Как устроен электрический аккумулятор, его принцип работы, виды, назначение и основные характеристики

Основные характеристики

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.

Виды батареек по химическому составу

В быту «батарейками» называют гальванические элементы, которые создают электрический ток за счет химической реакции. Гальванические элементы производят электрическую энергию благодаря реакциям между двумя металлами в растворе электролита. Один металл является «минусом», другой «плюсом». Между ними протекает реакция окисления (на «минусе») и восстановления (на «плюсе»), за счет которой и возникает ток.

Традиционно с химической точки зрения батарейки разделяют на виды в зависимости от того, какие металлы или какой тип электролита в них используется.

Солевые батарейки

Это старейший тип батареек, разработанный компанией Eveready еще в 20-х годах прошлого века. В качестве «минуса» в нем используется цинк, а в качестве «плюса» — двуокись марганца. Электролит, который обеспечивает протекание реакции — хлорид аммония. Это соль, поэтому батарейка называется солевой.

Солевые батарейки имеют международную маркировку R. Такие батарейки подходят для устройств, не требующих большой мощности питания: детских игрушек, пультов ДУ для телевизоров, часов, ручных фонариков, небольших радиоприемников.

Преимущества

дешевизна маленький вес возможность возобновить работу батарейки после разряда

Недостатки

невысокая выработка токане работают при минусовых температурахнебольшой срок храненияпроблемы с герметичностьюи быстрая разрядка при неиспользовании

Щелочные батарейки

Щелочные батарейки также называются алкалиновыми (от французского alcaline — щелочной). Они также состоят из марганца и цинка, но в качестве электролита, в котором протекает реакция, в них используется гидроксид калия. Это щелочь, поэтому у батарейки такое название.

Щелочная батарейка маркируется буквами LR. Эти батарейки подходят для устройств со средним и высоким потреблением тока, таких как ручные прожекторы, плееры и диктофоны, фотоаппараты.

Преимущества

большая емкость, чем у солевых могут работать при низких температурах герметичны малая скорость саморазряда — могут храниться до 7 лет

Недостатки

цена чуть вышеболее тяжелый весодноразовые — после выработки заряда использоваться больше не могут

Ртутные батарейки

В этих батарейках в качестве «минуса» служит цинк, а «плюса» — оксид ртути. Они разделяются слоем электролита, в роли которого выступает 45% раствор щелочи (гидроксид калия, как и в алкалиновых).

Ртутные батарейки в наше время используются очень редко из-за общеизвестного факта: ртуть токсична. Однако еще в недалеком прошлом они активно применялись в электронных часах, весах, медицинской технике — слуховых аппаратах, кардиостимуляторах.

Преимущества

стабильность напряжения большая ёмкость высокая энергоплотность стойкость к перепаду температур долгое время хранения

Недостатки

ядовитость ртути при нарушении герметичностидороговизнасложность утилизации

Серебряные батарейки

Есть и такие. В них роль «минуса» опять играет цинк, а роль «плюса» — оксид серебра. Реакция с выделением электрического тока протекает при помощи щелочного электролита — гидроксида калия или натрия.

Международная маркировка серебряной батарейки — SR. Используются они в тех же сферах, что и ртутные, и по достоинствам и недостаткам практически им аналогичны. Главное преимущество серебряных батареек перед ртутными — безопасность: серебро нетоксично, и при нарушении герметичности корпуса нет риска отравления. Главный минус —  серебряные батарейки дороже всех остальных видов батареек.

Литиевые батарейки

Наконец, последний тип батареек — литиевый. У этих батареек в качестве «плюса» используется литий, а вот «минус» и электролит могут быть представлены различными веществами: диоксид марганца, монофторид углерода, пирит, тионилхлорид и другие.

Литиевые батарейки могут использоваться в разной портативной электронике и имеют маркировку CR. Они объединяют в себе все преимущества предыдущих типов и, по факту, являются самым хорошим гальваническим элементом питания. Но по сравнению с щелочными и солевыми элементами литиевые батарейки дороговаты (хотя в зависимости от используемых веществ цена может сильно различаться). Поэтому первые тоже выпускаются в большем количестве для бюджетного сегмента.

