Аккумуляторы: зимние игры в рулетку

Зима нечаянно нагрянет

В нашей стране зима всегда приходит неожиданно. Первые же достаточно крепкие морозы довольно отчетливо выявят все слабые стороны наших автомобилей. Наряду с неправильно подобранным маслом многим автовладельцам могут изрядно подпортить жизнь и аккумуляторные батареи. Однако, отдышавшись и придя в себя после первых морозов, мы постепенно начинаем осознавать, что потеряно еще далеко не все. К тому же, учитывая, что пословица "готовь сани летом" является для нас руководством к действию с точностью до наоборот, попытаемся, хоть и с опозданием, но все же подготовить свой аккумулятор к достойной встрече зимы. Тем более, что самые лютые морозы еще впереди. С чего же начать?

Перво-наперво замерим плотность электролита во всех банках без исключения. Норма 1,27-1,28 г/см³. У Вас далеко не так? Значит, снимаем батарею и ставим на зарядку. И это однозначно! Ни в коем случае не пытаемся повысить плотность электролита добавлением концентрированной кислоты, какая бы низкая не была его плотность. На моей памяти до сих пор случай с одним моим знакомым, который, замерив плотность батареи, долго не мог поверить глазам своим — 1,2 г/см³. Для него казалось невозможным, что он, автолюбитель со стажем, мог так разрядить батарею. И долго метался по комкам, выискивая концентрат. Ему повезло — пробегав несколько дней, он так и не нашел требуемой жидкости. Это-то его и спасло. Раздумывая, куда бы сбегать еще, он все-таки с большим трудом согласился поставить батарею на зарядку. И что же — плотность электролита к концу зарядки поднялась до 1,27 г/см³. Ну а если бы он поступил по-своему и все же долил в батарею электролит большей плотности, то это наверняка бы уменьшило срок службы батареи из-за более агрессивной среды. Желаемого же результата — повышения емкости батареи — при этом не произойдет.

Техническое отступление

Назначение автомобильной аккумуляторной 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. Все стартерные батареи, выпускаемые в настоящее время для автомобилей, являются свинцово-кислотными. В основу их работы заложен известный еще с 1858 г. и по сей день остающийся практически неизменным принцип двойной сульфатации.

Как наглядно видно из формулы, при разряде батареи (стрелка вправо) происходит взаимодействие активной массы положительных и отрицательных пластин с электролитом (серной кислотой), в результате чего образуется сульфат свинца, осаждающийся на поверхности отрицательно заряженной пластины, и вода. В итоге плотность электролита падает. При зарядке батареи от внешнего источника происходят обратные электрохимические процессы (стрелка влево), что приводит к восстановлению на отрицательных электродах чистого свинца и на положительных — диоксида свинца. Одновременно с этим повышается плотность электролита.

Любая автомобильная батарея представляет из себя корпус — контейнер, разделенный на шесть изолированных ячеек — банок (см. рис. 1).

Каждая банка является законченным источником питания напряжением порядка 2,1 В. В банке находится набор положительных и отрицательных пластин, отделенных друг от друга сепараторами. Как известно из школьного курса физики, две разнозаряженные пластины уже сами по себе являются источником постоянного напряжения, параллельное же их соединение увеличивает ток. Последовательное соединение шести банок и дает батарею с напряжением порядка 12,6-12,8 В. Любая из пластин, как положительная, так и отрицательная, есть ни что иное, как свинцовая решетка, заполненная активной массой. Активная масса имеет пористую структуру с тем, чтобы электролит заходил в как можно более глубокие слои и охватывал больший ее объем. Роль активной массы в отрицательных пластинах выполняет свинец, в положительных — диоксид свинца.

Вес залитой АКБ емкостью 55 Ач составляет около 16,5 кг. Эта цифра складывается из массы электролита — 5 кг (что соответствует 4,5 л), массы свинца и всех его соединений — 10 кг, а также 1 кг, приходящегося на долю бака и сепараторов.

