Що таке акумуляторна батарея (АКБ): призначення, будова і типи

Абревіатура АКБ розшифровується як акумуляторна кислотна батарея і вказує на те, що в такому акумуляторі використовується кислотний електроліт, найчастіше розчин сірчаної кислоти. Батарея автомобільного акумулятора являє собою джерело енергії, що працює на основі кислотних реакцій. Хоча не всі батареї для автомобілів належать до цієї категорії, кислотні АКБ є найбільш поширеними. Вони відомі також як батареї, акумулятори, або просто “акуми”. Ці пристрої забезпечують електроенергією різні системи вашого автомобіля, коли двигун ще не запущений, або за дуже низьких обертів.

Для чого потрібен акумулятор в автомобілі

Електрика стала невід’ємною частиною сучасного автомобіля: завдяки їй ви можете запускати двигун натисканням кнопки або поворотом ключа, насолоджуватися музикою, користуватися освітленням і забезпечувати безпеку вашого автомобіля від крадіжки на стоянці. Без електричної напруги в бортовій мережі робота двигуна внутрішнього згоряння стає неможливою. Під час роботи двигуна електроенергія виробляється генератором і зберігається в акумуляторній батареї, або АКБ. Це джерело постійного струму накопичує електрику і віддає її, коли це необхідно.

На сучасних автомобілях використовуються акумулятори різних типів. Місцезнаходження АКБ залежить від моделі транспортного засобу: його можна знайти в підкапотному просторі, в багажнику або навіть під підлогою, а на вантажних машинах – на виносній полиці зовні автомобіля. Це великий і важкий пристрій. Наприклад, акумулятор легкового автомобіля зазвичай важить близько 20 кг.

Рекомендуємо прочитати як зняти клеми з акумулятора.

Історія АКБ: хто першим придумав цей пристрій

З моменту відкриття італійським фізиком Алессандро Вольтою першого джерела постійного струму до широкого поширення акумуляторів у транспортній сфері минуло понад сто п’ятдесят років. Французький вчений Гастон Планте вважається творцем першої свинцево-кислотної АКБ, що перезаряджається, конструкція якої багато в чому нагадує сучасні автомобільні акумулятори. Він розмістив пару свинцевих пластин у кислотному розчині, розділених спеціальною тканиною. Цей пристрій міг заряджатися через гальванічну батарею і видавати струм. Ще один француз, Каміль-Альфонс Фор, доопрацював його і почав масове виробництво. Але справжній прорив у розвитку АКБ стався завдяки Генрі Тюдору, який у 1880-х роках отримав патент на систему масового виробництва акумуляторів. На початку XX століття Томас Едісон адаптував АКБ під потреби транспорту. Саме він вважається піонером автомобільних джерел постійного струму.

З плином часу ємність і розміри АКБ поступово збільшувалися, а робоча напруга зростала. Якщо до середини XX століття на легкових автомобілях застосовували 6-вольтові батареї, то сьогоднішні стандарти вимагають 12-вольтові, а в деяких випадках, наприклад, на гібридних автомобілях з ДВЗ, навіть 24-вольтові.

Будова АКБ акумуляторної батареї

Хімічна енергія в акумуляторній батареї перетворюється на електричну. Процес починається з поміщення двох свинцевих пластин у розчин сірчаної кислоти всередині батареї. На пластинах є виводи (малюнок №1), до яких під’єднують дроти від генератора. Обертаючи генератор, починається виділення електричного струму, заряджаючи акумулятор (поки він заряджається, він споживає струм). Електрична енергія перетворюється назад у хімічну, заряджаючи акумулятор. Після зарядки генератор від’єднують, а замість нього під’єднують, наприклад, лампочку, яка спалахує завдяки процесу перетворення хімічної енергії в електричну. Одна з переваг такої конструкції в тому, що зарядку і розрядку можна повторювати багаторазово. При дотриманні простих правил експлуатації акумулятор може служити довгий час.

Найпростіший акумулятор складається з двох свинцевих пластин, поміщених у корпус (зазвичай званий банкою), заповнений розчином сірчаної кислоти (електролітом) і закритий кришкою. На кришці є отвори, через які виводяться по два дроти від кожної пластини (позитивний і негативний).

АКБ виконує три основні функції. Головна з них – запуск двигуна. Крім того, він забезпечує живлення бортових електричних пристроїв, коли двигун не працює. Друга важлива функція – забезпечення аварійного живлення в разі виходу з ладу генератора. Третя функція – підтримання балансу напруги, що надходить від генератора, що особливо важливо для інжекторних двигунів.

