Аккумуляторная батарея на автомобиле. Устройство, эксплуатация, маркировка

Химическим источником тока называется устройство, в котором энергия протекания окислительно-восстановительных реакций преобразуется в электрическую.

По характеру работы эти источники делятся на две группы:

• первичные источники тока, или гальванические элементы;
• вторичные источники тока, или аккумуляторы.

Первичные источники допускают только однократное использование и являются необратимыми источниками энергии.

Вторичные источники являются обратимыми источниками энергии: после разряда их работоспособность можно восстановить путем пропускания тока в обратном направлении.

Аккумуляторная батарея на автомобиле выполняет четыре основные функции:

1. Надежный запуск двигателя.
2. Энергоснабжение при выключенном двигателе (неработающем генераторе).
3. Компенсация дефицита энергии при работе совместно с генератором.
4. Сглаживание пульсаций напряжения бортовой сети.

Стартерные аккумуляторные батареи должны удовлетворять следующим основным требованиям (ГОСТ Р 53165-2008):

1. Обеспечивать необходимый для работы стартера разрядный ток.
2. Обладать запасом энергии для питания потребителей при неработающем двигателе или в аварийной ситуации.
3. Сохранять работоспособность при повышенной (до плюс 60 °С) и пониженной (до минус 50 °С) температуре окружающей среды.
4. Обладать герметичностью. Электролит не должен выливаться при наклоне на 45°.
5. Принимать заряд для восстановления израсходованной емкости.
6. Удовлетворять требованиям стандарта по расходу воды и саморазряду.
7. Иметь высокую механическую и вибрационную прочность.
8. Срок службы батареи должен составлять не менее 24 (48) месяцев или 90 (100) тыс. км пробега.

На подавляющем большинстве автомобилей получили применение свинцово-кислотные аккумуляторы.

1. Принцип действия аккумулятора

В свинцово-кислотном аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют:

• диоксид свинца PbO₂ (окислитель) положительного электрода;
• губчатый свинец Pb (восстановитель) отрицательного электрода;
• электролит — водный раствор серной кислоты (H₂SO₄).

Рисунок 1 – Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

При подключении потребителя происходит разложение серной кислоты и образование воды. На положительном и отрицательном электродах образуется сульфат свинца (PbSO₄).

Рисунок 2 – Процесс разряда аккумулятора

При подключении источника происходит восстановление губчатого свинца на отрицательном электроде, диоксида свинца – на положительном электроде и серной кислоты в электролите.

Рисунок 3 – Процесс заряда аккумулятора

Химическая реакция, протекающая в аккумуляторе описывается следующим уравнением:

2. Устройство аккумулятора

Аккумулятор содержит два полублока отрицательных и положительных пластин, разделенных между собой сепараторами. Каждая пластина состоит из активной массы и решетки, которая служит токоотводом и основой удерживающей активную массу.

Рисунок 4 – Устройство аккумулятора

В верхней части решетки имеется ушко, с помощью которого пластины привариваются к соединительному мостику (баретке), имеющему общий вывод для соединения аккумуляторов в батарею.

Рисунок 5 – Положительная (слева) и отрицательная решетки аккумулятора

Основой материала решеток является свинец с добавками других веществ. Добавление к свинцу сурьмы увеличивает прочность, но приводит к повышенному расходу воды.

Замена сурьмы кальцием уменьшает расход воды практически до нуля, однако снижает устойчивость батареи к глубоким разрядам. Гибридные батареи имеют в составе положительных пластин – сурьму, а в отрицательных – кальций.

Легирование серебром предохраняет свинцовую основу от коррозии и снижает деформацию решеток.

Сепаратор, изготовленный из микропористого кислотостойкого материала, служит для предотвращения замыкания разноименных пластин и обеспечения запаса электролита.

