Что такое аккумуляторная батарея (АКБ): назначение, устройство и типы

Аббревиатура АКБ расшифровывается как аккумуляторная кислотная батарея и указывает на то, что в таком аккумуляторе используется кислотный электролит, чаще всего раствор серной кислоты. Батарея автомобильного аккумулятора, представляет собой источник энергии, работающий на основе кислотных реакций. Хотя не все батареи для автомобилей относятся к этой категории, кислотные АКБ являются наиболее распространенными. Они известны также как батареи, аккумуляторы, или просто «аккумы». Эти устройства обеспечивают электроэнергией различные системы вашего автомобиля, когда двигатель еще не запущен, или при очень низких оборотах.

Для чего нужен аккумулятор в автомобиле

Электричество стало неотъемлемой частью современного автомобиля: благодаря ему вы можете запускать двигатель нажатием кнопки или поворотом ключа, наслаждаться музыкой, пользоваться освещением и обеспечивать безопасность вашего автомобиля от воровства на стоянке. Без электрического напряжения в бортовой сети работа двигателя внутреннего сгорания становится невозможной. Во время работы двигателя электроэнергия производится генератором и сохраняется в аккумуляторной батарее, или АКБ. Этот источник постоянного тока накапливает электричество и отдаёт его, когда это необходимо.

На современных автомобилях используются аккумуляторы различных типов. Местоположение АКБ зависит от модели транспортного средства: его можно найти в подкапотном пространстве, в багажнике или даже под полом, а на грузовых машинах — на выносной полке снаружи автомобиля. Это крупное и тяжелое устройство. Например, аккумулятор легкового автомобиля обычно весит около 20 кг.

Рекомендуем прочитать как снять клеммы с аккумулятора.

История АКБ: кто первым придумал это устройство

С момента открытия итальянским физиком Алессандро Вольтой первого источника постоянного тока до широкого распространения аккумуляторов в транспортной сфере прошло более ста пятидесяти лет. Французский ученый Гастон Планте считается создателем первой перезаряжаемой свинцово-кислотной АКБ, конструкция которой во многом напоминает современные автомобильные аккумуляторы. Он разместил пару свинцовых пластин в кислотном растворе, разделенных специальной тканью. Это устройство могло заряжаться через гальваническую батарею и выдавать ток. Еще один француз, Камиль-Альфонс Фор, доработал его и начал массовое производство. Но настоящий прорыв в развитии АКБ произошел благодаря Генри Тюдору, который в 1880-х годах получил патент на систему массового производства аккумуляторов. В начале XX века Томас Эдисон адаптировал АКБ под потребности транспорта. Именно он считается пионером автомобильных источников постоянного тока.

С течением времени емкость и размеры АКБ постепенно увеличивались, а рабочее напряжение росло. Если до середины XX века на легковых автомобилях применялись 6-вольтовые батареи, то сегодняшние стандарты требуют 12-вольтовые, а в некоторых случаях, например, на гибридных автомобилях с ДВС, даже 24-вольтовые.

Устройство АКБ аккумуляторной батареи

Химическая энергия в аккумуляторной батарее преобразуется в электрическую. Процесс начинается с помещения двух свинцовых пластин в раствор серной кислоты внутри батареи. На пластинах есть выводы (рисунок №1), к которым подсоединяют провода от генератора. Вращая генератор, начинается выделение электрического тока, заряжая аккумулятор (пока он заряжается, он потребляет ток). Электрическая энергия преобразуется обратно в химическую, заряжая аккумулятор. После зарядки генератор отсоединяют, а вместо него подключают, например, лампочку, которая загорается благодаря процессу преобразования химической энергии в электрическую. Одно из преимуществ такой конструкции в том, что зарядку и разрядку можно повторять многократно. При соблюдении простых правил эксплуатации аккумулятор может служить долгое время.

Простейший аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин, помещенных в корпус (обычно называемый банкой), заполненный раствором серной кислоты (электролитом) и закрытый крышкой. На крышке есть отверстия, через которые выводятся по два провода от каждой пластины (положительный и отрицательный).

АКБ выполняет три основные функции. Главная из них – запуск двигателя. Кроме того, он обеспечивает питание бортовых электрических устройств, когда двигатель не работает. Вторая важная функция – обеспечение аварийного питания в случае выхода из строя генератора. Третья функция – поддержание баланса напряжения, поступающего от генератора, что особенно важно для инжекторных двигателей.

Хотя устройство аккумулятора автомобиля остается в основном неизменным на протяжении многих десятилетий, развитие технологий и использование новых материалов способствуют созданию более надежных конструкций и улучшению работы автомобильного аккумулятора.