Преимущества

легкость долгое время хранения (до 12 лет) термическая стойкость стабильное напряжение высокая энергоплотность и энергоемкость

Недостатки

высокая стоимость

Как видите, литиевые батарейки — это единственный тип, у которого достоинства решительно перевешивают недостатки. Поэтому рекомендуем попробовать:

Классификация АКБ

Типы АКБ в зависимости от состояния электролита

Из множества существующих сегодня типов АКБ для легковых машин, микроавтобусов и малотоннажных грузовиков применяют, в основном, три:

• Свинцово-кислотные с жидким электролитом. Электроды из сплава свинца и сурьмы погружены в водный раствор серной кислоты. Такая батарея не может быть полностью герметичной. Электролит может выплёскиваться, выливаться при кипении и активно испаряться. Правда, его уровень и состав можно восстановить. При слабом заряде и слишком низкой плотности электролита жидкость может замёрзнуть и разрушить пластины и корпус. Обычные свинцово-кислотные батареи дешевле двух других типов.
• Гелевый, технология GEL. Электролит представляет собой желеобразную массу, загущенную силикагелем. В таком виде электролит не выливается, не кипит, значительно меньше испаряется и обладает более высоким сопротивлением к высоким разрядным токам. Соответственно, электродные пластины подвергаются меньшему износу. Гелевые АКБ безопасны, не боятся тряски и переворачивания, меньше подвержены разрядке на морозе, дольше держат заряд при высоких тяговых нагрузках, менее чувствительны к глубокой разрядке. Недаром этот тип батарей всё больше используется в тяжёлых условиях эксплуатации: в электротранспорте, альтернативной энергетике, промышленности. Абсолютно по всем параметрам они превосходят обычные свинцово-кислотные. Недостаток единственный: автомобильные аккумуляторы лучшие — обычно самые дорогие.
• АКБ с абсорбированным электролитом, технология AGM. Электролит абсорбирован до практически сухого состояния. По свойствам схожи с гелевыми, но всё же немного им уступают, в том числе по стоимости.

Классификация АКБ в зависимости от габаритов и типа

• • Размер, как правило, не имеет значения. Исключения бывают в некоторых моделях компактных легковушек, где площадка для установки батареи может иметь ограниченные габариты. Также изделия для японского и европейского рынков имеют разную ширину, и не всегда система крепления батареи универсальна.
  • Полярность тоже отличается. На отечественных авто до сих пор плюс располагали слева, минус справа. Такое расположение называют прямым. На европейских и большинстве азиатских наоборот. Это обратная полярность. У «американцев» встречаются оба типа, хотя преобладает обратный.

Клеммы на новых европейских и азиатских машинах отличаются диаметром (тип 1 — Европа, тип 3 — Азия). Причём «+» и «-» имеют разный размер, их не перепутаешь. Азиатские контакты тоньше. На старых иномарках и отечественных авто клеммы одинаковые, нужно быть внимательным, подсоединяя контакты. На японских изделиях, в отличие от европейских, клеммы выступают над корпусом. Общая высота выходит больше. В плотно «набитом» подкапотном пространстве некоторых «европейцев» японская батарея не помещается.

Типы АКБ в зависимости от возможности обслуживания

• Обслуживаемые — обычные АКБ с доступом к жидкому кислотному электролиту. При нестабильной зарядке склонны к вскипанию и испарению электролита. Его необходимо доливать по мере испарения. Контролировать уровень и плотность электролита положено каждые 45-60 дней.
• Малообслуживаемые схожи с предыдущим типом. Конструкция электродов снижают величину испарения электролита, но возможность обслуживания сохраняется.
• Необслуживаемые батареи — неразборные батареи, состояние электролита контролировать невозможно. Нередко встречается утверждение, что необслуживаемые АКБ герметичны. Это не так, небольшие отверстия в них имеются и пары могут выходить наружу. Существует два типа данных устройств.