Хоча будова акумулятора автомобіля залишається здебільшого незмінною протягом багатьох десятиліть, розвиток технологій і використання нових матеріалів сприяють створенню більш надійних конструкцій і поліпшенню роботи автомобільного акумулятора.

Основою роботи акумулятора є принцип утворення різниці потенціалів, або напруги, між пластинами, зануреними в електролітний розчин.

Хоча будова акумулятора автомобіля може різнитися залежно від типу і виробника, загальний принцип залишається однаковим: усі акумуляторні батареї містять електроди, розділені сепараторами, і знаходяться в ємності, заповненій електролітом.

Акумуляторні пластини

Пластини в акумуляторах зміцнюються додаванням сурми для підвищення міцності. Однак цей підхід має свої недоліки: присутність сурми сприяє випаровуванню води з електроліту, що зумовлює необхідність періодичного підливання води в більшість типів акумуляторів. Проте, технології продовжують розвиватися, і пристрій автомобільних акумуляторів стає все більш досконалим. Менша кількість сурми в свинцевих пластинах призвела до появи малообслуговуваних і гібридних акумуляторів.

На позитивний електрод акумулятора наноситься двоокис свинцю, на негативний – губчастий свинець. Потім всередину заливається електроліт, що являє собою водний розчин сірчаної кислоти.

Кожна пластина, що чергується, є електродом з протилежною полярністю. Для запобігання короткого замикання між пластинами використовуються сепаратори, виготовлені з пористого пластику, що не перешкоджає циркуляції електроліту всередині комірки.

Пластини з негативною полярністю на одну більші, ніж з позитивною, оскільки кожна позитивна пластина розташовується між двома негативними.

Пакет пластин надійно фіксується, щоб уникнути їхнього зміщення і деформації, найчастіше за допомогою спеціального бандажа. Позитивні та негативні струмові виводи пластин об’єднані в пари. Енергія концентрується за допомогою струмозбірників, які пов’язані з вивідними бортами акумулятора, до яких під’єднуються струмоприймальні клеми.

Будова акумулятора забезпечує високу надійність. Сучасні акумулятори є якісними пристроями, здатними забезпечувати енергією навіть найпотужніші автомобілі.

Корпус акумулятора

Корпус АКБ складається з двох основних частин: основної глибокої ємності та кришки, що закриває його. Кришка може бути обладнана горловинами з пробками або системою для регулювання тиску всередині батареї і видалення газу, що утворюється. Дизайн корпусу залежить від типу акумулятора.

Сам корпус виготовлений з матеріалу, який повинен мати високу міцність і безпеку. Він має витримувати агресивні хімічні впливи, зміни температури та сильні вібрації. У більшості сучасних акумуляторів корпус виконаний з поліпропілену.

Внутрішні відсіки АКБ

Усередині акумуляторної батареї є контейнер, що складається з шести секцій, або “банок”. Кожна секція являє собою окреме джерело живлення, що забезпечує напругу близько 2-2,1 В. Звичайний автомобільний акумулятор розрахований на 12 В.

Кожна секція містить набір пластин з полярністю, що чергується: одна позитивна, інша негативна. Пластини, зроблені зі свинцю, мають ґратчасту структуру у вигляді прямокутних осередків, що полегшує нанесення на них активної маси – основного робочого матеріалу.

Сепаратор

Сепаратор – це тонка ізоляційна пластина або матеріал, який розділяє позитивні та негативні пластини всередині акумулятора. Основна функція сепаратора – запобігти короткому замиканню між пластинами різних полярностей, зберігаючи при цьому доступність для електроліту. Це дає змогу електроліту вільно циркулювати між пластинами і проводити заряджання та розряджання акумулятора без проблем. Сепаратори зазвичай виготовляють із пористих матеріалів, таких як пористий пластик або скловолокно, щоб забезпечити хорошу повітропроникність і електричну ізоляцію.

Заливна горловина

Заливна горловина в автомобільному акумуляторі (АКБ) – це отвір або канал, через який проводиться додавання дистильованої води в акумулятор для підтримки рівня електроліту. У багатьох акумуляторах цю функцію виконують спеціальні пробки або пробки-горловини, які встановлені на кришці акумулятора. Заливна горловина зазвичай закрита кришкою або кільцем ущільнювача, щоб запобігти проникненню пилу, бруду або зовнішніх елементів всередину акумулятора. За необхідності долити воду в акумулятор, кришка або кільце ущільнювача відкривається, і вода додається у відповідний відсік акумулятора через заливну горловину. Це дає змогу підтримувати правильний рівень електроліту в акумуляторі, що важливо для його нормальної роботи та тривалого терміну служби.