Основные характеристики аккумуляторных батарей

Расход воды

Показатель, имеющий непосредственное отношение к степени обслуживаемости батареи. Определяется в лабораторных условиях. Батарея считается необслуживаемой, если она имеет очень низкий расход воды в эксплуатации. Необслуживаемые батареи не требуют доливки дистиллированной воды в течение года и более при условии исправной работы регулятора напряжения.

На расход воды прямое влияние оказывает процентное содержание сурьмы в свинцовых решетках пластин. Как известно, сурьма добавляется для придания пластинам достаточной механической прочности. Однако у каждой медали есть обратная сторона. Сурьма способствует расщеплению воды на кислород и водород, следствием чего является выкипание воды и снижение уровня электролита. В батареях предыдущего поколения содержание сурьмы доходило до 10%, в современных этот показатель снижен до 1,5%.

Панацею от этой беды фирмы видят в освоении т.н. гибридной технологии — замене сурьмы в одной из пластин на кальций. Кальций в решетке является веществом нейтральным по отношению к воде, не снижая при этом механической прочности решеток. А потому разложения воды не происходит и уровень электролита остается неизменным.

Долговечность батареи

Средний срок службы современных АКБ при условии соблюдения правил эксплуатации — а это недопущение глубоких разрядов и перезарядов, в том числе по вине регулятора напряжения — составляет 4-5 лет.

Наиболее губительными для батарей являются глубокие разряды. Оставленные на ночь включенными световые приборы, либо другие потребители способны разрядить ее до плотности 1,12-1,15 г/см³, т.е. практически до воды, что приводит к главной беде аккумуляторов — сульфатации свинцовых пластин. Пластины покрываются белым налетом, который постепенно кристаллизуется, после чего батарею практически невозможно восстановить. Отсюда вытекает главный вывод — необходимо постоянно следить за состоянием батареи, периодически замерять ее плотность. Особенно актуально это в зимнее время. Следует отметить, что сульфатация в определенных пределах — явление нормальное и присутствует всегда. (Вспомните — на основе теории двойной сульфатации построен принцип работы батарей.) Но при малом разряде и последующей зарядке батарея легко восстанавливается до исходного состояния. Это возможно и при глубоком разряде батареи, но только в том случае, если следом сразу же последует заряд. Если же разряжать батарею длительное время, не давая ей "подпитки", то падение плотности ниже критического значения неизбежно приводит к образованию кристаллов сульфата свинца, не вступающих в реакцию ни при каких обстоятельствах. А это означает, что начался необратимый процесс сульфатации.

Не менее опасен для батареи и перезаряд. Это происходит при неисправном регуляторе напряжения. При этом электролит начинает "кипеть" — происходит разложение воды на кислород и водород и понижение уровня электролита. Вот почему необходимо следить за зарядным напряжением. Естественно, это не составляет труда, если на панели приборов присутствует вольтметр. Ну а если его нет? В этом случае также можно довольно просто оценить зарядное напряжение. Для этого запустите и прогрейте двигатель, установив средние обороты и подключите тестер (в режиме вольтметра) между "+" и "массой" аккумуляторной батареи. Нормальный зарядный режим батареи обеспечивается в диапазоне 14±0,5 В. Если напряжение меньше — стоит проверить натяжение ремня, надежность контактных соединений цепей системы электроснабжения. Если же это не помогает — неисправность нужно искать в регуляторе напряжения. Впрочем, точно также вина ложится на регулятор, если напряжение превышает 14,5 В.

В последнее время широкое распространение получили сепараторы карманного типа — т.н. конвертные сепараторы. Их название говорит за себя — в эти конверты помещают одноименно заряженные пластины. Такая конструкция увеличивает срок службы батареи, так как осыпающаяся в процессе эксплуатации активная масса остается в конверте, тем самым предотвращается замыкание пластин.

