АКБ: типы, устройство и принцип работы аккумуляторов

Одной из основ электросистем современных автомобилей и иной техники являются источники постоянного тока для работы электростартеров — аккумуляторные батареи. Все об аккумуляторных батареях (АКБ), их существующих сегодня типах, конструкции и заложенных в основе их работы принципах — читайте в статье.

Назначение и функции автомобильных АКБ

Автомобильная аккумуляторная батарея (от лат. accumulo — собирать, накоплять; АКБ, автомобильный аккумулятор, стартерная батарея) — химический источник постоянного тока, используемый в электросистеме транспортных средств для питания стартера и иных потребителей.

Первый электрический стартер появился на серийных автомобилях в 1911 году, и уже в то же время были разработаны специальные стартерные батареи. Интересно, что технология производства аккумуляторных батарей существовала давно (с 1880-х годов производились стационарные и переносные АКБ, в том числе и для электромобилей), поэтому многие производители в первой четверти XX века стали предлагать специальные АКБ для автомобилей с электростартерами. С тех пор функции и назначение аккумуляторов практически не изменились.

АКБ выполняет несколько функций:

• Питание стартера при пуске двигателя;
• Питание приборов при остановленном силовом агрегате;
• Питании электрических приборов при работе двигателя на малых оборотах (в диапазоне частот вращения коленчатого вала, недостаточных для уверенного функционирования генератора).

Сегодня находят применение АКБ, принципиально не отличающиеся от устройств вековой давности, хотя технологически современные образцы далеко ушли от своих предков.

Классификация АКБ

Автотракторная техника оснащается аккумуляторами одной электрохимической системы — свинцово-кислотной. В АКБ данной системы используются свинцовые электроды, а в качестве электролита выступает водный раствор серной кислоты. Реализация такой электрохимической системы возможна различными способами, чем обуславливаются конструктивные отличия реальных АКБ, также батареи делятся на несколько групп по конструкции электродов и особенностям электролита.

В первую очередь, АКБ можно разделить на две группы:

• Открытого типа с жидким электролитом;
• С регулирующим клапаном и со связанным электролитом (с системой газовой рекомбинации).

АКБ открытого типа — традиционная конструкция, в которой предусмотрены отверстия для свободного выпуска в атмосферу газов, образующихся в ходе реакций. АКБ с регулирующим клапаном — более современное решение, в котором предусмотрен клапан, предотвращающий свободный выход газов в атмосферу, и обеспечивающий их рекомбинацию.

Аккумуляторы со связанным электролитом делятся на два вида по форме электролита:

• С загущенным электролитом («гелевые», GEL) — электролит находится в гелеобразном состоянии за счет добавки пирогенного диоксида кремния;
• С абсорбирующим стекловидным материалом (АСМ-аккумуляторы, AGM) — электролит абсорбируется волокнистым стекловидным материалом (стекловолокном).

О конструкции и особенностях работы каждого типа и вида АКБ рассказано ниже.

При этом все АКБ подразделяются на две группы:

• Обслуживаемые;
• Необслуживаемые.

Обслуживаемые аккумуляторы требуют от автовладельца контроля и регулирования уровня и плотности электролита, необслуживаемые, либо вовсе не требуют вмешательства, либо нуждаются в минимальном контроле. АКБ открытого типа бывают как обслуживаемыми, так и необслуживаемыми, АКБ со связанным электролитом — только необслуживаемыми.

Все типы аккумуляторов поставляются на рынок в двух исполнениях:

• Заправленные;
• Сухозаряженные.

Батареи первого типа заправлены электролитом на заводе, поэтому они готовы к работе сразу. Сухозаряженные батареи поступают в продажу без электролита, заряд в них формируется при производстве пластин, а для начала эксплуатации они требуют заправки электролитом — подробно данный вопрос рассмотрен в статье «АКБ. Практика».

Наконец, АКБ делятся на три вида по химсоставу электродов:

• Сурьмянистые (Sb/Sb) — электроды изготавливаются из свинцово-сурьмянистого сплава PbSb с содержанием Sb 5–7%;
• Кальциевые (Ca/Ca) — электроды изготавливаются из свинцово-кальциевого сплава PbCa с содержанием кальция 5–7%;
• Гибридные (Sb/Ca, Ca+) — отрицательные электроды изготавливаются из свинцово-сурьмянистого сплава, положительные электроды изготавливаются из свинцово-кальциевого сплава.

Об отличительных особенностях этих аккумуляторных батарей рассказано ниже.

Классификация, некоторые особенности и характеристики АКБ регламентируются российским документом ГОСТ Р 53165-2008 и международным стандартом МЭК 60095-1:2006.

Устройство и принцип работы АКБ с жидким электролитом

Любые аккумуляторные батареи состоят из нескольких соединенных последовательно аккумуляторов (банок), имеющих номинальное напряжение до 2,2 В. Количество банок зависит от общего напряжения батареи, оно может составлять 3 (6 В), 6 (12 В) и 12 (24 В) штук. Банки объединены в моноблоке, конструкция каждой банки одинаково.

Основу АКБ составляет корпус (моноблок) из кислотостойкого полимера (сегодня используются термопластичные пластмассы типа полипропилена, ранее широко применятся эбонит), разделенный непроницаемыми стенками на отсеки. Корпус закрыт несъемной крышкой, в которой выполнены отверстия для полюсных выводов банок и всей батареи, и отверстия для заливки электролита. В обслуживаемых аккумуляторах отверстия для электролита закрыты резьбовыми пробками, в необслуживаемых АКБ эти отверстия могут герметично закрываться несъемными пробками. В крышке для удобства может располагаться индикатор уровня/плотности электролита (простейший ареометр), защитные пластиковые колпачки выводных клемм, рукоятки и иные вспомогательные элементы.

