Funcția bateriei auto

Cum funcționează și cum este construită o baterie auto?

Funcția tradițională a bateriei în compartimentul motorului este bine cunoscută: Fără baterie, vehiculul nu poate fi pornit. În plus față de motorul de pornire, bujiile, bujiile incandescente, luminile și aplicațiile electronice necesită energie electrică. Dar cum este construită o baterie și cum funcționează?

Baterii plumb-acid: Componente și structură

Mulți șoferi devin conștienți de greutatea mare a bateriilor auto atunci când cumpără una nouă. Sunt posibile greutăți de la aproximativ 10,5 kg, până la 30 kg. Motivul este reprezentat de plăcile de plumb din celulele bateriei.

Componentele și structura unei celule de baterie

Electrod pozitiv:

• Placă pozitivă: Într-o baterie plumb-acid, placa încărcată pozitiv (materialul activ) constă din oxid de plumb (PbO₂) care este scufundat într-un electrolit.
• Grilă pozitivă: Grila pozitivă constă dintr-un aliaj de plumb și este utilizată pentru a menține materialul activ și ca colector de curent.

Electrod negativ:

• Placă negativă: Placa încărcată negativ (materialul activ) constă din plumb pur (Pb), care este de asemenea scufundat într-un electrolit.
• Placă negativă: Ca și placa pozitivă, și aceasta este formată dintr-un aliaj de plumb și are același scop.
  

Electrozii cu sarcini diferite sunt separați de un sac separator.

Electrolitul este un amestec de acid sulfuric (H_>2SO₄) și apă distilată. Acest electrolit poate fi sub formă lichidă (ca în bateriile umede convenționale sau în tehnologia EFB îmbunătățită), sub formă de gel sau legat într-un mat de sticlă (ca în tehnologia AGM pentru noile aplicații start-stop).

Câțiva electrozi pozitivi formează un set de plăci pozitive și mai mulți electrozi negativi formează un set de plăci negative. Împreună, un set de plăci negative și unul pozitiv formează un bloc de plăci. Un bloc de plăci este o celulă de baterie.

O baterie de pornire convențională constă din 6 celule conectate în serie, fiecare cu o tensiune nominală de 2 V, ceea ce duce la o tensiune de exact 12,72 V atunci când bateria este complet încărcată. Capacitatea și capacitatea de pornire la rece a bateriei rezultă din numărul de plăci pe celulă.

Regula generală: Cu cât o celulă conține mai multe plăci și, prin urmare, formează o suprafață mai mare, cu atât mai mare este puterea de pornire la rece (CCA) pe care o poate furniza bateria. Cu toate acestea, dacă spațiul din celulă este utilizat pentru mai puține plăci, dar mai groase, stabilitatea ciclului crește. Acest lucru înseamnă că bateria este proiectată pentru un debit de încărcare mai mare (proces continuu de încărcare și descărcare).

Elementele sunt conținute într-o carcasă fabricată din plastic rezistent la acid (polipropilenă). Într-o baterie SLI convențională, acesta este închis cu un capac cu un sistem labirint care împiedică scurgerea lichidului din baterie și separă lichidul de gaz.

Pilele timpurii aveau dopuri cu șurub care permiteau umplerea lor cu apă distilată. Bateriile moderne sunt complet fără întreținere. Apa nu trebuie să fie și nu trebuie să fie completată. Deși bateriile AGM au încă “dopuri unidirecționale”, acestea nu trebuie deschise sub nicio formă.

Funcția bateriei auto: Energia chimică devine energie electrică

O baterie auto stochează energia sub formă chimică și o transformă în energie electrică. În acest proces electrochimic, patru materiale reacționează între ele:

• Hidrogen (H)
• Oxid (O₂)
• Plumb (Pb)
• Sulf (S)

Conectarea unui consumator extern începe reacția chimică în baterie:

• Electrolitul, un amestec de acid sulfuric (H₂SO₄) și apă distilată se descompune în ioni hidrogen încărcați pozitiv (H⁺) și ioni sulfat încărcați negativ (SO₄^2-).
• În același timp, electronii (2e^–) se deplasează de la electrodul negativ la cel pozitiv prin intermediul consumatorului extern.
• Pentru a compensa acest flux de electroni, ionii de sulfat se deplasează din electrolit în electrodul negativ, unde reacționează cu plumbul (Pb) pentru a produce sulfat de plumb (PbSO₄).
• Sulfatul de plumb este, de asemenea, produs în electrodul pozitiv: Legătura oxigenului (O₂) în oxidul de plumb (PbO₂) este ruptă prin transferul de electroni și oxigenul trece în electrolit. Plumbul rămas (Pb) se leagă cu sulfatul (SO₄) din electrolit.
• Acolo, oxigenul se leagă cu hidrogenul pentru a forma apă (H₂O). Pe măsură ce acidul sulfuric este consumat prin formarea sulfatului de plumb, concentrația soluției de electrolit scade. Când concentrația de acid sulfuric scade sub un anumit nivel, bateria trebuie reîncărcată.
• În timpul încărcării, procesele chimice au loc în secvență inversă. La final, elementele originale pot fi găsite: Electrodul pozitiv constă din sulfat de plumb (PbSO_>4), electrodul negativ constă din plumb pur (Pb), iar electrolitul constă din acid sulfuric diluat (H_>2SO₄). Deoarece acest proces de conversie este asociat cu pierderi, o baterie poate suporta doar un număr limitat de cicluri de încărcare. Prin urmare, durata sa de viață este limitată. 

Probleme cu bateriile plumb-acid: Sulfatarea și stratificarea acidului

Dacă o baterie este încărcată cu o tensiune prea mică sau dacă funcționează întotdeauna cu o tensiune prea mică (sub 80%), apare stratificarea acidului, denumită și stratificare. Acidul din electrolit se stratifică din cauza amestecului necorespunzător. Densitățile diferite determină stratificarea acidului sulfuric în partea inferioară și a apei în zona superioară a bateriei. Din acest motiv, doar secțiunea de mijloc a electrolitului, adică doar o treime, poate fi utilizată pentru procesul de descărcare și încărcare.

O posibilă cauză a stratului de acid este, în principal, călătoriile scurte cu utilizarea simultană a unui număr mare de consumatori electrici. În acest caz, alternatorul nu are suficient timp să reîncarce bateria.

Un rezultat al stratificării cu acid este sulfatarea. Dacă acest lucru se întâmplă în baterie sau dacă aceasta nu este încărcată constant la un nivel adecvat, sulfatul de plumb (PbSO₄) se cristalizează pe electrozi, pentru a forma structuri cristaline mai mari în decursul timpului. Acest proces este cunoscut sub numele de “sulfare”. Cristalizarea împiedică reconversia sulfatului de plumb în componentele originale plumb sau oxid de plumb, ceea ce duce la împiedicarea acceptării încărcării și reducerea puterii de pornire la rece.

Cristalele ascuțite pot, de asemenea, deteriora separatoarele sau provoca scurtcircuite în celule.

Pentru a contracara acest efect și a preveni defectarea prematură a bateriei, o baterie nu trebuie niciodată supusă unui nivel scăzut de încărcare pe o perioadă îndelungată. Pentru aceasta, este recomandabil să testați regulat bateria și să o încărcați complet dacă este necesar.

Doriți să aflați mai multe despre acest subiect? Cum să încărcați corect o baterie.

Noile tehnologii pentru baterii: AGM și litiu-ion

Până în prezent, bateriile convenționale plumb-acid au avut o cotă mare de piață. Cu toate acestea, piața se schimbă rapid: Tehnologiile inovatoare de baterii pentru vehicule start-stop, cum ar fi AGM , utilizează acid care este legat într-un covor pentru a oferi o mai mare stabilitate a ciclului și a garanta performanțe fiabile în vehicule cu cerințe energetice crescute. Un alt avantaj al AGM: Stratificarea acidului nu mai este posibilă din cauza acidului legat.
O nouă generație de baterii auto pentru vehicule microhibride funcționează la 48V și utilizează celule cu tehnologie litiu-ion.