Основой работы аккумулятора является принцип образования разности потенциалов, или напряжения, между пластинами, погруженными в электролитный раствор.

Хотя устройство аккумулятора автомобиля может различаться в зависимости от типа и производителя, общий принцип остается одинаковым: все аккумуляторные батареи содержат электроды, разделенные сепараторами, и находятся в емкости, заполненной электролитом.

Аккумуляторные пластины

Пластины в аккумуляторах укрепляются добавлением сурьмы для повышения прочности. Однако этот подход имеет свои недостатки: присутствие сурьмы способствует испарению воды из электролита, что обуславливает необходимость периодической подливки воды в большинство типов аккумуляторов. Тем не менее, технологии продолжают развиваться, и устройство автомобильных аккумуляторов становится все более совершенным. Меньшее количество сурьмы в свинцовых пластинах привело к появлению малообслуживаемых и гибридных аккумуляторов.

На положительный электрод аккумулятора наносится двуокись свинца, на отрицательный – губчатый свинец. Затем внутрь заливается электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты.

Каждая чередующаяся пластина является электродом с противоположной полярностью. Для предотвращения короткого замыкания между пластинами используются сепараторы, изготовленные из пористого пластика, не препятствующего циркуляции электролита внутри ячейки.

Пластины с отрицательной полярностью на одну больше, чем с положительной, так как каждая положительная пластина располагается между двумя отрицательными.

Пакет пластин надежно фиксируется, чтобы избежать их смещения и деформации, чаще всего при помощи специального бандажа. Положительные и отрицательные токовые выводы пластин объединены в пары. Энергия концентрируется с помощью токосборников, которые связаны с выводными бортами аккумулятора, к которым подключаются токоприемные клеммы.

Устройство аккумулятора обеспечивает высокую надежность. Современные аккумуляторы являются качественными устройствами, способными обеспечивать энергией даже самые мощные автомобили.

Корпус аккумулятора

Корпус АКБ состоит из двух основных частей: основной глубокой емкости и крышки, закрывающей его. Крышка может быть оборудована горловинами с пробками или системой для регулирования давления внутри батареи и удаления образующегося газа. Дизайн корпуса зависит от типа аккумулятора.

Сам корпус изготовлен из материала, который должен обладать высокой прочностью и безопасностью. Он должен выдерживать агрессивные химические воздействия, изменения температуры и сильные вибрации. В большинстве современных аккумуляторов корпус выполнен из полипропилена.

Внутренние отсеки АКБ

Внутри аккумуляторной батареи есть контейнер, состоящий из шести секций, или «банок». Каждая секция представляет собой отдельный источник питания, обеспечивающий напряжение около 2-2,1 В. Обычный автомобильный аккумулятор рассчитан на 12 В.

Каждая секция содержит набор пластин с чередующейся полярностью: одна положительная, другая отрицательная. Пластины, сделанные из свинца, имеют решетчатую структуру в виде прямоугольных ячеек, что облегчает нанесение на них активной массы — основного рабочего материала.

Сепаратор

Сепаратор — это тонкая изоляционная пластина или материал, который разделяет положительные и отрицательные пластины внутри аккумулятора. Основная функция сепаратора — предотвратить короткое замыкание между пластинами разных полярностей, сохраняя при этом доступность для электролита. Это позволяет электролиту свободно циркулировать между пластинами и проводить зарядку и разрядку аккумулятора без проблем. Сепараторы обычно изготавливаются из пористых материалов, таких как пористый пластик или стекловолокно, чтобы обеспечить хорошую воздухопроницаемость и электрическую изоляцию.

Заливная горловина

Заливная горловина в автомобильном аккумуляторе (АКБ) — это отверстие или канал, через которое производится добавление дистиллированной воды в аккумулятор для поддержания уровня электролита. Во многих аккумуляторах эту функцию выполняют специальные пробки или пробки-горловины, которые установлены на крышке аккумулятора. Заливная горловина обычно закрыта крышкой или уплотнительным кольцом, чтобы предотвратить проникновение пыли, грязи или внешних элементов внутрь аккумулятора. При необходимости долить воду в аккумулятор, крышка или уплотнительное кольцо открывается, и вода добавляется в соответствующий отсек аккумулятора через заливную горловину. Это позволяет поддерживать правильный уровень электролита в аккумуляторе, что важно для его нормальной работы и длительного срока службы.

