Аккумуляторы: предназначение, разновидности, особенности и подвиды автомобильных АКБ
Что такое аккумулятор? Принцип работы и особенности
Аккумуляторы относят к вторичным источникам тока, которые выдают накопленное электричество. Даже само название «аккумулятор» происходит от латинского «accumulare», что в переводе означает «накапливать». Благодаря этому свойству аккумуляторы широко используются в роли источника питания для транспортных средств, источников бесперебойного питания (ИБП), портативных бытовых приборах, портативных контрольно-измерительных приборов, фонариков, игрушек. Кроме того, ими оснащают ветро- и солнечные электростанции.
Работа аккумуляторов основывается на химических реакциях между электродом (катодом и анодом) и электролитом, изготовленных из разных материалов, способных накапливать и отдавать электроэнергию. Основными химическими процессами аккумуляторов являются реакция окисления и реакция восстановления. Причём эти процессы являются обратимыми. Поэтому аккумуляторы рассчитаны для многоразового применения при соблюдении цикла заряда-разряда.
Естественно, у аккумуляторов имеются недостатки. Например, саморазряд, эффект памяти и ухудшение работы на холоде.
Саморазряд является потерей накопленного заряда при отсутствии нагрузки. То есть, даже если Вы не пользуетесь аккумулятором, заряд уменьшается. Это явление проявляется по-разному у аккумуляторов разных типов, однако наибольшее разряжение происходит в первые часы после зарядки, после чего процесс разрядки приостанавливается. Например, герметичный свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор за год простоя при температуре 5°C потеряет до 15% заряда. При повышении температуры до 20°C потери заряда составят до 40%. А поскольку это неизбежный процесс, рекомендуется периодически заряжать аккумуляторы даже если они не используются.
Эффект памяти — это обратимая потеря ёмкости, которая присуща аккумуляторам из никеля. Особенно, у никель-кадмиевых.
Холод также усложняет эксплуатацию аккумуляторов, поскольку у свинцово-кислотных батарей электролит на 75% состоит из воды, которая при снижении температуры расширяется. На небольшом морозе может теряться до 20% заряда.
Под термином «аккумулятор» различают батарейки, аккумуляторы и аккумуляторные батареи. Разница между батареей и аккумулятором состоит в том, что батарейка является одноразовым элементом питания, а аккумуляторы заряжаемые. Хотя внешне многие батарейки и аккумуляторы не отличаются друг от друга. Между аккумуляторами и аккумуляторными батареями различие в размерах и характеристиках, сферах эксплуатации, контактах, способе зарядки. Так, аккумуляторы применяются в бытовых портативных устройствах, тогда как аккумуляторные батареи используются на транспорте. А ещё аккумуляторы к приборам бывают съёмными и несъёмными, тогда как автомобильные аккумуляторы съёмные (за исключением тяговых аккумуляторов в электромобилях).
Автомобильные аккумуляторные батареи (АКБ)
Особенности автомобильных АКБ — большая ёмкость. Такие батареи используются для запуска двигателя (после чего электричество вырабатывается автомобильным генератором) и питания бортовой электрической сети при неработающем моторе (например, для системы мультимедиа или сигнализации).
Ещё одна особенность в конструкции: автомобильная аккумуляторная батарея состоит из нескольких ячеек, каждая из которых является небольшой самостоятельной батареей на 2В. А последовательное соединение 6-ти ячеек даёт 12В.
Основными составляющими АКБ являются электроды и электролит, помещённые в пластиковый корпус, а также плюсовая и минусовая клеммы. У аккумуляторов электроды (катоды и аноды в виде пластин) помещены в ёмкость, заполненную электролитом. При этом сам электролит может быть жидким, гелеобразным или абсорбированным. Благодаря электролиту осуществляется перенос позитивно заряженных ионов между катодом и анодом.
В качестве электролита у литиевых АКБ используется раствор литиевой соли (например, гексафторфосфат лития). У свинцово-кислотных это раствор серной кислоты. Иногда в процессе эксплуатации некоторых разновидностей АКБ может понадобиться долив дистилированной воды в раствор (если уровень раствора недостаточный). Однако в исключительных случаях может возникнуть необходимость пополнения электролита (например, при переворачивании батареи или при уменьшении плотности из-за низкой концентрации серной кислоты).