Рисунок 6 – Сепаратор-конверт из полиэтилена

3. Конструкция аккумуляторных батарей

Аккумуляторная батарея представляет собой ряд (3,6,12) последовательно соединенных аккумуляторов, помещенных в единый корпус (моноблок), изготовленный из термопластмассы.

Для соединения аккумуляторов служат межэлементные соединения. Сверху моноблок закрывается общей крышкой, образуя неразборную конструкцию. На крышке имеется два полюсных вывода (терминала) для присоединения батареи во внешнюю цепь.

Положительный вывод (терминал) больше отрицательного, для исключения возможности неправильного подключения аккумуляторной батареи.

Полюсные выводы (терминалы) помимо конструктивных отличий могут различаться расположением: прямая и обратная полярность.

Рисунок 7 – Размеры полюсных выводов

Рисунок 8 – Конструкция аккумуляторной батареи: 1 – крышка корпуса, 2 – корпус (моноблок), 3 – аккумулятор, 4 – полюсный вывод (терминал), 5 – заливная пробка, 6 – перемычка, 7 – ручка для переноски, 8 — индикатор

Рисунок 9 – Типы полюсных выводов (терминалов)

Индикатор позволяет оценить степень заряженности батареи и уровень электролита в батарее.

Рисунок 10 – Полярность аккумуляторных батарей

Зеленый цвет индикатора свидетельствует о достаточной степени заряженности батареи (>65 %) и ее исправности.

Черный цвет свидетельствует о недостаточной степени заряженности батареи (<65 %) и необходимости ее подзаряда.

Бесцветный глазок свидетельствует о слишком низком уровне электролита и необходимости замены батареи.

Рисунок 11 – Индикатор степени заряженности батареи Батареи с жидким электролитом.

Батареи с жидким электролитом оснащаются заливными пробками, имеющими вентиляционные отверстия. К достоинствам можно отнести невысокую стоимость, большое количество моделей на рынке, пригодность для установки в моторном отсеке, возможность долива электролита.

К недостаткам таких батарей относят возможность выливания электролита и повышенный расход воды.

Батареи типа VRLA (Valve Regulated Lead Acid Battery).

Пробки ячеек не выворачиваются. Образующиеся при перезаряде водород и кислород обычно ячейки батареи не покидают и реагируют между собой с образованием воды. Подобные батареи не требуют обслуживания и пригодны для установки в моторном отсеке. К недостаткам таких батарей относят повышенную стоимость, отсутствие возможности долива электролита, высокие требования к зарядному напряжению (не более 14,4 В).

Батареи с гелеобразным электролитом.

В электролит этих батарей добавлена кремниевая кислота, превращающая его в гель. Добавление фосфорной кислоты существенно повышает их циклическую стойкость и способность к восстановлению после глубокого разряда.

К достоинствам можно отнести отсутствие необходимости обслуживания, высокую циклическая стойкость, невозможность выливания электролита. Недостатками таких батарей считают высокую стоимость, непереносимость высоких температур, ухудшенные пусковые свойства при низких температурах, ограниченное количество моделей на рынке.

Рисунок 12 – Центральная система вентиляции

Батареи типа AGM.

Так называют батареи, у которых электролит впитывается и удерживается стекломатами. Стекломаты представляют собой микропористый нетканый материал из переплетающихся между собой ультратонких стекловолокон. Стекломаты выполняют функции сепараторов. В батарею заливается только то количество электролита, которое могут впитать стекломаты. Достоинства — не требуют обслуживания, высокая циклическая стойкость, нет возможности выливания электролита, хорошие пусковые свойства. Недостатки — высокая стоимость и ограниченное количество моделей на рынке.

Рисунок 13 – Устройство батареи типа AGM

Батареи OPTIMA

Основное отличие заключается в применении технологии Optima Spiralcell® Technology: вместо пластин, используемых в обычных аккумуляторах, в батареях OPTIMA применяются «рулонные элементы» — две свитые в рулон тонкие свинцовые ленты с сепаратором из стекловолокна, содержащим кислоту.

