Funkcja akumulatora samochodowego

Jak działa akumulator samochodowy i jak jest zbudowany?

Tradycyjna funkcja akumulatora w komorze silnika jest dobrze znana: Bez akumulatora nie można uruchomić pojazdu. Oprócz rozrusznika, świece zapłonowe, świece żarowe, światła i aplikacje elektroniczne wymagają energii elektrycznej. Ale jak zbudowany jest akumulator i jak działa?

Akumulatory kwasowo-ołowiowe: Komponenty i struktura

Wielu kierowców zdaje sobie sprawę z dużej wagi akumulatorów samochodowych przy zakupie nowego. Możliwe są wagi od około 10,5 kg do 30 kg. Powodem tego są płyty ołowiowe w ogniwach akumulatora.

Komponenty i struktura ogniwa akumulatora

Elektroda dodatnia:

• Płyta dodatnia: W akumulatorze kwasowo-ołowiowym dodatnio naładowana płyta (materiał aktywny) składa się z tlenku ołowiu (PbO₂), który jest zanurzony w elektrolicie.
• Siatka dodatnia: Siatka dodatnia składa się ze stopu ołowiu i służy do przechowywania materiału aktywnego oraz jako kolektor prądu.

Elektroda ujemna:

• Płytka ujemna: Ujemnie naładowana płytka (materiał aktywny) składa się z czystego ołowiu (Pb), który jest również zanurzony w elektrolicie.
• Płytka ujemna: Podobnie jak płyta dodatnia, ta również składa się ze stopu ołowiu i służy do tego samego celu.
  

Elektrody o różnych ładunkach są oddzielone workiem separacyjnym.

Elektrolit jest mieszaniną kwasu siarkowego (H₂SO₄) i wody destylowanej. Elektrolit ten może być w postaci płynnej (jak w konwencjonalnych akumulatorach mokrych lub w ulepszonej technologii EFB), w postaci żelu lub związany w macie szklanej (jak w technologii AGM do nowszych zastosowań start-stop).

Kilka elektrod dodatnich tworzy zestaw płyt dodatnich, a kilka elektrod ujemnych tworzy zestaw płyt ujemnych. Ujemny i dodatni zestaw płyt tworzą razem blok płyt. Blok płyt to ogniwo akumulatora.

Konwencjonalny akumulator rozruchowy składa się z 6 ogniw połączonych szeregowo, każde o napięciu nominalnym 2 V, co daje napięcie dokładnie 12,72 V, gdy akumulator jest w pełni naładowany. Pojemność i zdolność akumulatora do rozruchu na zimno wynika z liczby płyt na ogniwo.

Zasada praktyczna: Im więcej płyt zawiera ogniwo, a zatem tworzy większą powierzchnię, tym większa jest moc rozruchu na zimno (CCA), którą akumulator może dostarczyć. Jeśli jednak przestrzeń w ogniwie zostanie wykorzystana na mniejszą liczbę, ale grubszych płytek, stabilność cyklu zostanie zwiększona. Oznacza to, że bateria została zaprojektowana z myślą o większej przepustowości ładowania (ciągły proces ładowania i rozładowywania).

Ogniwa znajdują się w obudowie wykonanej z kwasoodpornego tworzywa sztucznego (polipropylenu). W konwencjonalnym akumulatorze SLI jest on zamknięty pokrywą z systemem labiryntowym, który zapobiega wydostawaniu się płynu akumulatorowego i oddziela ciecz od gazu.

Wcześniejsze akumulatory miały zakręcane korki, które umożliwiały uzupełnianie ich wodą destylowaną. Nowoczesne akumulatory są całkowicie bezobsługowe. Woda nie musi i nie może być uzupełniana. Chociaż akumulatory AGM nadal mają “jednokierunkowe korki”, nie wolno ich otwierać pod żadnym pozorem.

Funkcja akumulatora samochodowego: Energia chemiczna staje się energią elektryczną

Akumulator samochodowy magazynuje energię w postaci chemicznej i przekształca ją w energię elektryczną. W tym elektrochemicznym procesie cztery materiały reagują ze sobą:

• Wodór (H)
• Tlen (O₂)
• Ołów (Pb)
• Siarka (S)

Podłączenie zewnętrznego odbiornika rozpoczyna reakcję chemiczną w akumulatorze:

• Elektrolit, mieszanina kwasu siarkowego (H₂SO₄) i wody destylowanej rozkłada się na dodatnio naładowane jony wodorowe (H⁺) i ujemnie naładowane jony siarczanowe (SO₄^2-).
• W tym samym czasie elektrony (2e^–) przemieszczają się z elektrody ujemnej do dodatniej za pośrednictwem zewnętrznego odbiornika.
• Aby skompensować ten przepływ elektronów, jony siarczanowe przemieszczają się z elektrolitu do elektrody ujemnej, gdzie reagują z ołowiem (Pb), wytwarzając siarczan ołowiu (PbSO₄).
• Siarczan ołowiu jest również wytwarzany w elektrodzie dodatniej: Wiązanie tlenu (O₂) w tlenku ołowiu (PbO₂) zostaje przerwane przez przeniesienie elektronów i tlen przechodzi do elektrolitu. Pozostały ołów (Pb) łączy się z siarczanem (SO₄) z elektrolitu.
• Tam tlen łączy się z wodorem, tworząc wodę (H₂O). Ponieważ kwas siarkowy jest zużywany przez tworzenie siarczanu ołowiu, stężenie roztworu elektrolitu zmniejsza się. Gdy stężenie kwasu siarkowego spadnie poniżej pewnego poziomu, akumulator musi zostać naładowany.
• Podczas ładowania procesy chemiczne zachodzą w odwrotnej kolejności. Na końcu można znaleźć oryginalne elementy: Elektroda dodatnia składa się z siarczanu ołowiu (PbSO₄), elektroda ujemna składa się z czystego ołowiu (Pb), a elektrolit składa się z rozcieńczonego kwasu siarkowego (H₂SO₄). Ponieważ proces konwersji wiąże się ze stratami, akumulator może wytrzymać tylko ograniczoną liczbę cykli ładowania. Jego żywotność jest zatem ograniczona. 

Problemy z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi: Siarczanowanie i nawarstwianie kwasu

Jeśli akumulator jest ładowany zbyt niskim napięciem lub jeśli zawsze pracuje przy zbyt niskim napięciu (poniżej 80%), dochodzi do nawarstwiania kwasu, zwanego również stratyfikacją. Kwas w elektrolicie rozwarstwia się z powodu słabego mieszania. Różne gęstości powodują nawarstwianie się kwasu siarkowego na dnie i wody w górnej części akumulatora. Z tego powodu tylko środkowa część elektrolitu, tj. tylko jedna trzecia, może być wykorzystywana w procesie rozładowywania i ładowania.

Możliwą przyczyną powstawania warstw kwasu są głównie krótkie podróże z jednoczesnym korzystaniem z dużej liczby odbiorników elektrycznych. W takim przypadku alternator nie ma wystarczająco dużo czasu na naładowanie akumulatora.

Wynikiem nakładania się warstw kwasu jest zasiarczenie. Jeśli dojdzie do tego w akumulatorze lub jeśli nie jest on stale ładowany do odpowiedniego poziomu, siarczan ołowiu (PbSO₄) krystalizuje się na elektrodach, tworząc z czasem większe struktury krystaliczne. Proces ten znany jest jako “siarczanowanie”. Krystalizacja zapobiega ponownemu przekształceniu siarczanu ołowiu w oryginalne składniki ołowiu lub tlenku ołowiu, co skutkuje uniemożliwieniem przyjęcia ładunku i zmniejszeniem mocy zimnego rozruchu.

Ostre kryształy mogą również uszkodzić separatory lub spowodować zwarcia w ogniwach.

Aby przeciwdziałać temu efektowi i zapobiec przedwczesnej awarii akumulatora, akumulator nigdy nie powinien być poddawany niskiemu poziomowi naładowania przez długi czas. W tym celu zaleca się regularne testowanie akumulatora i jego pełne naładowanie w razie potrzeby.

Chcesz dowiedzieć się więcej na ten temat? Jak prawidłowo ładować akumulator.

Nowe technologie akumulatorów: AGM i litowo-jonowe

Do tej pory konwencjonalne akumulatory kwasowo-ołowiowe miały duży udział w rynku. Jednak rynek szybko się zmienia:. Innowacyjne technologie akumulatorów do pojazdów typu start-stop, takie jak AGM wykorzystują kwas związany w macie, aby zapewnić większą stabilność cyklu i zagwarantować niezawodne działanie w pojazdach o zwiększonym zapotrzebowaniu na energię. Kolejna zaleta AGM: Nakładanie warstw kwasu nie jest już możliwe ze względu na związany kwas.
Nowa generacja akumulatorów samochodowych do pojazdów mikrohybrydowych działa przy napięciu 48 V i wykorzystuje ogniwa w technologii litowo-jonowej.