Электродами у свинцово-кислотных АКБ выступают свинцовые пластины, покрытые окисью свинца и кислотой. Позитивные и негативные пластины чередуются поочерёдно.
Разновидности автомобильных АКБ
Автомобильные аккумуляторные батареи представлены большим разнообразием материалов и также могут классифицироваться по обслуживаемости, расположению полярности и типу корпуса.
Прежде всего, аккумуляторы различаются материалами электродов и электролита. Поэтому выделяют две основные группы — свинцово-кислотные и литиевые, которые, в свою очередь, делятся на несколько подвидов. Также существуют никелевые, однако они применяются в роли силовых батарей в электромобилях.
Свинцово-кислотные (Lead–Acid) АКБ являются наиболее распространённым типом аккумуляторов для автомобилей и других транспортных средств. Он состоит из электродов из свинцовых пластин с добавлением других веществ, имеющих сетчатую структуру, и из электролита, в роли которого выступает раствор серной кислоты. Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов следующий: при подключении к потребителю окисляется свинец на катоде и восстанавливается диоксид анода с выделением воды, а при перезарядке в результате электролиза происходит обратный процесс с выделением кислорода и водорода.
Поскольку в свинцовые электроды добавляют разные вещества (сурьму, кальций), электролит может иметь разные состояния, а конструкция представлена несколькими вариантами (обслуживаемыми, малообслуживаемыми и необслуживаемыми) — такой перечень составляющих обуславливает существование разных подвидов свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторов. Причём, они могут иметь несколько названий — общие и узкоспециализированные, а сами разновидности могут указываться по-разному, из-за чего часто возникает путаница в обозначениях. Поэтому всё зависит от критерия классификации.
Если отталкиваться от состояния электролита, то различают жидкие (WET), абсорбированные (AGM), гелевые (GEL) и желеобразные (Dryfit). Если же за критерий взять конструкцию, то выделяют заливные и герметизированные с регулируемыми клапанами (обозначаются VLRA или SLA). И это лишь наиболее распространённые разновидности.
WET (Wet cell battery, flooded battery) — жидкая или залитая АКБ. Это «классическая» разновидность свинцово-кислотных аккумуляторов. Характеризуется использованием жидкого электролита, состоящего из серной кислоты и дистилированной воды. Из-за этого их название дословно переводят, как «батарея с влажным (мокрым) элементом».
Стоит отметить, что это общее название всех батарей с жидким электролитом, независимо от особенностей конструкции. К ним относятся обслуживаемые, малообслуживаемые и необслуживаемые варианты. Про них более подробно пойдёт речь после перечисления разновидностей электродов и электролитов, но, если коротко, они различаются доступом к электролиту. А поскольку такое обозначение используется производителями, его можно рассматривать, как разновидность (пусть и общую) свинцово-кислотных аккумуляторов.
Преимущества данной группы — низкая цена, доступность (широкое распространение), высокий КПД (в разных источниках данные разнятся, но указываются показатели от 80 до 95%). Кроме того, залитые свинцово-кислотные аккумуляторы подлежат вторичной переработке. Недостатки: выделение водорода во время работы и, особенно, зарядки (из-за чего требуется вентиляция и особые условия хранения); вытекание электролита при опрокидывании; меньшая скорость зарядки в сравнении с абсорбированными (AGM); большие габариты и вес; чувствительность к минусовым температурам; чувствительность к глубокому разряду (способны выдержать лишь 10-30 циклов); выдерживают малое количество циклов заряда-разряда (приблизительно, 100-300).
AFB — герметичный необслуживаемый жидкий (залитый) аккумулятор. Подвид WET батарей, созданный для бюджетных автомобилей, оборудованных системой Start-Stop (используется для автоматического выключения двигателя при остановке с последующим мгновенным запуском при отпускании педали тормоза; позволяет экономить топливо). Название происходит от аббревиатуры «Advanced Flooded Battery», которая переводится: «Расширенная залитая батарея». Отличается специальным покрытием пластин. Они имеют более толстую сетку на пластинах.
Также существует подвид EFB (Enhanced Flooded Battery): «улучшенная залитая батарея», который является дальнейшим усовершенствованием AFB-аккумуляторов.
VLRA (SLA) — герметизированная жидкая (залитая) АКБ необслуживаемого типа со специальным клапаном, стравливающим газы. Он открывается, когда скапливаются газы под давлением 100-200 мБар. По свойствам такие аккумуляторы похожи на WET батареи. Разве что, не требуют обслуживания и долива воды.
Аббревиатуры расшифровываются так: VLRA — Valve Regulated Lead Acid (в дословном переводе: «свинцово-кислотный с регулируемым клапаном»); SLA — Sealed Lead Acid Battery (переводится как: «герметизированная свинцово-кислотная батарея»). Оба определения правильны, поэтому в маркировке указываются оба понятия, что может вызвать путаницу. Однако существуют условное разделение, согласно которому аккумуляторы ёмкостью до 30 Ач называют SLA, а более 30 Ач — VLRA.
AGM VRLA (Absorbent Glass Mat Valve Regulated Lead-Acid) — герметичная необслуживаемая АКБ с абсорбированным электролитом. Считается подвидом аккумуляторов VLRA/SLA. Характерная особенность — наличие абсорбента (преимущественно, стекловолокна) для рекомбинации газов и удерживания электролита. При этом рекомбинация газов составляет до 99%.
Преимущества абсорбированных аккумуляторов: отсутствие необходимости обслуживания, при переворачивании не вытекает электролит, продолжительный срок службы (5-12 лет), выдерживают глубокий разряды (до 200 полных разрядов). Недостатки: высокая цена, могут заряжаться лишь от специальных зарядных устройств, большие размеры и вес, чувствительность к перезарядам и короткому замыканию.
GEL VRLA (GEL Valve Regulated Lead-Acid) — герметичная необслуживаемая АКБ с гелеобразным электролитом (за счёт добавления силиконового наполнителя). Считается подвидом аккумуляторов VLRA/SLA. У такого аккумулятора немного меньше эффективность рекомбинации газов, чем у абсорбированного.
В отличии от аккумуляторов AGM-типа, способны выдержать более 1000 циклов глубоких разрядов, а также выдерживают большое количество циклов разряда-заряда (преимущественно, в 2 раза больше, чем у AGM батарей). К другим преимуществам относят долгий срок службы (6-10 лет), возможность установки в любом положении (при переворачивании не вытекает электролит), отсутствие необходимости обслуживания. К недостаткам относят высокую стоимость, необходимость использования специальных зарядных устройств, чувствительность к перезарядам.
Литиевые аккумуляторные батареи являются наиболее современными и перспективными. Их отличает высокая энергоёмкость на единицу веса, высокое напряжение и низкий саморазряд. Чаще всего такие АКБ используют в оборудовании с высоким энергопотреблением или при необходимости долгой автономности.
К данной группе относятся литий-ионные и литий-железо-фосфатные.
Li-Ion — литий-ионные АКБ. Аккумуляторы необслуживаемого типа. Характеризуется наличием BMS платы, которая контролирует процесс зарядки и разрядки, а также проводит измерения напряжения, тока, сопротивления. В большинстве современных полностью электрических транспортных средств и PHEV используются именно литий-ионные аккумуляторы.
Современные литий-ионные аккумуляторы имеют анод из металлического лития или графита, а катод из углерода. Электролит жидкий, является раствором солей лития. Если же электролит полимерный — такая батарея называется литий-полимерной (Li-Pol).
Отличаются договечностью, высоким рабочим током, малыми размерами и весом. Выдерживают низкие температуры. Недостатки — плохо заряжаются на морозе, плохо переносят перезаряды. Требуют использования специальных зарядных устройств.
LiFePO4 — литий-железо-фосфатные АКБ. Необслуживаемые. В отличии от литий-ионных батарей в качестве анодного материала применяется фосфат железа. Батарея LiFePO4 имеет преимущество перед ионно-литиевой как с точки зрения срока службы (в 4-5 раз дольше), так и с точки зрения безопасности. Это ключевое преимущество, потому что литий-ионные батареи могут перегреться и даже загореться, а LiFePO4 — нет. К другим преимуществам такого аккумулятора относят отличную морозоустойчивость (диапазон эксплуатационной температуры составляет -30°C… +55°C). Кроме того, он выдерживает до 2000 циклов разряда-заряда и имеет низкую склонность к саморазряду. Также возможна быстрая зарядка большим током (15-30 минут). Плюс — отсутствие эффекта памяти. К недостаткам причисляют низкую ёмкость в сравнении с литий-ионными, а также необходимость использования специальных зарядных устройств.
Классификация в зависимости от обслуживаемости аккумулятора
По обслуживанию различают обслуживаемые, малообслуживаемые и необслуживаемые АКБ.
Обслуживаемые аккумуляторные батареи имеют прямой доступ к «банкам» через пробки. Такие АКБ требуют периодического долива воды и контроля уровня электролита. Особенностью данной группы является возможность замены ячеек. Но при этом такие батареи характеризуются малым пусковым током и чувствительны к низким температурам. Данная разновидность до недавнего времени была основной, однако сейчас она вытесняется малообслуживаемыми и необслуживаемыми аккумуляторами.
Малообслуживаемые аккумуляторные батареи отличаются наличием одной пробки для добавления дистилированной воды в электролит.
Необслуживаемые аккумуляторные батареи отличаются полностью закрытым корпусом без доступа внутрь. На крышке отсутствуют отверстия для долива воды. Чаще всего это гелевые и абсорбированные батареи.
Полярность: прямая и обратная, а также варианты расположения клемм
Принципиальным различием является расположение выводов под клеммы. От него зависит возможность подсоединения проводов автомобильной электрической сети, поскольку при использовании аккумулятора с противоположной полярностью может не хватить длины проводов или вообще можно неправильно подключить клеммы, перепутать полярность.
Полярность бывает двух видов: прямой и обратной. Она определяется расположением плюсового и минусового контактов. Прямой полярностью (также называется «L», российской, «0») считается плюс слева, минус справа. Обратной полярностью (альтернативные обозначения — «R», европейская, «1») принято считать размещение минуса слева, плюса справа.
Как правило, обратная полярность присуща автомобилям европейского, азиатского и американского происхождения, тогда как прямая полярность присуща лишь машинам российского производства.
Кроме прямой и обратной полярности встречаются и другое расположение выводов. В частности, размещение контактов по диагонали и на торцевой стороне (такая схема применяется на грузовиках).
«Европейский» и «азиатский» корпуса
Ещё одним критерием принято считать тип корпуса. Он бывают двух видов: «Европа» и «Азия».
Европейский вид корпуса характеризуется углублённым размещением контактов. То есть, они не выпирают над верхней площадкой корпуса. При этом у некоторых моделей контакты могут прикрываться защитной крышкой. Такой корпус имеют автомобили, выпускаемые в Европе, России, США, странах Южной Америки.
Азиатский корпус распространён среди японских, южнокорейских и китайских машин. Он отличается контактами, размещёнными над крышкой. Таким образом, наивысшей точкой будут выводы под клеммы.
Модели аккумуляторов с корпусом азиатского типа, преимущественно, компактнее европейского. Но их сложно закрепить на площадке под АКБ «Европа». Также возможна ситуация, когда такой аккумулятор просто не поместится в подкапотное пространство. А батарея европейского корпуса не влезет в посадочное место азиатского стандарта. Стоит отметить, что некоторые производители аккумуляторов с азиатским корпусом в спецификациях указывают габариты без учёта высоты контактов.
Помимо корпусов, аккумуляторы «Европа» и «Азия» имеют разный диаметр клемм. При этом плюсовой и минусовой выводы отличаются между собой, поскольку различие диаметров служит дополнительной защитой от несоблюдения полярности при подключении. Так, плюсовая клемма сделана большей, чем минусовая.
В спецификациях указывают размер большей (то есть, плюсовой) клеммы. У европейского стандарта «+» клемма имеет диаметр 19,5 мм, а «‒» 17,9 мм. Азиатский стандарт меньше. У него диаметр плюсовой клеммы 12,7 мм, а минусовой — 11,1 мм. Из-за этой особенности европейские клеммы также называют стандартными, а азиатские — тонкими.