Такая технология позволяет значительно снизить толщину свинцовых лент и на 50-100 % увеличить их активную площадь в сравнении с обычными пластинами.

Рисунок 14 – Устройство батареи OPTIMA

Достоинства — не требуют обслуживания, высокая циклическая стойкость, нет возможности выливания электролита, очень хорошие пусковые свойства, сохраняют пусковые качества даже после года хранения без подзарядки. Недостатки — высокая стоимость и большая масса.

4. Маркировка аккумуляторных батарей

Рисунок 15 – Маркировка аккумуляторных батарей: 1 – обозначение типа батареи, 2 – товарный знак завода-изготовителя, 3 – номинальная емкость, А·ч, 4 – ток холодной прокрутки, А, 5 – номинальное напряжение, В, 6 – дата изготовления, 7 – масса батареи, кг, 8 – обозначение полярности, 9 – знаки безопасности, 10 – уровень электролита

Согласно ГОСТ Р 53165-2008 обозначение типа батареи включает:

1. – цифра, указывающая число последовательно соединённых аккумуляторов в батарее (3, 6 или 12)
2. – буквы, характеризующие назначение батареи по функциональному признаку (СТ – стартерная)
3. – число, указывающее номинальную ёмкость батареи в ампер-часах (55)
4. – буквы, обозначающие конструкторско-технологическое исполнение (N – с нормальным расходом воды, L – с малым расходом воды, VL – с очень малым расходом воды, VRLA – с регулирующим клапаном)

На батареи наносят символы безопасности (таблица 1).

Таблица 1 — Символы безопасности

Символ	Расшифровка
	Соблюдайте инструкцию
	Опасно. Едкие и коррозионные вещества
	Запрещается пользоваться открытым огнем и курить
	Пользуйтесь защитными очками
	Хранить вдали от детей
	Взрывоопасно
	Запрещается выбрасывать с бытовыми отходами
	Символ переработки

5. Параметры автомобильных батарей

К основным параметрам автомобильных АКБ относят ЭДС, напряжение под нагрузкой, внутреннее сопротивление, номинальную и разрядную ёмкость, ток холодной прокрутки и другие.

Электродвижущая сила (ЭДС) батареи – представляет собой разность потенциалов при разомкнутой внешней цепи:

Е = 6·(0,84 + ρ) (1)

где ρ — плотность электролита, приведенная к 25 °С, г/см³.

Напряжение АКБ – отличается от ЭДС на величину падения напряжения в электрической цепи при прохождении разрядного или зарядного тока:

Uр = E — Iр·(r + Rн) напряжение при разряде (2)

Uз = E + Iз·(r + Rн) напряжение при заряде (3)

где r – внутреннее сопротивление батареи, Ом; Rн – сопротивление внешней цепи, Ом.

Ёмкостью, С, аккумулятора называется максимальное количество электричества, выраженное в ампер-часах, которое аккумулятор может отдать во внешнюю цепь при полном разряде до установленного конечного напряжения:

С = Iр·τ_р (4)

где Iр – разрядный ток, А; τ_р – время разряда, ч.

Номинальная разрядная ёмкость С₂₀ (указываемая на батарее) определяется при 20-часовом режиме разряда током I = 0,05·С₂₀ при t = 25 °C.

Разряд должен прекратиться при U = 10,5 В.

Рисунок 16 — Временные характеристики АКБ при разряде и заряде

Рисунок 17 – Типичные значения номинальной ёмкости

Резервная ёмкость RC (reserve capasity) – способность АКБ обеспечить необходимый минимум электрической нагрузки при выходе из строя генератора.

Минимум электрической нагрузки складывается из токов, потребляемых системами зажигания и освещения, стеклоочистителем и контрольно-измерительными приборами в режиме «Зима-ночь» и составляет 25 А.

Резервная ёмкость определяется временем разряда в минутах полностью заряженной батареи током 25 А до напряжения на выводах 10,5 В.

Рисунок 18 – Типичное значение резервной ёмкости

Ток холодной прокрутки ССА (cold cranking amps) – это максимальный разрядный ток, который батарея может обеспечить при t = — 18 °С (0 °F) в течение 30 с, сохраняя напряжение на выводах не менее 7,2 В.

Внутреннее сопротивление, r, батареи составляет несколько тысячных долей Ома и увеличивается по мере ее разряда и снижения температуры электролита.

Рисунок 19 – Типичное значение тока холодной прокрутки

6. Заряд автомобильных батарей

Аккумуляторные батареи заряжают от источника постоянного тока, напряжение на выводах которого выше напряжения заряжаемой батареи.

Используют следующие методы заряда:

• постоянной силой тока,
• постоянным напряжением,
• комбинированный,
• форсированный,
• контрольнотренировочный цикл.

Заряд при постоянной силе тока.

В этом случае заряжаемые батареи соединяются между собой последовательно и подключаются к зарядному устройству.

Сила зарядного тока в этом режиме не должна превышать:

I_з ≤ 0,1·С₂₀ (5)

Заряд при постоянной силе тока отличается сравнительной простотой и обеспечивает полный заряд батарей.

Недостатками этого способа являются повышение температуры в конце заряда и отрицательное влияние перезаряда вследствие кипения электролита.

Заряд при постоянном напряжении.

При этом способе заряда батареи подключают непосредственно к источнику питания, напряжение которого поддерживается постоянным.

Сила зарядного тока устанавливается автоматически.

Батарею можно зарядить до 90-95 % от номинальной емкости. В этом режиме заряжаются батареи на автомобиле.

Форсированный заряд.

Для быстрого восстановления работоспособности сильно разряженной батареи проводят форсированный заряд силой тока 0,7·С₂₀ в течение 30 минут. Применять форсированный заряд можно в исключительных случаях, так как многократное повторение такого способа заметно сокращает срок службы батареи.

Смешанный режим.

Объединяет достоинства заряда постоянным током и постоянным напряжением: первоначально батарея заряжается первым способом, а затем – вторым. Это позволяет снизить время заряда батареи (по сравнению с чисто вторым способом) и исключить неблагоприятное воздействие перезаряда (свойственное первому способу).

Контрольно-тренировочный цикл.

Данный цикл включает в себя заряд батареи током 0,1·С₂₀, разряд батареи током 0,05·С₂₀ и окончательный заряд силой тока 0,05·С₂₀.

Контрольно-тренировочный цикл проводят для устранения частичной сульфатации и других неисправностей АКБ.

7. Эксплуатация аккумуляторных батарей

Эксплуатация батарей при низких температурах осложняется следующим рядом факторов:

1. При недостаточной плотности возможно замерзание электролита (см. таблицу 2).
2. Ухудшается процесс заряда (батарею можно зарядить только до 60-70 % от номинальной ёмкости).
3. В результате повышения вязкости моторного масла и электролита ухудшаются условия запуска двигателя.

Эксплуатация батарей при высоких температурах осложняется по следующим причинам:

1. Ускоряется разрушение и сульфатация пластин.
2. Происходит интенсивное испарение воды (требуется проверка уровня электролита).

Хранение автомобильных батарей.

Хранить автомобильные батареи необходимо в неотапливаемом помещении при температуре от 0 до минус 20°С, что способствует снижению саморазряда.

Таблица 2 – Температура замерзания электролита

Напряжение, В	Степень заряженности, %	Плотность электролита, г/см3	Температура замерзания, °С
12,7	100	1,28	<-50
12,5	80	1,24	— 40
12,3	60	1,21	— 30
12,1	40	1,18	— 20
11,9	20	1,14	— 14
11,7	0	1,10	— 5

Саморазряд – самопроизвольная потеря заряда отключенной батареи. Бывает нормальным и ускоренным. Интенсивность саморазряда зависит от устройства батареи и температуры окружающей среды.

При нормальном саморазряде батарея теряет 50 % заряженности за 6 месяцев – для обслуживаемых, 18 месяцев – для необслуживаемых.

Рисунок 20 – Интенсивность саморазряда АКБ

8. Техническое обслуживание аккумуляторных батарей

Визуальный осмотр.

При проведении визуального осмотра особое внимание уделяют следующим факторам:

1. Состояние моноблока. Поверхность моноблока притирают ветошью, смоченной в растворе кальцинированной соды или нашатырного спирта.
2. Состояние полюсных выводов и клемм. Проверяют затяжку клемм, полюсные выводы смазывают техническим вазелином. При необходимости очищают полюсные выводы и наконечники проводов от окислов.
3. Крепление батареи. Прижимная планка должна плотно прилегать к крепёжному выступу моноблока и заходить в фиксирующие выемки на нем.

При необходимости между ней и выступом следует установить переходную планку. Крепёжные болты следует затягивать моментом предписанной величины.

Рисунок 21 – Щетка для очистки полюсных выводов

Измерение уровня электролита.

В батареях с прозрачным корпусом имеются отметки min/max, позволяющие оценить уровень электролита. В батареях с непрозрачным корпусом уровень электролита измеряют стеклянной трубкой диаметром Ø3-5 мм. Уровень электролита должен быть на 15-20 мм выше верхнего края пластин. Если уровень электролита ниже нормы, то в батарею добавляют дистиллированную воду, а если выше – отбирают излишки с помощью груши.

Измерение плотности электролита.

Для измерения плотности электролита используют следующие приборы: ареометр, денсиметр и плотномер. Плотность электролита позволяет оценить степень заряженности батареи. Уменьшение плотности на 0,01 г/см3 соответствует уменьшению заряженности на 6 %.

Если степень заряженности батареи составляет менее 75 % — то батарею можно эксплуатировать только в летнее время года, менее 50 % — эксплуатация запрещена.

Измерение напряжения батареи.

Для измерения напряжения батареи под нагрузкой используют нагрузочные вилки. Если напряжение в конце 5-ой секунды разряда превышает U=8,9 В, то батарея исправна (не имеет внутренних дефектов).

9. Неисправности автомобильных АКБ

К числу основных неисправностей АКБ относят:

• сульфатацию пластин,
• повреждение полюсных выводов,
• отстающие аккумуляторы,
• трещины в моноблоке,
• короткое замыкание,
• ускоренный саморазряд.

Под сульфатацией понимают такое состояние батареи, при котором она не заряжается при пропускании нормального зарядного тока в течение установленного промежутка времени.

Внешне проявляется наличием на поверхности крупных, трудно растворимых при заряде кристаллов или сплошного слоя сульфата свинца.

Рисунок 22 — Нормальная сульфатация

Рисунок 23 – Необратимая сульфатация

Сульфатация возникает в результате несоблюдения правил обслуживания и эксплуатации АКБ.

Сульфатация характеризуется следующими признаками:

• при заряде быстро повышается температура электролита;
• плотность электролита при заряде практически не повышается;
• газовыделение начинается значительно раньше;
• при контрольном разряде ёмкость значительно меньше номинальной.

Причины сульфатации:

• применение загрязнённого электролита;
• длительное нахождение батарей в разряженном состоянии;
• систематический недозаряд батарей;
• снижение уровня электролита ниже допустимого;
• эксплуатация батарей при недопустимо высокой температуре и плотности электролита.

Частичную сульфатацию можно устранить путем проведения контрольно-тренировочного цикла.

К числу внешних (определяемых визуально) неисправностей относят повреждения полюсных выводов и моноблока.

Трещины в моноблоке устраняют тепловой сваркой, а повреждение выводов путем наплавки.

Отстающие аккумуляторы.

Если в батарее хотя бы один аккумулятор будет разряжаться раньше остальных, то работоспособность батареи определяется именно этим, отстающим аккумулятором.

Для устранения подобной неисправности производят заряд батареи малым током в течение длительного времени (не менее 24 часов).

Короткое замыкание.

Внутренние короткие замыкание в аккумуляторах происходят между разноименными пластинами за счет заполнения наиболее крупных пор сепараторов активной массой («прорастание»).

Характерными признаками короткозамкнутого аккумулятора являются:

• отсутствие или очень малая величина ЭДС;
• непрерывное уменьшение плотности даже во время заряда;
• быстрая потеря ёмкости после заряда.

Ускоренный саморазряд.

Ускоренный саморазряд вызывается следующими основными причинами:

• наличие на поверхности батареи загрязнений, проводящих электрический ток;
• применение воды или электролита, содержащих вредные примеси;
• хранение батарей при повышенной температуре воздуха;
• чрезмерная эксплуатация батареи (в режиме такси).

10. Техника безопасности при работе с АКБ

Аккумуляторные батареи являются источниками повышенной опасности. Чтобы исключить возникновение опасных ситуаций, при работе с батареями необходимо следовать указаниям, которые приведены на их корпусах и в руководстве по эксплуатации автомобиля.

Необученный персонал, например, ученики или практиканты, могут привлекаться к работам с автомобильными батареями только под присмотром специалиста: механика, мастера или электрика.

Электролит обладает разъедающим действием. При неосторожном обращении с батареями возникает опасность поражения персонала кислотой. Поэтому необходимо иметь под рукой средства, противодействующие вредным воздействиям кислоты. К таким средствам, относится, например, раствор мыла.

Вылившийся из батареи электролит может привести к поражению кожи человека и к коррозионному повреждению деталей автомобиля. Среди этих деталей могут оказаться такие, которые существенно влияют на безопасность пассажиров.

При заряде батареи и некоторое время после него из электролита выделяется взрывоопасный гремучий газ. При особых обстоятельствах ненадлежащее обращение с батареей может привести к ее взрыву.

Вблизи батарей запрещается производить работы, сопровождающиеся парообразованием. К таким работам относятся шлифование, сварка, резка и т.п. Запрещено также курение. Помимо этого, следует исключить разряды статического электричества. Например, такой разряд можно предотвратить, если снять статическое электричество касанием кузова перед соприкосновением с батареей.

Все работы с батареями следует проводить в хорошо проветриваемых помещениях, приспособленных для этой цели. При работе с кислотой необходимо использовать индивидуальные средства защиты.

К этим средствам относятся:

• защитные очки;
• кислотоустойчивый фартук;
• кислотоустойчивые резиновые перчатки.

Чтобы исключить поражение глаз, защитные очки рекомендуется использовать при различных работах с батареями, например, при их транспортировке.

Если, несмотря на принятые меры предосторожности, электролит попал на кожу или в глаза, незамедлительно нужно оказать первую помощь пострадавшему.

При этом нужно срочно нейтрализовать участки одежды и кожи мыльным раствором и затем тщательно промыть их в течение нескольких минут чистой водой. Попавшие в глаза брызги необходимо вымывать чистой водой в течение не менее 10 минут.

Для этой цели можно использовать приспособление для промывки глаз, которое подключается к водопроводу с питьевой водой. Желательно иметь место для подключения к водопроводу в мастерской вблизи помещения, где производится заряд батарей. В ином случае необходимо держать емкость для промывки глаз непосредственно на рабочем месте.

Эта емкость должна быть всегда заполнена водой, которую следует регулярно контролировать и заменять по гигиеническим соображениям. После оказания первой помощи в виде интенсивного промывания глаз или кожи следует в любом случае обратиться к врачу.

Рисунок 24 – Средства индивидуальной защиты