Функция на акумулатора на автомобила

Как работи акумулаторът на автомобила и как е конструиран?

Традиционната функция на акумулатора в двигателния отсек е добре известна: Без акумулатора превозното средство не може да бъде стартирано.   Освен стартера, електрическа енергия е необходима и за запалителните свещи, нагревателните свещи, светлините и електрониката. Но как е конструиран един акумулатор и как работи?

Оловно-киселинни акумулатори: Компоненти и структура

Много шофьори осъзнават колко тежък е един акумулатор на автомобил, когато закупят нов. Възможно е тегло от около 10,5 kg до 30 kg. Причината за това са оловните плочи в клетките на акумулатора.

Компоненти и структура на акумулаторната клетка

Положителен електрод:

• Положителна плоча: В оловно-киселинен акумулатор положително заредената плоча (активен материал) се състои от оловен оксид (PbO₂), който е потопен в електролит.
• Положителна решетка: Положителната решетка се състои от оловна сплав и се използва за задържане на активния материал и като приемник на тока.

Отрицателен електрод:

• Отрицателна плоча: Отрицателно заредената плоча (активен материал) се състои от чисто олово (Pb), което също е потопено в електролит.
• Отрицателна плоча: Подобно на положителната плоча, тя също се състои от оловна сплав и изпълнява същата функция.
  

Електродите с различни заряди са разделени с разделителна мембрана.

Електролитът е смес от сярна киселина (H₂SO₄) и дестилирана вода. Този електролит може да бъде в течно състояние (както при конвенционалните мокри акумулатори или при усъвършенстваната EFB технология), под формата на гел или в стъклена вата (както при AGM технологията за по-новите старт-стоп приложения).

Няколко положителни електрода образуват комплект положителни плочи, а няколко отрицателни електрода – комплект отрицателни плочи. Заедно отрицателният и положителният комплект плочи образуват блок плочи. Блокът от плочи представлява акумулаторна клетка.

Един конвенционален стартов акумулатор се състои от 6 последователно свързани клетки, всяка с номинално напрежение от 2 V, което води до напрежение от точно 12,72 V, когато акумулаторът е напълно зареден. Капацитетът и способността за студен старт на акумулатора зависят от броя на плочите в една клетка.

Основно правило: Колкото повече плочи съдържа една клетка и следователно образуват по-голяма повърхност, толкова по-голяма е мощността при студен старт (CCA), която акумулаторът може да осигури. Ако обаче пространството в клетката се използва за по-малко на брой, но по-дебели плочи, стабилността на цикъла се увеличава. Това означава, че акумулаторът е проектиран за по-голяма производителност на зареждане (непрекъснат процес на зареждане и разреждане).

Клетките се намират в корпус, който е изработен от устойчива на киселини пластмаса (полипропилен). При конвенционалните SLI акумулатори той е затворен с капак с лабиринтна система, която предотвратява изтичането на акумулаторната течност и отделя течността от газа.

Първите акумулатори са имали винтови тапи, които са позволявали да се зареждат с дестилирана вода. Съвременните акумулатори не изискват поддръжка. Не е необходимо и не трябва да се долива вода. Въпреки че AGM акумулаторите все още имат “ еднопосочни тапи, ” те не трябва да се отварят при никакви обстоятелства.

Функция на акумулатора на автомобила: Химическата енергия се превръща в електрическа

Акумулаторът съхранява енергия в химическа форма и я преобразува в електрическа. В този електрохимичен процес четири материала реагират помежду си:

• Водород (H)
• Кислород (O₂)
• Олово (Pb)
• Сяра (S)

Свързването на външен консуматор задейства химическата реакция в акумулатора:

• Електролитът, смес от сярна киселина (H₂SO₄) и дестилирана вода, се разпада на положително заредени водородни йони (H⁺) и отрицателно заредени сулфатни йони (SO₄^2-).
• В същото време електроните (2e^–) се движат от отрицателния към положителния електрод през външния консуматор.
• За да се компенсира този поток от електрони, сулфатните йони преминават от електролита в отрицателния електрод, където реагират с оловото (Pb), за да се получи оловен сулфат (PbSO₄).
• Оловен сулфат се получава и в положителния електрод: Връзката на кислорода (O₂) в оловния оксид (PbO₂) се разрушава чрез прехвърляне на електрони и кислородът преминава в електролита. Оставащото олово (Pb) се свързва със сулфата (SO₄) от електролита.
• Там кислородът се свързва с водорода, за да образува вода (H₂O). Тъй като сярната киселина се изразходва при образуването на оловен сулфат, концентрацията на разтвора на електролита намалява. Когато концентрацията на сярната киселина спадне под определено ниво, акумулаторът трябва да бъде презареден.
• По време на зареждането химичните процеси протичат в обратна последователност. Накрая могат да се открият първоначалните елементи: Положителният електрод се състои от оловен сулфат (PbSO₄), отрицателният електрод – от чисто олово (Pb), а електролитът – от разредена сярна киселина (H₂SO₄). Тъй като този процес на преобразуване се характеризира със загуби, един акумулатор може да претърпи само ограничен брой цикли на зареждане. Поради това неговият експлоатационен срок е ограничен. 

Проблеми с оловно-киселинните акумулатори: Сулфатизация и наслояване на киселина

Ако даден акумулатор бъде зареждан при твърде ниско напрежение или ако винаги работи при твърде ниско напрежение (под 80%), се получава наслояване на киселина, наричано още стратификация. Киселината в електролита се наслоява поради лошо смесване. Различната плътност води до наслояване на сярна киселина на дъното и вода в горната част на акумулатора. Поради това за процеса на разреждане и зареждане може да се използва само средната част на електролита, т.е. само една трета от него.

Възможна причина за наслояването на киселина са основно кратките пътувания, при които едновременно се използват голям брой електрически консуматори. В този случай алтернаторът не разполага с достатъчно време, за да зареди акумулатора.

Сулфатизацията е следствие от наслояването на киселина. Ако това се случи в акумулатора или ако той не се зарежда постоянно до необходимото ниво, оловният сулфат (PbSO₄) се кристализира върху електродите и с течение на времето образува по-големи кристални структури. Този процес е известен като “ сулфатизация ”. Кристализирането предотвратява преобразуването на оловния сулфат обратно в първоначалните компоненти олово или оловен оксид, което води до предотвратяване на приемането на заряд и намаляване на мощността при студен старт.

Острите кристали могат също така да повредят разделителите или да предизвикат къси съединения в клетките.

За да се избегне този ефект и да се предотврати преждевременната повреда на акумулатора, той никога не трябва да се оставя на ниско ниво на заряд за дълъг период от време. За тази цел е препоръчително акумулаторът да се тества редовно и при необходимост да се зарежда до пълен капацитет.

Желаете ли да научите повече по тази тема? Как да зареждате правилно акумулатор.

Нови технологии за акумулатори: AGM и литиево-йонни акумулатори

Досега конвенционалните оловно-киселинни акумулатори заемаха значителен дял от пазара. Пазарът обаче се променя бързо: Иновативните технологии за акумулатори на превозни средства със старт-стоп система, като например AGM,  използват киселина, която е в материя, за да осигурят по-голяма стабилност на цикъла и да гарантират надеждна производителност при превозни средства с повишено потребление на електроенергия. Допълнително предимство на AGM: Благодарение на свързаната киселина вече не е възможно наслояване на киселината.
Новото поколение акумулатори на автомобили за микрохибридни превозни средства работят при 48 V и използват клетки с литиево-йонна технология.