Полезная информация &gt

Полезная информация > Аккумуляторы
> Конструкция и назначение аккумуляторных
батарей
1. Принципиально конструкция аккумуляторов остается неизменной с незапамятных времен:
свинцовые пластины и кислота.
Стандартный автомобильный аккумулятор состоит из шести 2-вольтовых элементов, которые
дают на выходе 12 вольт. Каждый элемент состоит из свинцовых решетчатых пластин, покрытых
активным веществом и погруженных в кислотный электролит.
Отрицательные пластины покрыты мелкопористым свинцом, а положительные двуокисью
свинца. Когда к аккумулятору подключают нагрузку, активное вещество вступает в химическую
реакцию с сернокислотным электролитом, вырабатывая электрический ток. На пластинах при
этом осаждается сульфат свинца, и электролит, соответственно, истощается. При зарядке эта
реакция проходит в обратном направлении, и способность аккумулятора давать ток
восстанавливается.
Автомобильный аккумулятор выполняет три функции: во-первых, он запускает двигатель, вовторых, питает некоторые электрические устройства, например, сигнализацию и телефон, когда
двигатель не работает. И, наконец, он
«помогает» генератору, когда тот не
справляется с нагрузкой.
Аккумулятор обычно соседствует с
двигателем. А как раз высокой температуры
этот агрегат не переносит. Законы,
ограничивающие уровень шума, заставляют
производителей все тщательнее затыкать
любые отверстия в отсеке двигателя, что
приводит к повышению температуры в
моторном отсеке. На сегодняшний день это,
пожалуй, самая большая проблема для
производителей аккумуляторов.
Ведь верхний предел рабочей
температуры этих устройств — 100 Сº,
дальше электролит просто закипает. Но
даже если температура и не достигает рокового предела, а только к нему приближается, срок
службы батарей все равно снижается в три-четыре раза.
Свинцовая стартерная аккумуляторная батарея (АКБ) — вторичный источник электрической
энергии. Это значит, что после глубокого разряда ее работоспособность можно полностью
восстановить при помощи заряда — пропускания электрического тока в направлении, обратному
тому, в котором протекал ток при разряде.
Работает аккумуляторная батарея по принципу превращения электрической энергии в
химическую (при заряде) и обратном превращении — химической энергии в электрическую (при
разряде). Активные вещества заряженного свинцового аккумулятора, принимающие участие в
токообразующем процессе:
· на положительном электроде — двуокись свинца темно-коричневого цвета;
· на отрицательном электроде — губчатый свинец серого цвета.
Электролит — водный раствор серной кислоты плотностью 1,28 г/смі, который, как и активная
масса электродов, принимает участие в токообразующем процессе.
В процессе разряда активная масса как положительного, так и отрицательного электродов
превращается в сульфат свинца (белого цвета). Поэтому теория, описывающая химические
процессы, протекающие при заряде и разряде свинцового аккумулятора, называется теорией
двойной сульфатации. При этом плотность электролита снижется к концу разряда до 1,08-1,10
г/смі.
Сегодня наиболее распространены автомобильные аккумуляторные батареи номинальным
напряжением 12 В. Их емкость составляет от 36 до 190 А·ч.
Виды аккумуляторных батарей, продаваемые в России:
У свинцовых стартерных аккумуляторных батарей в зависимости от исполнения свои
конструктивно-технологические особенности, однако, в их устройстве много общего. Все они
содержат разноименные электроды, разделенные сепараторами, которые помещают в сосуд,
заполненный электролитом.
В зависимости от применяемых при производстве материалов и используемых конструктивных,
технологических и эксплутационных особенностей, современные батареи можно подразделить на
два основных вида: классического исполнения и необслуживаемого исполнения.
Классическое (традиционное) исполнение
Основы традиционного исполнения батарей сформировались уже в начале 20-го века и
постепенно трансформировались до современного состояния по мере появления новых
конструкционных материалов, но их эксплуатационные недостатки при этом сохранились.
2.В России батареи традиционного исполнения выпускают как в моноблоках с отдельными
крышками, герметизируемыми битумной смазкой, так и в моноблоках с общей крышкой,
герметизируемой контактно-тепловой сваркой.
