Акумулятори: призначення, різновиди, особливості та підвиди автомобільних АКБ
Що таке акумулятор? Принцип роботи та особливості
Акумулятори відносять до вторинних джерел струму, які видають накопичену електрику. Навіть сама назва «акумулятор» походить від латинського «accumulare», що в перекладі означає «накопичувати». Завдяки цій властивості акумулятори широко використовуються в ролі джерела живлення для транспортних засобів, джерел безперебійного живлення (ДБЖ), портативних побутових приладів, портативних контрольно-вимірювальних приладів, ліхтариків, іграшок. Крім того, ними оснащують вітро- та сонячні електростанції.
Робота акумуляторів ґрунтується на хімічних реакціях між електродом (катодом та анодом) та електролітом, виготовлених з різних матеріалів, здатних накопичувати та віддавати електроенергію. Основними хімічними процесами акумуляторів є реакція окислення та реакція відновлення. Причому ці процеси мають зворотність. Тому акумулятори розраховані для багаторазового застосування за умови дотримання циклу заряду-розряду.
Природно, акумулятори мають недоліки. Наприклад, саморозряд, ефект пам'яті та погіршення роботи на холоді.
Саморозряд є втратою накопиченого заряду за відсутності навантаження. Тобто, навіть якщо Ви не користуєтеся акумулятором, зменшується заряд. Це явище проявляється по-різному в акумуляторів різних типів, проте найбільше розрядження відбувається в перші години після заряджання, після чого процес розряджання призупиняється. Наприклад, свинцево-кислотний герметичний автомобільний акумулятор за рік простою при температурі 5°C втратить до 15% заряду. В разі підвищення температури до 20°C втрати заряду становитимуть до 40%. А оскільки це неминучий процес, рекомендується періодично заряджати акумулятори, навіть якщо вони не використовуються.
Ефект пам'яті — це оборотна втрата ємності, яка властива акумуляторам із нікелю. Особливо у нікель-кадмієвих.
Холод також ускладнює експлуатацію акумуляторів, оскільки у свинцево-кислотних батарей електроліт на 75% складається із води, яка при зниженні температури розширюється. На невеликому морозі може губитись до 20% заряду.
Під терміном «акумулятор» розрізняють батарейки, акумулятори та акумуляторні батареї. Різниця між батареєю та акумулятором полягає в тому, що батарейка є одноразовим елементом живлення, а акумулятори заряджаються. Хоча зовні багато батарей і акумуляторів не відрізняються один від одного. Між акумуляторами та акумуляторними батареями різниця в розмірах і характеристиках, сферах експлуатації, контактах, способі заряджання. Так, акумулятори використовуються в побутових портативних пристроях, тоді як акумуляторні батареї використовуються на транспорті. А ще акумулятори до приладів бувають знімними і незнімними, тоді як автомобільні акумулятори знімні (за винятком тягових акумуляторів в електромобілях).
Автомобільні акумуляторні батареї (АКБ)
Особливості автомобільних АКБ – велика ємність. Такі батареї використовуються для запуску двигуна (після чого електрика виробляється автомобільним генератором) та живлення бортової електричної мережі при непрацюючому моторі (наприклад, для системи мультимедіа або сигналізації).
Ще одна особливість у конструкції: автомобільна акумуляторна батарея складається з кількох комірок, кожна з яких є невеликою самостійною батареєю на 2В. А послідовне з'єднання 6-ти комірок дає 12В.
Основними складовими АКБ є електроди та електроліт, поміщені в пластиковий корпус, а також плюсова та мінусова клеми. У акумуляторів електроди (катоди та аноди у вигляді пластин) поміщені в ємність, заповнену електролітом. При цьому сам електроліт може бути рідким, гелеподібним чи абсорбованим. Завдяки електроліту здійснюється перенесення позитивно заряджених іонів між катодом та анодом.
У якості електроліту у літієвих АКБ використовується розчин літієвої солі (наприклад, гексафторфосфат літію). У свинцево-кислотних це розчин сірчаної кислоти. Іноді в процесі експлуатації деяких різновидів АКБ може знадобитися долив дистильованої води у розчин (якщо рівень розчину недостатній). Однак у виняткових випадках може виникнути необхідність поповнення електроліту (наприклад, при перевертанні батареї або зменшенні щільності через низьку концентрацію сірчаної кислоти).
Електродами у свинцево-кислотних АКБ виступають свинцеві пластини, покриті окисом свинцю та кислотою. Позитивні та негативні пластини чергуються по черзі.
Різновиди автомобільних АКБ
Автомобільні акумуляторні батареї представлені великою різноманітністю матеріалів і можуть класифікуватися за обслуговуваністю, розташуванню полярності та типу корпусу.
Насамперед, акумулятори відрізняються матеріалами електродів та електроліту. Тому виділяють дві основні групи — свинцево-кислотні та літієві, які, своєю чергою, поділяються на декілька підвидів. Також існують нікелеві, проте вони використовуються в ролі силових батарей в електромобілях.
Свинцево-кислотні (Lead-Acid) АКБ є найпоширенішим типом акумуляторів для автомобілів та інших транспортних засобів. Він складається з електродів зі свинцевих пластин з додаванням інших речовин, що мають сітчасту структуру, та з електроліту, в ролі якого виступає розчин сірчаної кислоти. Принцип роботи свинцево-кислотних акумуляторів наступний: при підключенні до споживача окислюється свинець на катоді та відновлюється діоксид анода з виділенням води, а при перезарядці в результаті електролізу відбувається зворотний процес із виділенням кисню та водню.
Оскільки в свинцеві електроди додають різні речовини (сурма, кальцій), електроліт може мати різні стани, а конструкція представлена декількома варіантами (обслуговуваними, малообслуговуваними і необслуговуваними) — такий перелік складових зумовлює існування різних підвидів свинцево-кислотних автомобільних акумуляторів. Причому вони можуть мати кілька назв — загальні та вузькоспеціалізовані, а самі різновиди можуть вказуватися по-різному, через що часто виникає плутанина в позначеннях. Тому все залежить від критерію класифікації.
Якщо відштовхуватися від стану електроліту, то розрізняють рідкі (WET), абсорбовані (AGM), гелеві (GEL) та желеподібні (Dryfit). Якщо ж за критерій взяти конструкцію, то виділяють заливні та герметизовані з клапанами, що регулюються (позначаються VLRA або SLA). І це лише найпоширеніші різновиди.
WET (Wet cell battery, flooded battery) — рідка або залита АКБ. Це «класичний» різновид свинцево-кислотних акумуляторів. Характеризується використанням рідкого електроліту, що складається із сірчаної кислоти та дистильованої води. Через це їхню назву дослівно перекладають, як «батарея з вологим (мокрим) елементом».
Це загальна назва всіх батарей з рідким електролітом, незалежно від особливостей конструкції. До них належать варіанти, що обслуговуються, малообслуговуються і необслуговуються. Про них докладніше піде мова після перерахування різновидів електродів і електролітів, але, якщо коротко, вони відрізняються доступом до електроліту. А оскільки таке позначення використовується виробниками, його можна розглядати як різновид (нехай і загальний) свинцево-кислотних акумуляторів.
Переваги цієї групи — низька ціна, доступність (широке поширення), високий ККД (у різних джерелах дані відрізняються, але вказуються показники від 80 до 95%). Крім того, залиті свинцево-кислотні акумулятори підлягають вторинній переробці. Недоліки: виділення водню під час роботи і, особливо, заряджання (через що потрібна вентиляція та особливі умови зберігання); витікання електроліту при перекиданні; менша швидкість заряджання в порівнянні з абсорбованими (AGM); великі габарити та вага; чутливість до мінусових температур; чутливість до глибокого розряду (здатний витримати лише 10-30 циклів); витримують малу кількість циклів заряду-розряду (приблизно 100-300).
AFB — герметичний рідкий (залитий) акумулятор, що не обслуговується. Підвид WET батарей, створений для бюджетних автомобілів, обладнаних системою Start-Stop (використовується для автоматичного вимикання двигуна при зупинці з наступним миттєвим запуском при відпусканні гальма педалі; дозволяє економити паливо). Назва походить від абревіатури «Advanced Flooded Battery», яка перекладається: «Розширена залита батарея». Відрізняється спеціальним покриттям пластин. Вони мають товщу сітку на пластинах.
Також існує підвид EFB (Enhanced Flooded Battery): «Покращена залита батарея», який є подальшим удосконаленням AFB-акумуляторів.
VLRA (SLA) — герметизована рідка (залита) АКБ типу, що не обслуговується, зі спеціальним клапаном, що стравлює гази. Він відкривається, коли накопичуються гази під тиском 100-200 мБар. За властивостями такі акумулятори нагадують WET батареї. Хіба що, не вимагають обслуговування та доливання води.
