Автомобильный аккумулятор , или автомобильный аккумулятор , представляет собой перезаряжаемую батарею , которая используется для запуска автомобиля . Его основная цель — подать электрический ток на электрический стартер, который, в свою очередь, запускает двигатель внутреннего сгорания с химическим приводом, который фактически приводит в движение автомобиль. Когда двигатель работает, питание для электрических систем автомобиля по-прежнему подается от аккумулятора, при этом генератор заряжает аккумулятор по мере увеличения или уменьшения потребности.
Обычно при запуске используется менее трех процентов емкости аккумулятора. По этой причине автомобильные аккумуляторы рассчитаны на выдачу максимального тока в течение короткого периода времени. По этой причине их иногда называют «батареями SLI» для запуска, освещения и зажигания. Аккумуляторы SLI не предназначены для глубокой разрядки, а полная разрядка может сократить срок службы аккумулятора. [1]
Помимо запуска двигателя, аккумулятор SLI обеспечивает дополнительную мощность, необходимую, когда электрические потребности автомобиля превышают мощность системы зарядки. Это также стабилизатор, выравнивающий потенциально опасные скачки напряжения . [2] Во время работы двигателя большая часть мощности обеспечивается генератором переменного тока, который включает в себя регулятор напряжения , поддерживающий выходное напряжение в диапазоне от 13,5 до 14,5 В. [3] Современные аккумуляторы SLI представляют собой свинцово-кислотные аккумуляторы , в которых используются шесть последовательно соединенных аккумуляторов. например, для обеспечения номинальной 12-вольтовой системы (в большинстве легковых автомобилей и легких грузовиков) или двенадцати ячеек для 24-вольтовой системы в тяжелых грузовиках или землеройном оборудовании. [4]
Взрыв газа может произойти на отрицательном электроде, где может накапливаться газообразный водород из-за заблокированных вентиляционных отверстий аккумулятора или плохой вентиляции в сочетании с источником возгорания. [5] Взрывы во время запуска двигателя обычно связаны с корродированными или грязными штырями аккумуляторной батареи. [5] Исследование, проведенное в 1993 году Национальной администрацией безопасности дорожного движения США , показало, что 31% травм от взрыва автомобильного аккумулятора произошел во время зарядки аккумулятора. [6] Следующими наиболее распространенными сценариями были работа с кабельными соединениями и запуск от внешнего источника, как правило, из-за невозможности подключения к разряженной батарее перед источником зарядки и невозможности подключения к шасси автомобиля, а не непосредственно к заземленному полюсу аккумулятора. и при проверке уровня жидкости. [5] [6] Около двух третей раненых получили химические ожоги, а почти три четверти получили травмы глаз, среди других возможных травм. [6]
Электромобили (EV) питаются от высоковольтной аккумуляторной батареи электромобиля , но обычно они также имеют автомобильную аккумуляторную батарею, поэтому в них можно использовать стандартные автомобильные аксессуары, рассчитанные на работу от напряжения 12 В. Их часто называют вспомогательными . батареи.
В отличие от обычных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания , электромобили не заряжают вспомогательную батарею с помощью генератора — вместо этого они используют преобразователь постоянного тока в постоянный для понижения высокого напряжения до необходимого напряжения плавающего заряда (обычно около 14 В). . [7]
Кроме того, электромобиль не имеет стартера, поэтому ему требуется лишь ограниченное количество мощности и энергии от вспомогательной батареи. Таким образом, в 2021 году Tesla представила литий-ионную вспомогательную батарею, сохраняющую всего 99 Втч энергии. [8]
Ранние автомобили не имели аккумуляторов, поскольку их электрические системы были ограничены. Электрическая мощность для зажигания обеспечивалась магнето , двигатель запускался рукояткой , фары были бензиновыми , а вместо электрического звукового сигнала использовался звонок или лампочка-гудок. Автомобильные аккумуляторы стали широко использоваться примерно в 1920 году, когда автомобили стали оснащаться электростартерами . [9]
Первые системы запуска и зарядки были разработаны как системы с напряжением 6 В и положительным заземлением , при этом шасси автомобиля было напрямую подключено к положительной клемме аккумулятора. [10] Сегодня почти все дорожные транспортные средства имеют систему отрицательного заземления. [11] Отрицательная клемма аккумулятора подключена к шасси автомобиля .
Компания Hudson Motor Car была первой, кто использовал стандартизированную батарею в 1918 году, когда они начали использовать батареи Battery Council International . BCI — это организация, устанавливающая стандарты размеров аккумуляторов. [12]
До середины 1950-х годов в автомобилях использовались электрические системы и аккумуляторы напряжением 6 В. Переход с 6 на 12 В произошел, когда более крупным двигателям с более высокой степенью сжатия требовалось больше электроэнергии для запуска. [13] Автомобили меньшего размера, которым требовалось меньше энергии для запуска, работали на 6 В дольше, например, Volkswagen Beetle в середине 1960-х годов и Citroën 2CV в 1970 году. Герметичный аккумулятор, не требующий дозаправки, был изобретен в 1971 году. [9]
В 1990-х годах был предложен стандарт электрической системы на 42 В. Он был предназначен для создания более мощных аксессуаров с электроприводом и более легких автомобильных жгутов проводов. Доступность двигателей с более высоким КПД, новых технологий проводки и цифрового управления, а также акцент на гибридных транспортных системах, в которых используются высоковольтные стартеры/генераторы, в значительной степени устранили необходимость переключения основных автомобильных напряжений. [14]
В 2023 году Tesla начала поставки своего Cybertruck , в котором используется электрическая система на 48 В , что позволяет сократить количество проводов в автомобиле на 70%. [15]
Автомобильный аккумулятор является примером аккумулятора с мокрыми элементами , состоящего из шести ячеек. Каждая ячейка свинцовой аккумуляторной батареи состоит из чередующихся пластин, изготовленных из сетки из свинцового сплава, заполненной пластинами губчатого свинца ( катод ) [16] или покрытых диоксидом свинца ( анод ). [16] Каждая ячейка заполнена раствором серной кислоты , которая является электролитом. Первоначально каждая ячейка имела крышку заливной горловины, через которую можно было видеть уровень электролита и которая позволяла добавлять воду в ячейку. Крышка заливной горловины имела небольшое вентиляционное отверстие, которое позволяло газообразному водороду, образующемуся во время зарядки, выходить из аккумулятора.
Ячейки соединяются короткими тяжелыми перемычками от положительных пластин одной ячейки к отрицательным пластинам соседней ячейки. Пара тяжелых клемм, покрытых свинцом для защиты от коррозии, крепится вверху, а иногда и сбоку, на аккумуляторе. В первых автомобильных аккумуляторах использовались корпуса из твердой резины и деревянные пластинчатые сепараторы. В современных устройствах используются пластиковые корпуса и тканые листы, чтобы предотвратить соприкосновение пластин ячейки и короткое замыкание.
Раньше автомобильные аккумуляторы требовали регулярного осмотра и обслуживания для замены воды, разложившейся во время работы аккумулятора. В батареях, не требующих особого обслуживания (иногда называемых «нулевым обслуживанием»), для пластинчатых элементов используется другой сплав, что уменьшает количество воды, разлагающейся при зарядке. Современной батарее может не потребоваться дополнительная вода в течение всего срока ее службы; в некоторых типах отсутствуют отдельные крышки заливной горловины для каждой ячейки. Слабым местом этих аккумуляторов является то, что они очень нетерпимы к глубокому разряду, например, когда автомобильный аккумулятор полностью разряжается, если оставить включенным свет. Это покрывает электроды из свинцовой пластины отложениями сульфата свинца и может сократить срок службы батареи на треть или более.
Батареи VRLA , также известные как батареи с абсорбированным стекломатом (AGM), более устойчивы к глубокому разряду, но стоят дороже. [17] Батареи VRLA не допускают добавления воды в элемент. Каждый элемент оснащен автоматическим клапаном сброса давления для защиты корпуса от разрыва при серьезной перезарядке или внутреннем отказе. Аккумулятор VRLA не может пролить электролит, что делает его особенно полезным в таких транспортных средствах, как мотоциклы.
Батареи обычно состоят из шести гальванических элементов, соединенных последовательно . Каждая ячейка обеспечивает напряжение 2,1 В, что в сумме составляет 12,6 В при полной зарядке. [18] Во время разряда на отрицательной (свинцовой) клемме происходит химическая реакция, высвобождающая электроны во внешнюю цепь, а на положительной (оксид свинца) клемме другая химическая реакция поглощает электроны из внешней цепи. Это заставляет электроны проходить через провод внешней цепи (электрический проводник ), создавая электрический ток ( электричество ). Когда аккумулятор разряжается , кислота электролита вступает в реакцию с материалами пластин, превращая их поверхность в сульфат свинца . Когда аккумулятор перезаряжается , химическая реакция меняется на обратную: сульфат свинца превращается в диоксид свинца. Когда пластины будут восстановлены в исходное состояние, процесс можно повторить.
В некоторых автомобилях используются другие стартерные батареи. Для снижения веса Porsche 911 GT3 RS 2010 года в качестве опции предлагается литий-ионная батарея ; [19] Начиная с 2018 года, все обычные гибриды Kia Niro также оснащены такой системой. [20] Тяжелые транспортные средства могут иметь две батареи, соединенные последовательно для системы 24 В, или могут иметь последовательно-параллельные группы батарей, питающие 24 В. [21]
Батареи сгруппированы по физическому размеру, типу и расположению клемм, а также способу монтажа. [17]
Ампер-часы (Ач или А·ч) — это единица измерения емкости аккумулятора. Этот рейтинг требуется по закону в Европе.
Номинальный ток в ампер-часах обычно определяется как произведение тока, который батарея может обеспечить в течение 20 часов с постоянной скоростью, при температуре 80 градусов F (26,6 °C), пока напряжение падает до порогового значения 10,5 вольт) на 20 часов. Теоретически, при температуре 80 градусов по Фаренгейту батарея емкостью 100 Ач должна быть способна непрерывно выдавать ток 5 А в течение 20 часов, сохраняя при этом напряжение не менее 10,5 В. Важно понимать, что зависимость между емкостью Ач и скоростью разряда не является линейной; при увеличении скорости разряда емкость уменьшается. Аккумулятор емкостью 100 Ач, как правило, не сможет поддерживать напряжение выше 10,5 В в течение 10 часов при постоянной разрядке 10 А. Емкость также уменьшается с температурой.
Размер группы Международного совета по батареям (BCI) определяет физические размеры батареи, такие как длина, ширина и высота. Эти группы определяются организацией. [25] [26]
Избыточное тепло является основной причиной отказов аккумуляторной батареи, например, когда электролит испаряется из-за высоких температур, что уменьшает эффективную площадь поверхности пластин, подвергающихся воздействию электролита, и приводит к сульфатации. Скорость коррозии сетки увеличивается с повышением температуры. [27] [28] Также низкие температуры могут привести к выходу из строя аккумулятора. [29]
Если аккумулятор разряжен до такой степени, что двигатель невозможно запустить, двигатель можно запустить от внешнего источника питания. После запуска двигатель может подзарядить аккумулятор, если генератор и система зарядки не повреждены. [30]
Коррозия на клеммах аккумулятора может помешать запуску автомобиля из-за электрического сопротивления , которое можно предотвратить путем надлежащего применения диэлектрической смазки . [31] [32]
Сульфатация – это когда электроды покрываются твердым слоем сульфата свинца, что ослабляет батарею. Сульфатация может произойти, когда аккумулятор не полностью заряжен и остается разряженным. [33] Сульфатированные аккумуляторы следует заряжать медленно, чтобы предотвратить повреждение. [34]
Аккумуляторы SLI (пусковые, осветительные и зажигательные) не рассчитаны на глубокий разряд, и срок их службы при этом снижается. [35]
Стартовые батареи имеют пластины, рассчитанные на увеличенную площадь поверхности и, следовательно, на большую мгновенную токовую способность, тогда как морские (гибридные) и аккумуляторы глубокого цикла будут иметь более толстые пластины и больше места в нижней части пластин для сбора отработанного материала пластин перед замыканием элемента.
Автомобильные аккумуляторы со свинцово-сурьмяными пластинами требуют регулярной дозаправки чистой водой для возмещения потерь воды в результате электролиза и испарения. Заменив легирующий элемент на кальций, в более поздних разработках удалось снизить скорость потери воды. Современные автомобильные аккумуляторы требуют меньшего обслуживания и могут не иметь крышек для добавления воды в элементы. Такие батареи содержат дополнительный электролит над пластинами, чтобы компенсировать потери в течение срока службы батареи.
Некоторые производители аккумуляторов включают в себя встроенный ареометр , показывающий уровень заряда аккумулятора.
Основным механизмом износа является выпадение активного материала с пластин батареи, который скапливается на дне элементов и может в конечном итоге привести к короткому замыканию пластин. Это можно существенно уменьшить, поместив один комплект пластин в пластиковые сепараторные пакеты, изготовленные из проницаемого материала. Это позволяет электролиту и ионам проходить сквозь пластины, но не позволяет осадку закупоривать пластины. Шлам в основном состоит из сульфата свинца, который образуется на обоих электродах.
Переработка автомобильных аккумуляторов снижает потребность в ресурсах, необходимых для производства новых аккумуляторов, отвлекает токсичный свинец от свалок и предотвращает риск неправильной утилизации. Как только свинцово-кислотная батарея перестает удерживать заряд, она считается использованной свинцово-кислотной батареей (ULAB), которая классифицируется как опасные отходы в соответствии с Базельской конвенцией . По данным Агентства по охране окружающей среды США , 12-вольтовый автомобильный аккумулятор является наиболее перерабатываемым продуктом в мире . Только в США ежегодно заменяется около 100 миллионов автомобильных аккумуляторов, и 99 процентов из них сдаются на переработку. [36] Однако в нерегулируемых условиях переработка может производиться неправильно. В рамках глобальной торговли отходами ULAB отправляются из промышленно развитых стран в развивающиеся страны для разборки и рекуперации содержимого. Около 97 процентов свинца можно восстановить. По оценкам Pure Earth , более 12 миллионов человек в развивающихся странах страдают от загрязнения свинцом в результате переработки ULAB. [37]
(Полный текст через
Project Gutenberg
.)