Аккумуляторные батареи с отдельными крышками (рис. 1) собирают в одном
многоячеечном корпусе — моноблоке (2), выполненном из эбонита или другой кислотостойкой
пластмассы, разделенном перегородками (16) на отдельные камеры-ячейки (банки), по числу
аккумуляторов в батарее. В каждую из ячеек помещен блок, состоящий из чередующихся
положительных (5) и отрицательных (3) электродов, разделенных сепараторами (4). Он
представляет собой отдельный Рис. 1. Аккумуляторная батарея с отдельными крышками (вставить
из файла) аккумулятор напряжением 2 В. Пространство между дном моноблока и верхними
кромками фиксирующих электроды опорных призм (1) служит для накаливания шлама — осадка,
образующегося в процессе эксплуатации вследствие оплывания частиц активной массы
положительных электродов. Когда объем шламового пространства заполняется, происходит
замыкание нижних кромок разноименных электродов и аккумулятор теряет работоспособность.
Электроды состоят из активной массы, нанесенной на токоотвод решетчатой конструкции —
решетку. Сепараторы разделяют участвующие в электрохимических превращениях реагенты, а
также обеспечивают возможность диффузии электролита от одного электрода к другому. Сторона
сепаратора, обращенная к положительному электроду для облегчения доступа электролита к
поверхности активной массы, выполнена ребристой.
Борн (8), который служит наружным токоотводом аккумулятора, последовательно соединяет
соседние аккумуляторы между собой в батарею. К выводным борнам крайних аккумуляторов
батареи привариваются полюсные выводы (9) и (14), служащие для соединения батареи с внешней
электрической цепью. Положительный (9) и отрицательный (14) выводы имеют разный
диаметр, что позволяет исключить возможность переполюсовки при подключении
аккумуляторной батареи к бортовой цепи автомобиля.
В верхней части электродного блока устанавливают щиток (7), предохраняющий верхние
кромки сепараторов (4) от повреждения при замерах уровня и плотности электролита.
Каждый аккумулятор после установки электродного блока в камеру-ячейку моноблока
закрывают сверху отдельной пластмассовой или эбонитовой крышкой (15). В ней выполняют по
два отверстия с втулками для выводных борнов
электродного блока. Между ними расположено резьбовое
отверстие для заливки электролита и периодического
обслуживания аккумулятора в процессе эксплуатации.
После заливки электролита резьбовое отверстие
закрывают пробкой из полиэтилена (11), имеющей
небольшое вентиляционное отверстие (13),
предназначенное для выхода газов при эксплуатации.
Для герметичной укупорки новых сухозаряженных
батарей в верхней части пробки над вентиляционным
отверстием выполнен глухой прилив. Для обеспечения
нормальной эксплуатации этот прилив, после заливки
электролита в батарею, необходимо срезать.
Благодаря специфическим свойствам термопластичной пластмассы появились
аккумуляторные батареи с общей крышкой в моноблоке из сополимера пропилена с этиленом,
устройство которых показано на рис. 2.
В моноблоке (1) установлены электродные блоки, состоящие из разноименных электродов (2)
и (3), разделенных сепараторами (4). Эти блоки соединены между собой при помощи укороченных
межэлементных соединений (6) через отверстия в перегородках (5) моноблока. Крышка (7)
сделана единой на все шесть аккумуляторов батареи. Свойства термопластичной пластмассы
позволили применить для герметизации аккумуляторной батареи с общей крышкой метод
контактно-тепловой сварки, обеспечивающий сохранение герметичности как по периметру, так и
между отдельными аккумуляторами в широком диапазоне температур (от −50°C до 70°C).
Необслуживаемое исполнение.
Недостатки традиционных свинцовых батарей обусловлены тем, что содержащаяся в сплаве
положительных токоотводов сурьма постепенно, по мере их коррозии, через раствор переходит на
поверхность отрицательного электрода. Осаждение большого количества сурьмы на поверхности
отрицательной активной массы снижает напряжение на электродах батареи, при котором
начинается разложение воды на водород и кислород. Поэтому, в конце зарядного процесса и при
небольшом перезаряде, происходит бурное газовыделение, сопровождающееся «кипением»
электролита вследствие электролитического разложения входящей в него воды.
