторов, буферных элементов и в качестве источников питания, не требующих сервиса, на удаленных объектах (устройства телемеханики, ретрансляторы связи и т.п).

Технология AGM

Эта технология позволяет в полной мере использовать преимущества пластин, легированных кальцием. Тонкие пластины собирают в компактный пакет, а чтобы избежать короткого замыкания, между ними прокладывают сепаратор-разделитель, как показано на рисунке в разрезе.

Он изготовлен из волокнистого материала (обычно, стекловолокна). Пространство между волокнами заполнено электролитом, который удерживается внутри сепаратора капиллярными силами, поэтому свободной жидкости в такой батарее тоже нет. Часть межволоконного пространства оставлена незаполненным – небольшое количество газов, которое все же образуется во время эксплуатации, рекомбинирует в этих пустотах.

Достоинством технологии AGM является наличие электролита в связанном, но в жидком виде. На динамику реакций ничего не влияет, такие АКБ обладают хорошим током холодной прокрутки. Для использования в автомобилях эти батареи подходят как нельзя лучше, а необслуживаемое исполнение удешевляет эксплуатацию.

Технология EFB

Строение аккумуляторов, изготовленных по данной технологии, является промежуточным между традиционными батареями и AGM. Пластины (обычно, каждая положительная) такой АКБ помещены в сетчатый сепаратор, который позволяет расположить электроды более компактно без риска короткого замыкания. Внутри корпуса находится электролит в свободном виде, но часть его абсорбируется сеткой разделителя, которая позволяет держать пластины постоянно смоченными раствором серной кислоты.

Кроме того, сепаратор снижает вымывание обмазки пластин и удерживает ее от осыпания, что положительно сказывается на сроке службы АКБ, увеличивая количество возможных циклов. Такие батареи обладают многими достоинствами аккумуляторов AGM, но их производство значительно дешевле.

Несмотря на развитие литий-ионных технологий, кислотно-свинцовые батареи еще долго будут занимать свои ниши в сфере автономных источников питания. Предпосылками к этому служат их дешевизна, конструкция, отработанная десятилетиями, относительно долгий срок службы при эксплуатации в соответствующих условиях.

Важной частью каждого автомобиля является аккумуляторная батарея (АКБ).

Автомоби́льный аккумуля́тор — это тип аккумулятора , который применяется на автомобильном или мототранспорте. Используется в качестве источника электроэнергии для работы бортовой сети автомобиля при неработающем двигателе или для запуска двигателя.

АКБ служит для электрического питания цепей управления и бортовой сети, когда двигатель не работает. Но самое главное его предназначение – пуск двигателя. АКБ приводит в действие стартер, во время заводки двигателя автомобиля.

В последнее время на автомобилях применяют кислотно-свинцовые аккумуляторы, с напряжением 12 В. Они хорошо зарекомендовали себя и имеют долгий срок эксплуатации. Но если ваш аккумулятор сдох, можно попытаться реанимировать АКБ.

Основные параметры автомобильного аккумулятора, которыми он должен обладать

Не большое внутреннее падение напряжения;
Медленный саморазряд во время эксплуатации;
Способность выдавать большие токи;
Удобные габариты и простое обслуживание.

Устройство аккумуляторной батареи (АКБ)

Банка аккумулятора состоит из полюсных пластин, изолированных друг от друга кислотоупорными сепараторами.
Корпус аккумулятора изготовлен из специальной кислотоупорной пластмассы или эбонита. В корпусе вылиты специальные отсеки для установки банок аккумулятора.
Полюсная пластина представляет собой решетку с ячейками, изготавливаемую из свинца. В каждую ячейку решетки впрессовано активное вещество пористой структуры, что обеспечивает увеличение площади соприкосновения с электролитом.

В состав активного вещества входит свинцовый порошок с добавлением серной кислоты. В отрицательных пластинах размещается сернокислый барий. Во время формировки АКБ пластины заряжаются, и активное вещество превращается в диоксид свинца, а в отрицательных – в губчатый свинец.

Электролит – специальная жидкость, которая заливается в банки аккумулятора и служит для движения заряженных частиц от полюса к полюсу. Электролит состоит из серной кислоты и очищенной дистиллированной воды.

Принцип работы аккумуляторной батареи (АКБ)

В процессе работы в АКБ происходит движение заряженных частиц, вследствие чего появляется ток.

Обслуживание АКБ

АКБ необходимо обслуживать и заряжать. Если вы настоящий автомобилист или водитель вам следует знать как заряжать АКБ. Если вы столкнулись с проблемой пуска двигателя зимой, скорее всего вам придется запустить двигатель от АКБ другого автомобиля.

Читайте также: