Автомобильный аккумулятор , или аккумуляторная батарея автомобиля , представляет собой перезаряжаемую батарею , которая используется для запуска двигателя транспортного средства .
Его главная цель — подавать электрический ток на электростартер , который в свою очередь запускает двигатель внутреннего сгорания с химическим приводом , который фактически приводит в движение транспортное средство. После того, как двигатель работает, питание для электрических систем автомобиля по-прежнему подается от аккумулятора, а генератор заряжает аккумулятор по мере увеличения или уменьшения потребности.
Обычно запуск использует менее трех процентов емкости аккумулятора. По этой причине автомобильные аккумуляторы разработаны для обеспечения максимального тока в течение короткого периода времени. Иногда их называют «SLI-аккумуляторами» по этой причине, для запуска, освещения и зажигания. SLI-аккумуляторы не предназначены для глубокой разрядки, а полная разрядка может сократить срок службы аккумулятора. [1] [2]
Помимо запуска двигателя, аккумулятор SLI обеспечивает дополнительную мощность, необходимую, когда электрические потребности автомобиля превышают подачу от системы зарядки. Он также является стабилизатором, выравнивающим потенциально опасные скачки напряжения . [3] Во время работы двигателя большая часть мощности обеспечивается генератором переменного тока, который включает в себя регулятор напряжения для поддержания выходного напряжения между 13,5 и 14,5 В. [4] Современные аккумуляторы SLI являются свинцово-кислотными , использующими шесть последовательно соединенных ячеек для обеспечения номинальной 12-вольтовой системы (в большинстве легковых автомобилей и легких грузовиков), или двенадцать ячеек для 24-вольтовой системы в тяжелых грузовиках или землеройной технике, например. [5]
Взрывы газа могут происходить на отрицательном электроде, где может скапливаться водородный газ из-за заблокированных вентиляционных отверстий аккумулятора или плохой вентиляции в сочетании с источником возгорания. [6] Взрывы во время запуска двигателя обычно связаны с корродированными или грязными клеммами аккумулятора. [6] Исследование, проведенное в 1993 году Национальным управлением безопасности дорожного движения США, показало, что 31% травм от взрыва аккумулятора транспортного средства произошли во время зарядки аккумулятора. [7] Следующими по распространенности сценариями были работа с кабельными соединениями, запуск двигателя от внешнего источника, как правило, из-за отсутствия подключения к разряженному аккумулятору перед источником зарядки и отсутствия подключения к шасси транспортного средства, а не непосредственно к заземленному клемме аккумулятора, а также проверка уровня жидкости. [6] [7] Почти две трети пострадавших получили химические ожоги, а почти три четверти получили травмы глаз, среди других возможных травм. [7]
Электромобили (ЭМ) питаются от высоковольтной аккумуляторной батареи , но обычно они также имеют автомобильную батарею, поэтому они могут использовать стандартные автомобильные аксессуары, рассчитанные на работу от напряжения 12 В. Их часто называют вспомогательными батареями.
В отличие от обычных транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания , электромобили не заряжают вспомогательную батарею с помощью генератора — вместо этого они используют преобразователь постоянного тока в постоянный, чтобы понизить высокое напряжение до требуемого напряжения плавающего заряда (обычно около 14 В). [8]
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, хранящую всего 99 Вт·ч энергии. [9]
Ранние автомобили не имели батарей, так как их электрические системы были ограничены. Электроэнергия для зажигания обеспечивалась магнето , двигатель запускался с помощью рукоятки , фары работали на газе , а вместо электрического гудка использовался звонок или лампочка-гудок. Автомобильные аккумуляторы стали широко использоваться около 1920 года, когда автомобили стали оснащаться электрическими стартерами . [10]
Первые системы запуска и зарядки были разработаны как 6-вольтовые и системы с положительным заземлением , при этом шасси транспортного средства напрямую подключалось к положительной клемме аккумулятора. [11] Сегодня почти все дорожные транспортные средства имеют систему с отрицательным заземлением. [12] Отрицательная клемма аккумулятора подключается к шасси автомобиля .
Компания Hudson Motor Car Company первой начала использовать стандартизированную батарею в 1918 году, когда они начали использовать батареи Battery Council International . BCI — это организация, которая устанавливает стандарты размеров для батарей. [13]
Автомобили использовали электрические системы и батареи на 6 В до середины 1950-х годов. Переход с 6 на 12 В произошел, когда более крупные двигатели с более высокой степенью сжатия стали требовать больше электроэнергии для запуска. [14] Меньшие автомобили, которым требовалось меньше электроэнергии для запуска, дольше оставались с напряжением 6 В, например, Volkswagen Beetle в середине 1960-х годов и Citroën 2CV в 1970 году. Герметичная батарея, не требующая повторной заправки, была изобретена в 1971 году. [10]
В 1990-х годах был предложен стандарт электрической системы 42 В. Он был предназначен для того, чтобы обеспечить более мощные электрические приводы и более легкие автомобильные жгуты проводов. Наличие более эффективных двигателей, новых методов электропроводки и цифрового управления, а также акцент на гибридных системах транспортных средств, использующих высоковольтные стартеры/генераторы, в значительной степени устранили необходимость переключения основных автомобильных напряжений. [15]
В 2023 году Tesla начала поставки своего Cybertruck , который использует 48-вольтовую электрическую систему , что позволило сократить количество проводов в автомобиле на 70%. [16]
Автомобильный аккумулятор является примером аккумулятора с жидкими элементами , с шестью ячейками. Каждая ячейка свинцовой аккумуляторной батареи состоит из чередующихся пластин, изготовленных из сетки свинцового сплава, заполненной губчатыми свинцовыми пластинами ( катод ) [17] или покрытой диоксидом свинца ( анод ). [17] Каждая ячейка заполнена раствором серной кислоты , который является электролитом. Первоначально у каждой ячейки была крышка 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 водороду , образующемуся во время зарядки, выходить из ячейки.
Элементы соединены короткими тяжелыми перемычками от положительных пластин одного элемента к отрицательным пластинам соседнего элемента. Пара тяжелых клемм, покрытых свинцом для защиты от коррозии, установлена в верхней части, иногда сбоку, батареи. Ранние автомобильные батареи использовали жесткие резиновые корпуса и деревянные разделители пластин. Современные устройства используют пластиковые корпуса и тканые листы, чтобы предотвратить соприкосновение пластин элемента и короткое замыкание.
Раньше автомобильные аккумуляторы требовали регулярной проверки и обслуживания для замены воды, которая разлагалась во время работы аккумулятора. «Малообслуживаемые» (иногда называемые «необслуживаемыми») аккумуляторы используют другой сплав для пластинчатых элементов, что снижает количество воды, разлагающейся при зарядке. Современному аккумулятору может не требоваться дополнительная вода в течение его срока службы; некоторые типы исключают отдельные крышки заливных горловин для каждой ячейки. Слабость этих аккумуляторов заключается в том, что они очень нетерпимы к глубокому разряду, например, когда автомобильный аккумулятор полностью разряжается, оставляя включенными фары. Это покрывает свинцовые пластинчатые электроды отложениями сульфата свинца и может сократить срок службы аккумулятора на треть или более.
Аккумуляторы VRLA , также известные как аккумуляторы с абсорбированным стекломатом (AGM), более терпимы к глубокому разряду, но и более дороги. [18] Аккумуляторы VRLA не допускают добавления воды в ячейку. Каждая ячейка имеет автоматический клапан сброса давления, чтобы защитить корпус от разрыва при сильном перезаряде или внутреннем отказе. Аккумулятор VRLA не может пролить свой электролит, что делает его особенно полезным в таких транспортных средствах, как мотоциклы.
Батареи обычно изготавливаются из шести гальванических элементов в последовательных цепях . Каждый элемент обеспечивает 2,1 вольта, что в сумме составляет 12,6 вольта при полной зарядке. [19] Во время разрядки на отрицательном (свинцовом) выводе химическая реакция высвобождает электроны во внешнюю цепь, а на положительном (оксид свинца) выводе другая химическая реакция поглощает электроны из внешней цепи. Это перемещает электроны через провод внешней цепи (электрический проводник ), чтобы произвести электрический ток ( электричество ). По мере разрядки батареи кислота электролита реагирует с материалами пластин, изменяя их поверхность на сульфат свинца . Когда батарея перезаряжается , химическая реакция обратная: сульфат свинца преобразуется в диоксид свинца. После восстановления пластин до их первоначального состояния процесс можно повторить.
Некоторые транспортные средства используют другие стартерные батареи. Для экономии веса Porsche 911 GT3 RS 2010 года выпуска имеет литий-ионную батарею в качестве опции; [20] с 2018 года все обычные гибриды Kia Niro также оснащены одной батареей. [21] Тяжелые транспортные средства могут иметь две батареи последовательно для системы 24 В или могут иметь последовательно-параллельные группы батарей, обеспечивающих 24 В. [22]
Аккумуляторы группируются по физическому размеру, типу и расположению клемм, а также по стилю монтажа. [18]
Ампер-часы (Ач или А·ч) — это единица измерения, связанная с энергоемкостью аккумулятора. Эта оценка требуется законом в Европе.
Номинал в ампер-часах обычно определяется как произведение (тока, который батарея может обеспечивать в течение 20 часов с постоянной скоростью при 80 градусах по Фаренгейту (26,6 °C), пока напряжение падает до 10,5 вольт) на 20 часов. Теоретически, при 80 градусах по Фаренгейту батарея емкостью 100 Ач должна быть способна непрерывно обеспечивать 5 ампер в течение 20 часов, поддерживая напряжение не менее 10,5 вольт. Зависимость между емкостью Ач и скоростью разряда не линейна; по мере увеличения скорости разряда емкость уменьшается. Батарея с номиналом 100 Ач, как правило, не сможет поддерживать напряжение выше 10,5 вольт в течение 10 часов при разряде с постоянной скоростью 10 ампер. Емкость также уменьшается с температурой.
Группа Battery Council International (BCI) определяет физические размеры батареи, такие как длина, ширина и высота. Эти группы определяются организацией. [26] [27]
Избыточное тепло является основной причиной выхода из строя аккумулятора, так как электролит испаряется из-за высоких температур, уменьшая эффективную площадь поверхности пластин, подвергающихся воздействию электролита, и приводя к сульфатации. Скорость коррозии сетки увеличивается с температурой. [28] [29] Низкие температуры также могут привести к выходу из строя аккумулятора. [30]
Если аккумулятор разряжен до такой степени, что он не может запустить двигатель, двигатель можно запустить с помощью внешнего источника питания. После запуска двигатель может подзарядить аккумулятор, если генератор и система зарядки не повреждены. [31]
Коррозия на клеммах аккумулятора может помешать запуску автомобиля из-за электрического сопротивления , которое можно предотвратить путем правильного нанесения диэлектрической смазки . [32] [33]
Сульфатация — это когда электроды покрываются твердым слоем сульфата свинца, что ослабляет аккумулятор. Сульфатация может произойти, когда аккумулятор не полностью заряжен и остается разряженным. [34] Сульфатированные аккумуляторы следует заряжать медленно, чтобы предотвратить повреждение. [35]
Аккумуляторные батареи SLI (пусковые, осветительные и для зажигания) не предназначены для глубокого разряда, и их срок службы сокращается в этом случае. [36]
Стартерные аккумуляторные батареи имеют пластины, рассчитанные на большую площадь поверхности и, следовательно, высокую мгновенную токопроводящую способность, в то время как морские (гибридные) и глубокоцикловые типы будут иметь более толстые пластины и больше места в нижней части пластин для сбора отработанного материала пластин перед замыканием элемента.
Автомобильные аккумуляторы с пластинами из свинца и сурьмы требуют регулярного долива чистой воды для восполнения воды, потерянной из-за электролиза и испарения. Заменив легирующий элемент на кальций, более поздние разработки снизили скорость потери воды. Современные автомобильные аккумуляторы имеют сниженные требования к обслуживанию и могут не иметь крышек для добавления воды в ячейки. Такие аккумуляторы включают дополнительный электролит над пластинами, чтобы компенсировать потери в течение срока службы аккумулятора.
Некоторые производители аккумуляторов оснащают свои изделия встроенным ареометром, показывающим уровень заряда аккумулятора.
Основным механизмом износа является сброс активного материала с пластин аккумулятора, который скапливается на дне ячеек и может в конечном итоге вызвать короткое замыкание пластин. Это можно существенно уменьшить, заключив один набор пластин в пластиковые сепараторные пакеты, изготовленные из проницаемого материала. Это позволяет электролиту и ионам проходить через них, но не дает шламу образовываться на пластинах. Шлам в основном состоит из сульфата свинца, который образуется на обоих электродах.
Переработка автомобильных аккумуляторов снижает потребность в ресурсах, необходимых для производства новых аккумуляторов, отводит токсичный свинец от свалок и предотвращает риск неправильной утилизации. Как только свинцово-кислотный аккумулятор перестает удерживать заряд, он считается использованным свинцово-кислотным аккумулятором (ULAB), который 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 заменяют около 100 миллионов автомобильных аккумуляторов, и 99 процентов из них сдаются на переработку. [37] Однако переработка может быть выполнена неправильно в нерегулируемых условиях. 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. [38]
(Полный текст через
Project Gutenberg
.)