Рекомендации по эксплуатации

       

Батарея, не эксплуатировавшаяся в течении длительного времени (4-5 мес.), нуждается в подзарядке. Связано это с тем, что батареям свойственно такое явление, как саморазряд. На графиках рис. 2, 3 показаны характеризующие саморазряд величины для различных батарей. В первом случае — это снижение плотности от времени хранения, во втором — падение напряжения.

Впрочем, зачастую подзарядки требует и находящаяся в эксплуатации батарея. Плотность полностью заряженной батареи составляет 1,27-1,28 г/см³, напряжение — 12,5 В. О степени разряженности батареи судят по плотности электролита. Чем ниже плотность батареи, тем сильнее она разряжена. Уменьшение плотности на 0,01 г/см³ по сравнению с номинальной означает, что батарея разрядилась примерно на 6-8%. Используя график (см. рис. 4) можно оценить зависимость степени разряженности батареи от плотности. Степень разряженности определяют по той банке, в которой плотность электролита минимальная. Всем известна аксиома, тем не менее позволим повторить ее еще раз — батарею, разряженную летом более, чем на 50%, а зимой более, чем на 25%, необходимо снять с автомобиля и зарядить. При этом следует помнить, что пониженная плотность зимой более опасна, т.к. кроме всего прочего может привести к замерзанию электролита. Так, при плотности электролита 1,2 г/см³ температура его замерзания составляет около -20°С.

Также необходимо подзарядить батарею, если плотность в разных банках отличается более, чем на 0,02 г/см³. Оптимальной является зарядка батареи током, равным 0,05 от ее емкости. Для батареи с емкостью 55 А·ч эта величина составляет 2,75 А. Чем меньше зарядный ток, тем глубже заряд. Однако не стоит впадать в крайность — при совсем низком токе батарея просто не "закипит", к тому же время зарядки будет несравнимо большим. Наоборот, при очень большом токе батарея "закипит" значительно быстрее, но при этом не успеет зарядиться на все 100%. Признаками окончания зарядки служит бурное выделение газа (т.н. "кипение") и неизменяющаяся на протяжении 1-2 часов плотность электролита.

Для ориентировочной оценки времени, требуемого на зарядку батареи, можно воспользоваться следующим алгоритмом.

Первоначально, используя график (рис. 4), необходимо определить степень разряженности батареи, исходя из реальной плотности АКБ, замеренной ареометром. Далее по степени разряженности определяем потерянную емкость (или емкость, которую необходимо принять батарее).

Затем, выбрав величину зарядного тока, вычисляем ориентировочное время зарядки по формуле:

Тут следует отметить, что не вся энергия идет на повышение емкости. КПД процесса составляет 40-50%, остальное тратится на нагрев, а также связанные с этим электрохимические процессы. Потому реальное время увеличивается примерно вдвое от расчетного (что и учитывается коэффициентом "2" в формуле).

Нужно сказать, что использование данного алгоритма оправдано лишь для облегчения процедуры, но ни в коей мере не избавляет от контроля за ходом зарядки. Процесс заряда, а особенно его окончание Вам необходимо контролировать самому, дабы не прозевать начало бурного кипения.

Другой вариант — использование для этих целей автоматических зарядных устройств, отличающихся тем, что зарядка идет при постоянном напряжении, но автоматически изменяющемся в зависимости от степени заряженности батареи токе. При этом зарядное устройство перестает давать ток, если батарея полностью заряжена. Принцип, используемый в подобных устройствах, аналогичен зарядке от генератора на автомобиле.

Для примера определим время зарядки батареи емкостью 55 А·ч током в 5 А, плотность которой составляет 1,25 г/см³. Как видно из графика, при данной плотности батарея разряжена на 25%, что означает потерю емкости на величину

Таким образом, примерное время зарядки

Оптимальным же способом зарядки батареи, и это подтверждают результаты проводимых испытаний, является ее заряд от бортовой сети автомобиля (естественно, при условии исправности последней). При данном способе, во первых, невозможен перезаряд, а во-вторых, происходит постоянное перемешивание электролита и наиболее полное его проникновение во внутренние слои активной массы.