1. Первый — батареи с жидким электролитом и пластинами из сплава с низким содержанием сурьмы. Они обладают всеми свойствами и недостатками обслуживаемых аналогов. Строение корпуса, состав сплава, из которых изготовлены пластины минимизирует испарение жидкости. С другой стороны, если от перезарядки электролит всё же выкипит, долить его не получится.
2. Второй, намного лучший тип — необслуживаемые автомобильные аккумуляторы, что содержат загущенный или абсорбированный электролит. Они безопасны, не взрываются при зарядке, не лопаются на морозе и малочувствительны к тряске и переворачиванию.

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.

Совет! Несмотря на широко рекламируемое отсутствие необходимости обслуживать современные модели аккумуляторных батарей, основой долголетия – будет современная система зарядки и диагностики, позволяющая заряжать ее в оптимальных условиях.

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 см3.

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:

Видео устройства аккумулятора:

Как выбрать аккумулятор для автомобиля: основные критерии

Если заказываешь АКБ через интернет, рискуешь получить некачественное изделие. Чтобы выбрать хорошую АКБ, нужно подойти к этому ответственно. Важный критерий — интенсивность пусковых токов при низких температурах. Они должны быть достаточно высокими, если машина ездит в суровых климатических условиях.

Сейчас можно выбрать аккумулятор по марке автомобиля — с минимальным риском ошибиться. Приложение обеспечивает подбор АКБ с учетом типа, размеров и характеристик. Если же у вас нет возможности выбора по каталогу, то смотрите на следующие критерии.

Объем двигателя

Выбирать аккумулятор для авто следует исходя из типа и технических характеристик силового агрегата. Для запуска дизельного двигателя с большим объемом нужна батарея большей емкости, чем для бензиновой малолитражки. В руководстве по эксплуатации машины вы найдете рекомендованные производителем параметры АКБ, что существенно упростит ее поиск.

Сила пускового тока

Аккумуляторы имеют маркировку вида 6СТ-60 или 6СТ-55, в которой указана номинальная емкость в ампер-часах — соответственно 60 и 55 Ач при условии, что заряд полный. Для оценки емкости АКБ используется еще один показатель. Это период времени, в течение которого батарея способна отдавать ток в 25 А при температуре окружающей среды в 27⁰C. Для упомянутых выше изделий разряд в ноль происходит в течение 100–105 минут.

При запуске машины для работы стартера требуется большой ток, который обеспечивает аккумулятор. При -18⁰C его мощность падает больше, чем на 60%. Соответственно, для нормальной эксплуатации машины на севере стартовый ток батареи должен быть вдвое выше, чем у тех машин, что используют в условиях умеренного или теплого климата

Тип клемм и полярность

Есть батареи 2 видов для автомобилей европейского и азиатского производства. Плюсовые и минусовые клеммы на них размещены с точностью до наоборот. На японских батареях плюсовая — слева, минусовая — справа, часто такие АКБ не подходят для машин, сделанных в ЕС и США

Это важно, ведь несоблюдение полярности при подключении батареи приводит к выходу из строя электроники

Различны у АКБ также и размеры клемм: у аккумуляторов, изготовленных по европейским стандартам, «плюсовые» имеют диаметр 19.5 мм, «минусовые» — 17.9 мм. У азиатских Type 3 12.7 и 11.1 мм соответственно. Для подключения агрегата с тонкими клеммами используют переходники‐колпачки.

Габариты АКБ автомобиля

Правильно выбрать аккумулятор для конкретного автомобиля можно, если известны точные размеры старой АКБ. Плотность компоновки оборудования в моторном отсеке очень высокая, и установить большую батарею на место меньшей по габаритам просто не удастся. Перед визитом в магазин обмерьте старый агрегат, чтобы исходить из этих размеров.

Дата выпуска аккумулятора авто

На рынке много батарей, произведенных несколько лет назад. Максимальный срок службы будет существенно меньшим, нежели у тех, что только сошли с конвейера. Дата выпуска АКБ должна быть указана на корпусе и этикетке, которая наклеивается на изделие. Если этикетка отсутствует и вид батареи вызывает сомнения, откажитесь от покупки. Лучше покупать аккумулятор для авто, изготовленный как можно ближе к дате приобретения. Тогда можно рассчитывать на долгую работу АКБ.

Какой фирмы аккумулятор приобрести?

Выбирая, какие аккумуляторы приобретать для автомобиля, исходите из собственных финансовых возможностей. Для установки на машину с большим пробегом есть смысл купить российский агрегат, который по надежности мало уступает импортному, но значительно его дешевле. Слишком низкая цена аккумулятора должна насторожить. В магазинах много контрафактных изделий, которые ломаются спустя несколько месяцев.

Виды аккумуляторов

Классификация акб по составу активного вещества

Свинцовые пластины, используемые в старых аккумуляторах перестали устраивать потребителей. Возникала необходимость по улучшению качества работы акб. Сначала добавили сурьму к свинцу, что позволило заметно продлить срок эксплуатации батареи. На следующем этапе – уменьшили процентное содержания сурьмы до оптимальной концентрации. Такой подход привел к созданию малообслуживаемых аккумуляторов, потому что в них уже намного реже требовался долив воды.

При использовании металлического кальция для покрытия пластин появились кальциевые энергосберегающие источники. В предыдущих моделях потери воды из-за электролиза на 12 вольт требовали постоянного долива, а кальций позволил повысить этот порог до 16 вольт. Так появилась возможность в производстве необслуживаемых аккумуляторов использовать герметичный, неразборной корпус.

• Сурьмянистые батареи относятся к классике из-за повышенного состава сурьмы, которая ускоряет процесс электролиза.
• В малосурьмянистых акб материалом для пластин служит свинец с небольшой примесью сурьмы. В них степень саморазряда значительно меньше, чем в сурьмянистых АКБ.
• При производстве кальциевых источников свинцовые пластины легированы до 0,1% кальцием. Они могут иметь различные заряды, как отрицательный, так и положительный.
• Гибридные источники энергии вытесняют кальциевые. Конструктивные отличия состоят в том, что при их производстве объединили две технологии: одна, когда пластины формируются из сплава свинца и сурьмы, положительные электроды, а другая – когда пластины формируются из сплава свинца и кальция, отрицательные электроды.
• EFB является улучшенной жидкозаполненной батареей. Свинцовые пластины в ЕФБ аккумуляторах в два раза толще, чем у обычных, вследствие чего увеличивается их ёмкость. Каждая из пластин закрыта в пакет из специальной ткани, который наполнен жидким сернокислотным электролитом.
• В гелевых аккумуляторах применяется гелеобразный электролит. Такая технология позволила снизить текучесть электролита, в котором содержится агрессивная серная кислота.
• В литиевых акб используется жидкий электролит, представляющий собой раствор фторсодержащих солей лития в смеси эфиров угольной кислоты.
• Отличительной особенностью AGM является то, что в электролит с помощью специальной технологии между пластинами вставляются стекловолоконные микропористые прокладки.
• Во всех щелочных батареях применяется растворенная в воде щёлочь.

Классификация батарей по типу электролита

Электролиты бывают кислотными, щелочными. Щелочные растворы используются в заправке аккумуляторных батарей. Щелочные аккумуляторные жидкости представляют собой сильные основания, которые проявляют большую активность по отношению к металлам и кислотам. При реакциях с кислотами образуются соль и вода. Растворы щелочей подвергаются гидролизу. Химические свойства позволяют использовать этот тип электропроводящей жидкости для накопления электрической энергии в аккумуляторе.

Кислотные смеси с дистиллированной водой применяются в основном в автомобильных аккумуляторах. Такие составы можно приобрести в специализированных магазинах или же приготовить самостоятельно в домашних условиях. На заводе процесс изготовления таких смесей осуществляется в масштабном производстве по ГОСТу. В домашней обстановке также возможно довольно точно при соблюдении обязательных пропорций и правил техники безопасности смешать кислоту с дистиллированной водой.