Види і типи акумуляторів для автомобіля

Сурм’янисті

Сурм’янисті акумуляторні батареї були першопрохідцями в автомобільній індустрії. Їхньою відмінною рисою є наявність сурми (5% і більше) у складі свинцевих пластин позитивних електродів, що і дало їм таку назву. Зазвичай вони маркуються знаком Sb.

Додавання сурми слугувало для зміцнення м’якого свинцю, роблячи його більш придатним для накопичення і віддачі заряду. Однак сурм’янисте покриття прискорювало процес електролізу, провокуючи швидке википання води і оголення електродів. Це призводило до їх осипання, замикання і, зрештою, виходу батареї з ладу.

Щоб продовжити термін служби, власникам сурм’янистих АКБ доводилося регулярно перевіряти рівень і щільність електроліту, доливаючи дистильовану воду в міру википання. Тому вони належали до обслуговуваних моделей, які швидко виходили з ладу в разі недбалого ставлення.

До переваг можна віднести невисоку ціну, невибагливість в обслуговуванні і стійкість до глибоких розрядів. Але вони також відрізнялися високим саморозрядом, слабким пусковим струмом, коротким терміном служби (3-4 роки), острахом трясіння і перевертання.

Сьогодні застарілі сурм’янисті батареї практично повністю витіснені з ринку більш сучасними видами АКБ. Їх можна зустріти хіба що на дуже старих автомобілях. Дійсно замислюватися про їхні плюси і мінуси вже не має особливого сенсу.

Малосурм’янисті

Такі акумулятори є підвидом сурм’янистих батарей, але зі зниженим вмістом сурми (2-4%). Це істотно знижує втрати від швидкого википання електроліту. Хоча рівень рідини все ще вимагає періодичної перевірки, робити це потрібно рідше, ніж для повністю сурм’янистих версій. Тому їх можна віднести до малообслуговуваних моделей.

Однією з незаперечних переваг малосурм’янистих АКБ є їхня невисока ціна і низький рівень саморозряду під час зберігання порівняно зі звичайними сурм’янистими аналогами. Крім того, вони вкрай невибагливі до електричних параметрів автомобіля. Їх можна використовувати на переважній більшості бортових мереж, оскільки перепади напруги їм практично не шкодять. У цьому вони вигідно відрізняються від найпередовіших типів батарей, таких як AGM, кальцієві та гелеві, які можуть бути дуже чутливі до параметрів автомобіля.

Таким чином, малосурм’янисті акумулятори поєднують у собі доступну ціну, невибагливість в експлуатації та помірні вимоги до обслуговування. Це робить їх оптимальним вибором для власників старих автомобілів або тих, хто не готовий переплачувати за дорогі високотехнологічні АКБ.

Кальцієві

Через прискорене википання електроліту, викликане сурмою, від неї незабаром відмовилися. Замість цього решітки електродів обох полюсів стали покривати кальцієм (звідси маркування Ca/Ca). У деяких випадках до кальцію додають невелику кількість срібла для зниження внутрішнього опору і підвищення ККД.

В кальцієвих АКБ напруга початку електролізу води підвищилася з 2 до 3,6 В, що виключає ризик перезарядження і википання. Тому такі батареї належать до необслуговуваних типів. Втрати електроліту настільки малі, що багато моделей взагалі не передбачають можливості доливання води. Вони мають більшу ємність, потужні пускові струми і рівень саморозряду на 70% нижчий, ніж у малосурм’янистих батарей. Це дає змогу зберігати їх без використання набагато довше. При активній експлуатації в автомобілі термін служби становить 5-6 років.

Однак у кальцієвих АКБ є і недоліки. Вони продаються за вищою ціною, бояться перевертання і погано переносять глибокі розряди. Кілька повних розрядів можуть знизити ємність на 80% без можливості відновлення. Ще один мінус – висока чутливість до стрибків напруги, які часто зустрічаються у вітчизняних автомобілях з нестабільною бортовою мережею. Це може призвести до передчасного виходу з ладу або істотного погіршення експлуатаційних характеристик.

Таким чином, кальцієві акумулятори є більш технологічними і довговічними порівняно з сурм’янистими версіями, але потребують акуратного поводження і стабільних умов експлуатації для розкриття свого потенціалу. Їхні переваги особливо цінуються на нових автомобілях з великим електроспоживанням.