Однако было бы ошибочным полагать, что заряд батареи начинается сразу же после пуска двигателя и продолжается все время, пока двигатель в работе. Исследования показывают, что батарея начинает принимать заряд только после прогрева электролита до положительной температуры, что при эксплуатации в зимних условиях происходит примерно через час после начала движения. Именно этим и опасен довольно распространенный, по крайней мере в нашем автомобильном городе, способ эксплуатации транспортных средств. Холодный запуск зимой с получасовым движением до работы, и затем редкие непродолжительные поездки на протяжении рабочего дня не дают прогреться электролиту и, следовательно, зарядиться Вашей батарее. Тем самым разряженность АКБ увеличивается изо дня в день и в итоге может привести к печальному результату.

Физические процессы, происходящие при пуске двигателя, отличаются от процессов при разряде батареи потребителями. При пуске участвует не весь объем активной массы и электролита, а лишь та ее часть, которая находится на поверхности пластин и соприкасающийся с поверхностью пластин электролит. Поэтому, после неудачной попытки запустить двигатель, следует подождать некоторое время для того, чтобы электролит перемешался, плотность его выровнялась, он проник в поры активной массы. Нормальный запуск двигателя при однократном вращении стартера в течении 10 с забирает емкость 300 А × 10 с = 3000 А·с = 0,83 А·ч, что составляет около 1,5% от емкости автомобиля.

При медленном же разряде участвуют не только поверхностные слои активной массы, но и глубинные, потому и разряд происходит более глубокий. Однако это не означает, что стартерные режимы не так губительны для батареи — стартером точно также можно разрядить батарею до критической величины. Каковы же признаки выхода из строя батареи? Батарея не заряжается, плотность низкая и не повышается в процессе заряда. Большой саморазряд — батарея зарядилась, но не держит заряд. Можно попытаться потренировать батарею, однако если произошло осыпание активной массы пластин, либо кристаллизация сульфата свинца, то это уже не исправить.

Вообще, освоить способ оценки степени возможной разрядки батареи от каких-либо действий (в том числе и осознанных) не составит большого труда. Необходимо усвоить несколько истин и запомнить несколько цифр.

1. Батарея начинает принимать заряд лишь только после прогрева электролита до положительной температуры (как вы понимаете, при температуре воздуха -20°С температура электролита в батарее хранящегося на свежем воздухе автомобиля будет примерно такой же).

2. Коэффициент полезного действия процесса зарядки составляет примерно 50%.

3. Каждый автомобильный генератор характеризуется следующими показателями:

   • ток отдачи генератора при работе двигателя на холостом ходу

   • ток отдачи генератора при работе двигателя на номинальных оборотах.

     Для вазовских автомобилей эти цифры имеют следующие значения:

     	2101-2106	2108-2109	2110
     ток отдачи на холостом ходу	16	24	35
     ток отдачи на номинальных оборотах	42	55	80

     Как видно из таблицы, на последних моделях автомобилей Волжского автозавода устанавливаются генераторы, имеющие характеристики тока отдачи, в два раза превосходящие по величине характеристики генераторов первых моделей.