Свинцово-кислотный аккумулятор

Свинцово-кислотная батарея стала первым изобретенным аккумулятором, увидевшим свет и нашедшим широкое применение в автомобилях и ряде других технических приборов.

Свое название приспособление получило за счет опущенных в воду и серную кислоту пластин из свинца, выполняющих роль электродов, хотя с течением времени водород в устройстве начинает теряться.

Популярность такие приспособления получили неслучайно, а благодаря очевидным достоинствам:

• отсутствие эффекта памяти;
• наличие необслуживаемых экземпляров;
• невысокая цена;
• несложная конструкция;
• надежная технология;
• пониженный авторазряд;
• потенциал увеличенной токоотдачи.

Хотя, несмотря на немалое количество достоинств, даже у этих моделей есть и свои слабые стороны:

• невозможность хранения разряженными;
• чрезмерная чувствительность к температурным изменениям, влияющая на продолжительность функциональности и жизни;
• ограниченность транспортов и дозволяемых целых циклов разряда;
• и, разумеется, самый очевидный изъян — пагубное влияние свинца на экологическую среду.

Сравнительные характеристики наиболее часто используемых типов аккумуляторных систем

1 Внутреннее сопротивление аккумуляторов зависит от величины миллиампер-часов (мАч), проводки и количества элементов. Контур защиты литий-ионных батарей добавляет около 100 mΩ

2 Типоразмер элемента 18650. Размер элемента и дизайн определяет внутреннее сопротивление.

3Жизненный цикл у батарей, проходящих регулярное техническое обслуживание.

4 Жизненный цикл зависит от величины разряда. Меньшая величина разряда повышает срок службы.

5Самая большая скорость саморазряда сразу после заряда. NiCd аккумулятор теряет 10% заряда в течение первых 24 часов, затем скорость потери заряда снижается до 10% за каждые 30 дней. Высокая температура увеличивает саморазряд.

6 Защитный контур, как правило, потребляет 3% от запасенной энергии в месяц.

7Чаще используется традиционное напряжение 1,25; 1,2 В.

8 Низкое внутреннее сопротивление уменьшает падение напряжения под нагрузкой и литий-ионные аккумуляторы часто имеют маркировку с большим значением, чем 3,6В/элемент. Элементы с маркировкой 3,7В и 3,8В полностью совместимы с 3,6В.

9Способен выдерживать большой импульс тока нагрузки, но нужно время для восстановления.

10Не заряжайте регулярно литий-ионные аккумуляторы при температуре ниже нуля.

11 Техническое обслуживание, такое как балансировка или подзарядка, для предотвращения сульфатации.

12 Для большинства типов литий-ионных систем отсечка происходит, если напряжение меньше чем 2,20В и больше чем 4,30В, другие значения напряжения применяются для литий-феррофосфатных аккумуляторов.

AGM аккумуляторы

Несмотря на то, что батареи, произведённые по технологии AGM, по сути своей являются аккумуляторами гелевыми, мы выделили их в отдельную категорию. Дело в том, что кроме геля аккумуляторы AGM содержат внутри и особый пористый материал, который ещё больше препятствует осыпанию пластин и вытеканию гелевого электролита.

Наличие абсорбирующего материала позволило также снизить чувствительность батареи к высокому напряжению, повысило её устойчивость к коротким замыканиям и, что самое главное, к низким температурам. На сегодняшний день батареи AGM однозначные лидеры в вопросе «холодного старта». Что самое удивительное, наличие дополнительного компонента позволило не увеличить, а наоборот, снизить стоимость аккумулятора, что тоже можно отнести к явным плюсам.

Однако будет нечестным умолчать о недостатках батарей AGM. И первым из них можно назвать меньшую почти в два раза по сравнению с гелевыми моделями долговечность. Кроме этого у AGM аккумуляторов более высокий уровень саморазряда, и они куда чувствительней к глубокой разрядке, чем их гелевые сородичи.

Но количество плюсов, самым главным из которых, как нам кажется, является сравнительно невысокая цена, перевесило имеющиеся недостатки, и на сегодняшний день аккумуляторы AGM стремительными темпами набирают популярность.