Гібридні

Гібридні акумулятори (Hybrid battery) поєднують у собі переваги сурм’янистих і кальцієвих батарей. Вони отримали таку назву тому, що електроди різних полюсів містять різні присадки: позитивні пластини покриті сурмою, а негативні – кальцієм. Іноді, як і в кальцієвих АКБ, додають невелику кількість срібла. Маркування таких батарей зазвичай вказує на їхню гібридну природу – Ca+ або Sb/Ca.

Гібридні акумулятори являють собою проміжний варіант між сурм’янистими і кальцієвими моделями. Їхні характеристики пускових струмів і ємності займають середнє положення – менші, ніж у кальцієвих, але більші, ніж у звичайних сурм’янистих АКБ. Вони потребують обслуговування у вигляді доливання дистильованої води раз на півроку, але не потребують настільки ретельного догляду, як батареї з високим вмістом сурми. Гібридні АКБ добре протистоять глибоким розрядам і перезарядам, а перепади напруги не такі згубні для них, як для кальцієвих моделей. Вони продаються за збалансованою ціною, що поєднує доступність і функціональність. Термін служби становить близько 5 років.

Таким чином, гібридні акумуляторні батареї являють собою вдале поєднання найкращих якостей сурм’янистих і кальцієвих рішень. Вони знаходять широке застосування в найрізноманітніших автомобілях, забезпечуючи прийнятний баланс експлуатаційних характеристик, вартості та вимог до обслуговування. Це робить їх оптимальним вибором для багатьох автовласників.

Гелеві

Головна відмінність гелевих акумуляторів (маркуються GEL) від звичайних свинцево-кислотних полягає в тому, що їхній електроліт перебуває не в рідкому, а в гелеподібному стані. Це практично виключає можливість протікання через недбале поводження.

Гелевий електроліт майже не випаровується, надійно захищаючи нутрощі від перегріву і осипання. Завдяки більш твердій консистенції ці АКБ не бояться нахилів і тряски. Вони також дуже повільно розряджаються, що дозволяє зберігати їх до двох років без критичної втрати заряду. Гелеві батареї віддають стабільний струм до повного розряду, швидко заряджаються, витримують глибокі розряди і багаторазові цикли заряду-розряду. Їхній вражаючий термін служби досягає 15 років.

Однак у них є й суттєві недоліки. Перш за все, це висока ціна, яка вдвічі перевищує вартість звичайних АКБ, що часто стає вирішальним фактором. Жителі крайньої півночі можуть зіткнутися з тим, що за сильних морозів нижче -50°С гель почне кристалізуватися, втрачаючи властивості і ємність. Гелеві батареї дуже чутливі до напруги і повинні заряджатися спеціальними пристроями з напругою 14,4-15 В. Перевищення цього значення ризикує завдати непоправної шкоди. Використовувати їх не рекомендується на автомобілях з нестабільною бортовою мережею напругою вище 13 В. Гелеві АКБ погано переносять стрибки напруги і короткі замикання, навіть короткочасне може повністю вивести їх з ладу. Для захисту потрібні додаткові клеми з реле-регуляторами.

Хоча гелева технологія забезпечує видатні показники ємності та пускового струму, дозволити собі такі дорогі АКБ можуть лише власники преміальних автомобілів або транспорту, який часто експлуатується в умовах сильної тряски (мотоцикли, катери, літаки). Зазвичай там гелеві батареї встановлюються штатно, і використання слабших кальцієвих моделей неможливе.

AGM

AGM акумулятори являють собою вдосконалену версію гелевих батарей, створену спеціально для автомобілів з функцією “Старт-Стоп”. Відмінність полягає в тому, що між свинцевими електродами розташовується особливий пористий скловолокнистий мат, що забезпечує додатковий захист від осипання. Звідси і назва Absorbent Glass Mat – “абсорбуючий скломатеріал”.

Порівняно зі звичайними свинцево-кислотними АКБ, у AGM є лише один недолік – вища ціна, яку можна порівняти з гелевими моделями. Вони значно дорожчі за кальцієві та гібридні батареї. При цьому обслуговування не потрібне.

Порівняно з гелевими аналогами, AGM акумулятори трохи дешевші, менш залежні від напруги заряду, менш чутливі до коротких замикань і краще переносять холод. Однак вони програють за переносимістю циклів заряду-розряду, гірше справляються з глибокими розрядами і швидше розряджаються при зберіганні поза мережею.

AGM батареї штатно встановлюються на автомобілі преміум-класу з високими вимогами до рівня електровіддачі. При цьому власникам таких машин не рекомендується встановлювати інші типи акумуляторів. Якщо під капотом спочатку стояла AGM батарея, міняти її на кальцієву або гелеву не слід. З іншого боку, вражаючий термін служби AGM в 10-15 років частково компенсує цей недолік.