Виды и типы аккумуляторов для автомобиля

Сурьмянистые

Сурьмянистые аккумуляторные батареи были первопроходцами в автомобильной индустрии. Их отличительной чертой является наличие сурьмы (5% и более) в составе свинцовых пластин положительных электродов, что и дало им такое название. Обычно они маркируются знаком Sb.

Добавление сурьмы служило для упрочнения мягкого свинца, делая его более пригодным для накопления и отдачи заряда. Однако сурьмянистое покрытие ускоряло процесс электролиза, провоцируя быстрое выкипание воды и оголение электродов. Это приводило к их осыпанию, замыканию и, в конечном счете, выходу батареи из строя.

Чтобы продлить срок службы, владельцам сурьмянистых АКБ приходилось регулярно проверять уровень и плотность электролита, доливая дистиллированную воду по мере выкипания. Поэтому они относились к обслуживаемым моделям, быстро выходящим из строя при халатном отношении.

К достоинствам можно отнести невысокую цену, неприхотливость в обслуживании и стойкость к глубоким разрядам. Но они также отличались высоким саморазрядом, слабым пусковым током, коротким сроком службы (3-4 года), боязнью тряски и переворачивания.

Сегодня устаревшие сурьмянистые батареи практически полностью вытеснены с рынка более современными видами АКБ. Их можно встретить разве что на очень старых автомобилях. Действительно задумываться об их плюсах и минусах уже не имеет особого смысла.

Малосурьмянистые

Такие аккумуляторы являются подвидом сурьмянистых батарей, но с пониженным содержанием сурьмы (2-4%). Это существенно снижает потери от быстрого выкипания электролита. Хотя уровень жидкости все еще требует периодической проверки, делать это нужно реже, чем для полностью сурьмянистых версий. Поэтому их можно отнести к малообслуживаемым моделям.

Одним из неоспоримых достоинств малосурьмянистых АКБ является их невысокая цена и низкий уровень саморазряда при хранении по сравнению с обычными сурьмянистыми аналогами. Кроме того, они крайне нетребовательны к электрическим параметрам автомобиля. Их можно использовать на подавляющем большинстве бортовых сетей, поскольку перепады напряжения им практически не вредят. В этом они выгодно отличаются от самых передовых типов батарей, таких как AGM, кальциевые и гелевые, которые могут быть очень чувствительны к параметрам автомобиля.

Таким образом, малосурьмянистые аккумуляторы сочетают в себе доступную цену, неприхотливость в эксплуатации и умеренные требования к обслуживанию. Это делает их оптимальным выбором для владельцев старых автомобилей или тех, кто не готов переплачивать за дорогостоящие высокотехнологичные АКБ.

Кальциевые

Из-за ускоренного выкипания электролита, вызванного сурьмой, от нее вскоре отказались. Вместо этого решетки электродов обоих полюсов стали покрывать кальцием (отсюда маркировка Ca/Ca). В некоторых случаях к кальцию добавляют небольшое количество серебра для снижения внутреннего сопротивления и повышения КПД.

В кальциевых АКБ напряжение начала электролиза воды повысилось с 2 до 3,6 В, что исключает риск перезаряда и выкипания. Поэтому такие батареи относятся к необслуживаемым типам. Потери электролита настолько малы, что многие модели вообще не предусматривают возможности доливки воды. Они обладают большей емкостью, мощными пусковыми токами и уровнем саморазряда на 70% ниже, чем у малосурьмянистых батарей. Это позволяет хранить их без использования гораздо дольше. При активной эксплуатации в автомобиле срок службы составляет 5-6 лет.

Однако у кальциевых АКБ есть и недостатки. Они продаются по более высокой цене, боятся переворачивания и плохо переносят глубокие разряды. Несколько полных разрядов могут снизить емкость на 80% без возможности восстановления. Еще один минус — высокая чувствительность к скачкам напряжения, часто встречающимся в отечественных автомобилях с нестабильной бортовой сетью. Это может привести к преждевременному выходу из строя или существенному ухудшению эксплуатационных характеристик.

Таким образом, кальциевые аккумуляторы являются более технологичными и долговечными по сравнению с сурьмянистыми версиями, но требуют аккуратного обращения и стабильных условий эксплуатации для раскрытия своего потенциала. Их преимущества особенно ценятся на новых автомобилях с большим электропотреблением.

Гибридные

Гибридные аккумуляторы (Hybrid battery) совмещают в себе преимущества сурьмянистых и кальциевых батарей. Они получили такое название потому, что электроды разных полюсов содержат разные присадки: положительные пластины покрыты сурьмой, а отрицательные — кальцием. Иногда, как и в кальциевых АКБ, добавляют небольшое количество серебра. Маркировка таких батарей обычно указывает на их гибридную природу — Ca+ или Sb/Ca.