4. И наконец примерное потребление энергии автомобильными потребителями:

   потребитель	ток, А
   зажигание	2
   габариты	4
   ближний свет	9
   дальний свет	10
   обогрев заднего стекла	10-11
   вентилятор отопителя: 1-я скорость 2-я скорость	5-7 10-11
   стеклоочистители	3-5
   магнитола	5
   ИТОГО	38-48

Зная эти азы, Вам не составит труда подсчитать, что оставленные включенными на автомобиле габариты (естественно, при неработающем двигателе), например, под окнами любимой девушки за 3 часа "съедят" 4 А × 3 ч = 12 А·ч емкости батареи, что соответствует разряду приблизительно на 20%. Это не страшно для одного раза. Однако если у Вас есть и вторая девушка, навестить которую Вы решаетесь сразу же после первой, то выходя через те же 3 часа от нее, Вы уже рискуете не завести свою машину, особенно, если дело происходит зимой, т.к. разряд составит порядка 40% (тем более, что к тому же зимой батареи, как правило, эксплуатируются заряженными далеко не на 100%). Какой из этого сделать вывод — сократить время свиданий, количество любимых, запастись вторым аккумулятором, либо не включать габаритные огни — решать Вам.

Аналогично можно прикинуть, что Вы имеете при продолжительной работе двигателя на холостом ходу. Как уже показано выше, ток отдачи генератора автомобиля ВАЗ-2108 на холостом ходу составляет 24 А. Вычитаем из этой цифры 2 А, необходимые для обслуживания системы зажигания. Остается 22 А. Используя таблицу 2, нетрудно прикинуть, что можно включать с тем, чтобы хоть немного досталось бы и аккумулятору (при этом помните про КПД зарядки, составляющий 50%).

Следует знать, что зимние условия эксплуатации автомобиля в принципе очень тяжелы для аккумуляторной батареи. Наверняка будут полезны следующие данные. Результаты проводимых в ГенДР исследований говорят о том, что при эксплуатации автомобиля в очень тяжелых условиях (испытания по так называемому режиму "город-зима-ночь") аккумулятор получает порядка 1 А в час.

Нередко доводилось наблюдать картину, как растерянный автовладелец, помыв на автоматической мойке свой автомобиль, тщетно пытается завести его под нетерпеливые реплики напирающих сзади очередников. И вот кто-то подсказывает: "Что ты мучаешься — включай передачу и выезжай на стартере!". Понятно, что советчика мало волнует чужой автомобиль, но услугу эту иначе как медвежьей не назовешь. Категорически запрещается использовать батарею вместе со стартером в качестве электропривода автомобиля (причем в большей степени из-за стартера), т.к. помимо полного разряда АКБ это может привести к выходу из строя стартера, загоранию проводки со всеми вытекающими последствиями.

Маркировка АКБ

На современные аккумуляторные батареи наносится следующая маркировка:

Емкость батареи — способность батареи принимать и отдавать энергию — измеряется в ампер-часах (А·ч). Для оценки емкости батареи принята методика 20-ти часового разряда током 0,05 С20 (т.е. током, равным 5% от номинальной емкости). Т.е., если емкость батареи 55 А·ч, то при разряжении ее током 2,75 А она полностью разрядится за 20 часов. Аналогично для батарей емкостью 60 А·ч полный 20-ти часовой разряд произойдет при чуть большем токе разряда — 3 А.
Данная характеристика определяет возможность питать потребителей в экстремальной ситуации (при отказе генератора). Характеризуется объемом активной массы.

Значение тока холодного старта при -18°С (по DIN) — величина тока, которую батарея способна отдать при пуске двигателя при температуре -18°С. Наиболее важная характеристика, напрямую сказывающаяся на пуске двигателя. Ведь при -20°С ток, потребляемый стартером, составляет порядка 300 А. (Для пуска в летнее время горячего двигателя этот же показатель равен 100-120 А). Значение стартового тока определяется конструкцией батареи, пластин, сепараторов. Сепараторы карманного типа без каких-либо других дополнений увеличивают напряжение батареи на 0,3 В, одновременно улучшая стартовые характеристики. Чем ниже внутреннее сопротивление батареи, тем выше стартовый ток, тем надежнее пуск двигателя при низких температурах. Некоторые батареи имеют такую маркировку:

Несмотря на то, что после емкости стоит значение 280 А, цифра, интересующая нас и показывающая ток холодного старта по принятому у нас стандарту DIN, равна 255 А.