Таким чином, AGM акумулятори являють собою технологічне і надійне рішення для сучасних автомобілів з розширеним функціоналом. Вони поєднують переваги гелевих батарей з поліпшеними експлуатаційними характеристиками, але при цьому залишаються досить дорогими.

EFB

Технологія EFB (Enhanced Flooded Battery або “Посилена батарея з рідким електролітом”) посідає проміжне становище між звичайними свинцево-кислотними АКБ і просунутішими AGM акумуляторами. На відміну від AGM, де скловолоконні мати просякнуті гелем, в EFB електроліт залишається в рідкому стані. Однак він разом з потовщеними пластинами укладений в конверт з мікроволокна, який оберігає їхню поверхню від утворення сульфатів і осипання активної маси, запобігаючи коротким замиканням. Порівняно з AGM, батареї типу EFB заряджаються набагато швидше. Але їх об’єднує те, що обидві технології розроблялися спеціально для енергоємних автомобільних систем “Старт-Стоп”.

EFB акумулятори добре проявили себе в міській їзді з частими зупинками на світлофорах і в заторах. Звичайні кальцієві АКБ насилу витримують таку величезну кількість стартів і зупинок за короткий період, тоді як EFB справляються з цим значно краще. Ємність і швидкість заряду у таких моделей також вищі, ніж у аналогів класичної конструкції. Вони непогано протистоять глибоким розрядам, практично не втрачаючи властивостей. Завдяки високій енергоємності та потужним пусковим струмам, EFB акумулятори стабільно працюють як у мороз, так і в спеку, не піддаючись корозії. Їх не потрібно обслуговувати в процесі експлуатації, і вони легко витримують кілька циклів заряду-розряду без погіршення характеристик.

Однак, порівняно з AGM, у EFB є кілька слабких місць – вони трохи поступаються за потужністю і не підтримують рекуперацію енергії при гальмуванні.

Таким чином, EFB акумулятори є відмінним вибором для міських умов експлуатації з частими поїздками на короткі відстані. Вони поєднують переваги класичних АКБ з поліпшеними експлуатаційними характеристиками, необхідними для сучасних автомобілів.

Лужні

Якщо замість сірчаної кислоти як електроліт використовується розчин лугу, то такі акумулятори належать до лужних. За хімічним складом і кількістю пластин вони поділяються на два види: нікель-кадмієві та нікель-залізні. Обидва мають найтонші гофровані електроди, поміщені в герметичні конверти для захисту від трясіння і вібрацій.

Порівняно зі свинцево-кислотними АКБ, автомобільні лужні акумулятори мають порівняно високу енергоємність, що вкрай важливо для тягового і стартерного режимів роботи. Вони добре переносять глибокі розряди і повільно саморозряджаються, що дає змогу тривале зберігання в повністю розрядженому стані. Лужні батареї більш екологічні, виділяючи менше шкідливих речовин під час роботи або протікання. Порівняно з гелевими, вони мають підвищену стійкість до перезарядів і краще справляються з морозами.

Однак у лужних АКБ є і слабкі сторони. Їхній рівень напруги нижчий, ніж у свинцево-кислотних аналогів, через що вони мають більші габарити порівняно з кальцієвими батареями. Але найбільшою проблемою є так званий “ефект пам’яті”, коли під час сильного розряду акумулятор “запам’ятовує” межу розряду і наступного разу буде віддавати енергію тільки до цього порога. Їхня ціна також значно вища, ніж у свинцево-кислотних АКБ. Однак зустріти такі батареї на автомобільному ринку складно, оскільки вони в основному застосовуються у вантажівках, навантажувачах, електрокарах та іншій спецтехніці.

Таким чином, лужні акумулятори є екологічною і потужною альтернативою для певних видів транспорту, але мають низку специфічних недоліків, що обмежують їх широке застосування в легкових автомобілях. Їх використання виправдане в тих випадках, коли потрібна максимальна енергоємність за екстремальних режимів розряду і роботи.

Висновок

При виборі акумулятора для вашого автомобіля, дотримуйтеся своїх потреб. Не прагніть до надмірної потужності. Зазвичай для запуску двигуна, особливо в холодну погоду, потрібно близько 350-400 Ампер, отже, стандартний пусковий струм у 500 Ампер забезпечить запуск із запасом. Більшість кальцієвих і гібридних акумуляторів з ємністю 60 Ампер-годин розраховані на такі навантаження. Придбання гелевих акумуляторів з пусковим струмом у 1000 Ампер для більшості водіїв з автомобілями середнього цінового сегмента лише призведе до непотрібних витрат.