Гибридные аккумуляторы представляют собой промежуточный вариант между сурьмянистыми и кальциевыми моделями. Их характеристики пусковых токов и емкости занимают среднее положение — меньше, чем у кальциевых, но больше, чем у обычных сурьмянистых АКБ. Они требуют обслуживания в виде доливки дистиллированной воды раз в полгода, но не нуждаются в столь тщательном уходе, как батареи с высоким содержанием сурьмы. Гибридные АКБ хорошо противостоят глубоким разрядам и перезарядам, а перепады напряжения не так губительны для них, как для кальциевых моделей. Они продаются по сбалансированной цене, сочетающей доступность и функциональность. Срок службы составляет около 5 лет.

Таким образом, гибридные аккумуляторные батареи представляют собой удачное сочетание лучших качеств сурьмянистых и кальциевых решений. Они находят широкое применение в самых разных автомобилях, обеспечивая приемлемый баланс эксплуатационных характеристик, стоимости и требований к обслуживанию. Это делает их оптимальным выбором для многих автовладельцев.

Гелевые

Главное отличие гелевых аккумуляторов (маркируются GEL) от обычных свинцово-кислотных заключается в том, что их электролит находится не в жидком, а в гелеобразном состоянии. Это практически исключает возможность протекания из-за небрежного обращения.

Гелевой электролит почти не испаряется, надежно защищая внутренности от перегрева и осыпания. Благодаря более твердой консистенции эти АКБ не боятся наклонов и тряски. Они также очень медленно разряжаются, что позволяет хранить их до двух лет без критической потери заряда. Гелевые батареи отдают стабильный ток до полного разряда, быстро заряжаются, выдерживают глубокие разряды и многократные циклы заряда-разряда. Их впечатляющий срок службы достигает 15 лет.

Однако у них есть и существенные недостатки. Прежде всего, это высокая цена, вдвое превышающая стоимость обычных АКБ, что часто становится решающим фактором. Жители крайнего севера могут столкнуться с тем, что при сильных морозах ниже -50°С гель начнет кристаллизоваться, теряя свойства и емкость. Гелевые батареи очень чувствительны к напряжению и должны заряжаться специальными устройствами с напряжением 14,4-15 В. Превышение этого значения рискует нанести непоправимый ущерб. Использовать их не рекомендуется на автомобилях с нестабильной бортовой сетью напряжением выше 13 В. Гелевые АКБ плохо переносят скачки напряжения и короткие замыкания, даже кратковременное может полностью вывести их из строя. Для защиты требуются дополнительные клеммы с реле-регуляторами.

Хотя гелевая технология обеспечивает выдающиеся показатели емкости и пускового тока, позволить себе такие дорогостоящие АКБ могут лишь владельцы премиальных автомобилей или транспорта, часто эксплуатируемого в условиях сильной тряски (мотоциклы, катера, самолеты). Обычно там гелевые батареи устанавливаются штатно, и использование более слабых кальциевых моделей невозможно.

AGM

AGM аккумуляторы представляют собой усовершенствованную версию гелевых батарей, созданную специально для автомобилей с функцией «Старт-Стоп». Отличие заключается в том, что между свинцовыми электродами располагается особый пористый стекловолокнистый мат, обеспечивающий дополнительную защиту от осыпания. Отсюда и название Absorbent Glass Mat — «абсорбирующий стекломатериал».

По сравнению с обычными свинцово-кислотными АКБ, у AGM есть лишь один недостаток — более высокая цена, сопоставимая с гелевыми моделями. Они значительно дороже кальциевых и гибридных батарей. При этом обслуживание не требуется.

В сравнении с гелевыми аналогами, AGM аккумуляторы немного дешевле, менее зависимы от напряжения заряда, менее чувствительны к коротким замыканиям и лучше переносят холод. Однако они проигрывают по переносимости циклов заряда-разряда, хуже справляются с глубокими разрядами и быстрее разряжаются при хранении вне сети.

AGM батареи штатно устанавливаются на автомобили премиум-класса с высокими требованиями к уровню электроотдачи. При этом владельцам таких машин не рекомендуется устанавливать другие типы аккумуляторов. Если под капотом изначально стояла AGM батарея, менять ее на кальциевую или гелевую не следует. С другой стороны, впечатляющий срок службы AGM в 10-15 лет частично компенсирует этот недостаток.