В каждом отсеке располагается аккумулятор, состоящий из двух полублоков чередующихся положительных и отрицательных свинцовых пластин. Пластины каждого полублока соединены с поперечными планками, которые называются борнами или баретками. Эти соединения одновременно служат выводами для объединения отдельных аккумуляторов в батарею. Пластины разной полярности в блоке разделены тонкими микропористыми ребристыми пластинами — сепараторами из мипласта (микропористый поливинилхлорид с добавкой диоксида кремния), мипора (микропористый эбонит с добавкой силикагеля и серы) и других микропористых полимерных пленок с различными покрытиями. Сепараторы предотвращают замыкание пластин и перемешивание электролита, одновременно обеспечивая оптимальное расстояние между пластинами (для чего на них сформированы тонкие ребра) и позволяя свободно протекать электрохимическим реакциям (за счет микропор). В современных аккумуляторах сепараторы выполнены в виде открытых сверху конвертов, расположенных на плюсовых пластинах.

Электроды выполнены в виде решетки, они изготавливаются из свинца и заполняются активной массой. В решетку положительных электродов впрессовывается активная масса в виде диоксида свинца, либо из других окислов свинца (смеси свинцового сурика Pb₃O₄ и глета PbO), которые повышают емкость аккумулятора. В решетку отрицательных электродов впрессовывается порошковый (губчатый) свинец. Как правило, отрицательные полублоки имеют на одну пластину больше, чем положительные, в результате при сборке блока каждая положительная пластина окружена двумя отрицательными, что повышает эффективность работы аккумулятора.

Каждая банка АКБ заполнена электролитом — раствором серной кислоты в дистиллированной воде плотностью 1,12–1,31 г/см³ в зависимости от условий эксплуатации и степени заряда. Именно в ходе реакций между серной кислотой, свинцом и диоксидом свинца осуществляется запасание или отдача аккумулятором электрической энергии.

В процессе заряда и разряда происходит несколько обратимых химических реакций, суммарный вид которых следующий:

Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ ⇄ 2PbSO₄ + 2H₂O

При разряде реакции идут в правую сторону, при заряде — в левую. При этом на минусовых электродах происходит преобразование порошкового свинца в сульфат свинца с образованием водорода и электронов, которые поступают во внешнюю цепь. А на положительном электроде оксид свинца преобразуется в тот же сульфат свинца с образованием воды и свободных электронов. В результате все электроды покрываются серой массой сульфида свинца, плотность электролита за счет образования воды снижается, а аккумулятор теряет свой заряд.

При заряде на клеммы АКБ подается ток от внешнего источника, и за счет которого все процессы идут в противоположном направлении: на пластинах восстанавливается диоксид свинца и губчатый свинец, а плотность электролита за счет образования серной кислоты повышается. Если после полного набора заряда процесс зарядки не завершается, происходит электролитическое разложение воды, в результате чего образуется водород и кислород — газы выделяются в виде пузырьков на электродах и выходят в атмосферу. Это приводит к потере воды и, соответственно, к необходимости обслуживания аккумулятора — периодической добавке дистиллированной воды с целью доведения плотности электролита до требуемого уровня.

Конструкция и принцип работы АКБ со связанным электролитом

Принципиально конструкция АКБ со связанным электролитом мало отличается от обычных батарей, а протекающие в них электрохимические процессы идентичны. Отличия заключаются только в конструкции блоков и наличии некоторых дополнительных элементов. Как правило, в АКБ со связанным электролитом используются сепараторы-конверты, которые удерживают гелеобразный или связанный стекловолокном электролит, обеспечивая функционирование аккумулятора даже в опрокинутом положении.

Также в этих батареях предусмотрен регулирующий клапан, который в обычном состоянии закрыт, открываясь лишь при чрезмерном повышении давления внутри АКБ. Благодаря этому клапану выделяющиеся в ходе реакций и при электролизе воды кислород и водород не покидают банки, а переносятся к пластинам с противоположным зарядом (кислород, образующийся на отрицательных пластинах, переносится к положительным, водород — наоборот), где восстанавливаются и соединяются друг с другом, образуя воду. Таким образом, в процессе работы АКБ в нем практически не уменьшается количество воды, что делает ненужным обслуживание батареи.

Сегодня существуют различные модификации необслуживаемых АКБ со связанным электролитом, отличающиеся конструкцией банок. Например, электроды могут выполняться в виде пластин большой длины, которые вместе с сепараторами сворачиваются в рулон, чем достигается максимально полное использование объема банки. Возможны и другие варианты, однако здесь они вследствие своей малой распространенности не рассматриваются.

Особенности и отличия сурьмяных, кальциевых и гибридных АКБ

Как уже указывалось, при перезаряде начинается электролитическое разложение воды, что приводит к необходимости обслуживания АКБ. Особенно заметно этот эффект проявляется на сурьмянистых аккумуляторах, в которых из-за особенностей свинцово-сурьмянистого сплава электролиз начинается уже при напряжении 12 В.

Решением проблемы стало применение пластин из свинцово-кальциевого сплава, на котором процессы электролиза воды начинаются при напряжении не ниже 15 В. Эти АКБ за счет снижения потерь воды стали необслуживаемыми, однако такие конструктивные изменения повысили стоимость батарей. Кроме того, батареи Ca/Ca быстро разрушаются при глубоком разряде, поэтому требуют определенного внимания в процессе эксплуатации.

Промежуточным вариантом стали гибридные АКБ, в которых используются пластины из сурьмянисто-свинцового и сурьмянисто-кальциевого сплава. Такие батареи являются обслуживаемыми, хотя требуют вмешательства значительно реже, чем обычные сурьмянистые. В то же время, они значительно дешевле необслуживаемых, что во многих случаях делает их покупку выгодной.