За последние 20-25 лет, по мере развития технологии и совершенствования оборудования,
появилось несколько разновидностей батарей так называемого «необслуживаемого» исполнения. .
Их основная отличительная особенность — использование сплавов с пониженным содержанием
сурьмы или вовсе без нее для производства токоотводов.
Усовершенствование конструкции при создании необслуживаемых аккумуляторных батарей
заключается еще и в том, что для увеличения запаса электролита без изменения высоты батареи,
один из аккумуляторных электродов помещают в сепаратор-конверт, который изготовлен из
микропористого полиэтиленового материала с низким электросопротивлением. В этом случае
замыкание электродов различной полярности, при отсутствии сбоев в работе сборочного
оборудования, практически исключено. Поэтому опорные призмы становятся ненужными, и блок
электродов можно установить прямо на дно ячейки моноблока. В результате та часть электролита,
которая раньше находилась в шламовом пространстве между призмами и не принимала участия в
работе аккумулятора, теперь находится над электродами и пополняет его запас, расходуемый при
эксплуатации батареи.
Первоначально такие батареи начали выпускать в США на базе свинцово-кальциевого сплава
(0,07-0,1% Ca; 0,1-0,12% Sn; остальное — Pb) для токоотводов, положительного и отрицательного
электродов. Это снизило газовыделение, что обеспечило эксплуатацию аккумуляторной батареи
без доливки воды в течение как минимум двух лет. Расход воды у этих батарей так мал, что
конструкторы убрали из крышек отверстия для доливки воды и сделали батареи полностью
необслуживаемыми. При этом самозаряд батарей замедлился более чем в 6 раз. Однако, при
нескольких глубоких разрядах такие аккумуляторные батареи быстро теряют емкость и их
стартерные характеристики резко снижаются, из-за чего они не нашли широкого распространения
в Европе и России.
В это же время в США появились батареи системы «кальций плюс» (гибридные) с
содержанием до 1,5-1,8% сурьмы и 1,4-1,6% кадмия в положительном токоотводе и свинцовокальциевым отрицательным токоотводом. Характеристики этих батарей по расходу воды и
саморазряду вдвое лучше, чем у малосурьмяных, но все еще не такие хорошие, как у свинцовокальциевых.
К началу 80-х годов производство необслуживаемых батарей стало быстро развиваться в
странах Европы. Но там пошли по пути применения сплавов с пониженным до 2,5-3,0%
содержанием сурьмы. Однако, у таких аккумуляторных батарей расход воды и саморазряд в 2-3
раза выше, чем у батарей с кальциевыми токоотводами. Позже и в Европе появились так
называемые гибридные батареи.
Наконец, в конце 90-х годов и в США, и в Западной Европе началось производство батарей с
токоотводами из свинцово-кальциевого сплава с добавкой новых легирующих компонентов, в том
числе серебра, которые не боятся глубоких разрядов.
В России выпускаются необслуживаемые батареи емкостью от 44 до 90 А·ч с токоотводами из
малосурьмяного сплава с содержанием сурьмы 1,7-3,0%.
Следует отметить, что эксплуатация батарей без отверстий для доливки воды требует более
точной работы системы энергосбережения автомобиля, а также более внимательного отношения
автовладельцев к состоянию и исправной работе электрооборудования. В первую очередь это
касается натяжения ремня привода генератора и исправности самого генератора, а также
регулятора напряжения. Отрицательно сказывается на состоянии батарей последнего поколения и
наличие утечек тока в системе электрооборудования или сигнализацию.
Подавляющее большинство аккумуляторных батарей, поступающих в Россию из стран
Европы, выпускают, как правило, в гибридном исполнении, либо с токоотводами обеих
полярностей из свинцово-кальциевых сплавов. При изготовлении сухозаряженных батарей многие
производители применяют для электродов обеих полярностей малосурьмяные сплавы с
содержание сурьмы 1,6-1,8%.