Таким образом, AGM аккумуляторы представляют собой технологичное и надежное решение для современных автомобилей с расширенным функционалом. Они сочетают достоинства гелевых батарей с улучшенными эксплуатационными характеристиками, но при этом остаются достаточно дорогостоящими.

EFB

Технология EFB (Enhanced Flooded Battery или «Усиленная батарея с жидким электролитом») занимает промежуточное положение между обычными свинцово-кислотными АКБ и более продвинутыми AGM аккумуляторами. В отличие от AGM, где стекловолоконные маты пропитаны гелем, в EFB электролит остается в жидком состоянии. Однако он вместе с утолщенными пластинами заключен в конверт из микроволокна, который предохраняет их поверхность от образования сульфатов и осыпания активной массы, предотвращая короткие замыкания. По сравнению с AGM, батареи типа EFB заряжаются намного быстрее. Но их объединяет то, что обе технологии разрабатывались специально для энергоемких автомобильных систем «Старт-Стоп».

EFB аккумуляторы хорошо проявили себя в городской езде с частыми остановками на светофорах и в пробках. Обычные кальциевые АКБ с трудом выдерживают такое огромное количество стартов и остановок за короткий период, в то время как EFB справляются с этим значительно лучше. Емкость и скорость заряда у таких моделей также выше, чем у аналогов классической конструкции. Они неплохо противостоят глубоким разрядам, практически не теряя свойств. Благодаря высокой энергоемкости и мощным пусковым токам, EFB аккумуляторы стабильно работают как в мороз, так и в жару, не подвергаясь коррозии. Их не нужно обслуживать в процессе эксплуатации, и они легко выдерживают несколько циклов заряда-разряда без ухудшения характеристик.

Однако, по сравнению с AGM, у EFB есть пара слабых мест — они немного уступают по мощности и не поддерживают рекуперацию энергии при торможении.

Таким образом, EFB аккумуляторы представляют собой отличный выбор для городских условий эксплуатации с частыми поездками на короткие расстояния. Они сочетают преимущества классических АКБ с улучшенными эксплуатационными характеристиками, необходимыми для современных автомобилей.

Щелочные

Если вместо серной кислоты в качестве электролита используется раствор щелочи, то такие аккумуляторы относятся к щелочным. По химическому составу и количеству пластин они подразделяются на два вида: никель-кадмиевые и никель-железные. Оба имеют тончайшие гофрированные электроды, помещенные в герметичные конверты для защиты от тряски и вибраций.

По сравнению со свинцово-кислотными АКБ, автомобильные щелочные аккумуляторы обладают сравнительно высокой энергоемкостью, что крайне важно для тягового и стартерного режимов работы. Они хорошо переносят глубокие разряды и медленно саморазряжаются, что позволяет длительное хранение в полностью разряженном состоянии. Щелочные батареи более экологичны, выделяя меньше вредных веществ при работе или протечках. По сравнению с гелевыми, они обладают повышенной стойкостью к перезарядам и лучше справляются с морозами.

Однако у щелочных АКБ есть и слабые стороны. Их уровень напряжения ниже, чем у свинцово-кислотных аналогов, из-за чего они имеют более крупные габариты по сравнению с кальциевыми батареями. Но самой большой проблемой является так называемый «эффект памяти», когда при сильном разряде аккумулятор «запоминает» предел разряда и в следующий раз будет отдавать энергию только до этого порога. Их цена также значительно выше, чем у свинцово-кислотных АКБ. Однако встретить такие батареи на автомобильном рынке сложно, так как они в основном применяются в грузовиках, погрузчиках, электрокарах и другой спецтехнике.

Таким образом, щелочные аккумуляторы представляют собой экологичную и мощную альтернативу для определенных видов транспорта, но обладают рядом специфических недостатков, ограничивающих их широкое применение в легковых автомобилях. Их использование оправданно в тех случаях, когда требуется максимальная энергоемкость при экстремальных режимах разряда и работы.

Заключение

При выборе аккумулятора для вашего автомобиля, придерживайтесь своих потребностей. Не стремитесь к избыточной мощности. Обычно для запуска двигателя, особенно в холодную погоду, требуется около 350-400 Ампер, следовательно, стандартный пусковой ток в 500 Ампер обеспечит запуск с запасом. Большинство кальциевых и гибридных аккумуляторов с емкостью 60 Ампер-часов рассчитаны на такие нагрузки. Приобретение гелевых аккумуляторов с пусковым током в 1000 Ампер для большинства водителей с автомобилями среднего ценового сегмента лишь приведет к ненужным расходам.