Резервная емкость — время, в течение которого батарея сможет обеспечить работу потребителей в аварийном режиме. Величина резервной емкости, выраженная в минутах, последнее время все чаще проставляется изготовителями батарей после значения тока холодного старта.

Кроме того, на необслуживаемых батареях проставляется соответствующая надпись. Чаще всего на русском, английском или немецком языке (либо на языке производителя, как например, на испанских батареях "Tudor"). Большинство АКБ, изготавливаемых в настоящее время известными производителями, являются необслуживаемыми. То же можно сказать и о поставках на Волжский автозавод — на его конвейере используются только необслуживаемые батареи. Однако это вовсе не означает, что к ней не нужно подходить и следить за ее состоянием. Производители гарантируют данный показатель только при соблюдении нормальных условий эксплуатации. (Нелишне отметить, что необслуживаемые батареи выпускаются как с пробками для заливки электролита, так и полностью закрытыми). К разряду необслуживаемых могут относиться и сухозаряженные батареи, поставляемые в торговлю, однако они требуют заливки электролита и последующей зарядки.

Кроме того, на батареи, поставляемые на автозавод, фирмы-производители наносят на корпусе дату изготовления. Плюс к этому, на ВАЗе на клеммы наносится дата установки батареи на автомобиль.

Как обычно, попробуем дать несколько рекомендаций при покупке аккумуляторов в магазине. Во-первых, как и любой другой товар, батареи следует приобретать в специализированных магазинах, предоставляющих гарантию. При покупке желательно запастись ареометром. Плотность батареи должна быть не менее 1,25 г/см³ (лучше 1,27) и одинаковой во всех банках. Если же замер плотности в магазине связан с определенными трудностями, можно ограничиться измерением напряжения вольтметром. Оно должно быть не ниже 12,5 В. (Именно 12,5, а не 12, как нам может казаться достаточным. Напряжение 12 В, наносимое на АКБ — это напряжение бортовой сети, на которое данная батарея рассчитана, а вовсе не напряжение батареи.)

Еще одно замечание. В данной отрасли сильно развито такое направление, как производство баков фирмами, не связанными с производством батарей. И многие фирмы-производители аккумуляторов, в том числе и достаточно солидные, используют уже готовые баки, вставляя в них свою начинку и наклеивая свои "лейблы", становясь при этом менее уязвимыми от производителей внешне похожих дешевых подделок.

Бытует мнение, что, выбирая батарею, прежде всего необходимо обращать внимание на ее емкость. Однако все далеко не так просто. Нельзя сказать, что чем выше емкость батареи, тем она лучше. Во-первых, габаритные размеры батареи — величина строго регламентированная международным стандартом. (Это же относится и к автомобилям Волжского автозавода — размеры бака едины для всех поставщиков). А потому для увеличения емкости батареи при тех же габаритных размерах неизбежно приходится жертвовать каким-либо другим показателем — и чаще это сказывается на долговечности батареи. Если же и выбирать по какой-либо характеристике, так правильнее это делать по величине тока холодного старта. Его значение играет более весомую роль при эксплуатации автомобиля в период суровых российских зим.

Перспективным направлением в производстве АКБ является снижение их обслуживаемости, повышение электрических характеристик. Необслуживаемость — свойство, которого требуют автозаводы от производителей АКБ. Это связано с широко распространяющейся тенденцией увеличения срока службы автомобиля, в течение которого автолюбителю вообще нет надобности никуда заглядывать в своем вновь купленном автомобиле, кроме как в бензобак. А в связи с этим и аккумулятор должен удовлетворять тем же самым требованиям. Достигается это использованием конвертных сепараторов, снижением содержания сурьмы в решетках. Однако по своей сути стартерные автомобильные батареи еще долгое время будут оставаться свинцово-кислотными — как оптимальные по цене и характеристикам.