Аббревіатури розшифровуються так: VLRA — Valve Regulated Lead Acid (в дословному перекладі: «свинцево-кислотний з регульованим клапаном»); SLA — Sealed Lead Acid Battery (перекладається як: «герметизована свинцево-кислотна батарея»). Обидва визначення правильні, тому в маркуванні вказуються обидва поняття, що може викликати плутанину. Однак існує умовне розділення умови, згідно з яким акумулятори ємністю до 30 Аг називають SLA, а більше 30 Аг — VLRA.
AGM VRLA (Absorbent Glass Mat Valve Regulated Lead-Acid) — герметична АКБ, що не обслуговується, з абсорбованим електролітом. Вважається підвидом акумуляторів VLRA/SLA. Характерною особливістю є наявність абсорбенту (переважно скловолокна) для рекомбінації газів та утримування електроліту. При цьому рекомбінація газів становить до 99%.
Переваги абсорбованих акумуляторів: відсутність необхідності обслуговування, при перевертанні не розливається електроліт, тривалий термін служби (5-12 років), витримують глибокий розряд (до 200 повних розрядів). Недоліки: висока ціна, можуть заряджатися лише від спеціальних зарядних пристроїв, великі розміри і вага, чутливість до перезарядів і короткого замикання.
GEL VRLA (GEL Valve Regulated Lead-Acid) — герметична АКБ, що не обслуговується, з гелеподібним електролітом (за рахунок додавання силіконового наповнювача). Вважається підвидом акумуляторів VLRA/SLA. У такого акумулятора трохи менша ефективність рекомбінації газів, ніж у абсорбованого.
На відміну від акумуляторів AGM-типу, здатні витримати більше 1000 циклів глибоких розрядів, а також витримують велику кількість циклів розряду-заряду (переважно вдвічі більше, ніж у AGM батарей). До інших переваг відносять тривалий термін служби (6-10 років), можливість встановлення в будь-якому положенні (при перевертанні не витікає електроліт), відсутність необхідності обслуговування. До недоліків відносять високу вартість, необхідність використання спеціальних зарядних пристроїв, чутливість до перезаряду.
Літієві акумуляторні батареї є найбільш сучасними і перспективними. Їх відрізняє висока енергоємність на одиницю ваги, висока напруга та низький саморозряд. Найчастіше такі АКБ використовують у обладнанні з високим енергоспоживанням або за потреби довгої автономності.
До даної групи відносяться літій-іонні та літій-залізо-фосфатні.
Li-Ion — літій-іонні АКБ. Акумулятори типу, що не обслуговується. Характеризується наявністю BMS плати, яка контролює процес зарядки та розрядки, а також забезпечує вимірювання напруги, струму, опору. У більшості сучасних повністю електричних транспортних засобів та PHEV використовуються саме літій-іонні акумулятори.
Сучасні літій-іонні акумулятори мають анод із металевого літію або графіту, а катод із вуглецю. Електроліт рідкий є розчином солей літію. Якщо ж електроліт полімерний – така батарея називається літій-полімерною (Li-Pol).
Відрізняються договічністю, високим робочим струмом, малими розмірами та вагою. Витримують низькі температури. Недоліки – погано заряджаються на морозі, погано переносять перезаряди. Вимагають використання спеціальних зарядних пристроїв.
LiFePO4 — літій-залізо-фосфатні АКБ. Необслуговуються. На відміну від літій-іонних батарей у якості анодного матеріалу застосовується фосфат заліза. Батарея LiFePO4 має перевагу перед літій-іонною як з точки зору терміну служби (в 4-5 разів довше), так і з точки зору безпеки. Це ключова перевага, тому що літій-іонні батареї можуть перегрітися і навіть спалахнути, а LiFePO4 — ні. До інших переваг такого акумулятора відносять відмінну морозостійкість (діапазон експлуатаційної температури становить -30°C… +55°C). Крім того, він витримує до 2000 циклів розряду-заряду та має низьку схильність до саморозряду. Також можливе швидке заряджання великим струмом (15-30 хвилин). Плюс – відсутність ефекту пам'яті. До недоліків відносять низьку ємність у порівнянні з літій-іонними, а також необхідність використання спеціальних зарядних пристроїв.
Класифікація в залежності від обслуговування акумулятора
За обслуговуваністю розрізняють АКБ, що обслуговуються, малообслуговуються і необслуговуються.
Акумуляторні батареї, що обслуговуються, мають прямий доступ до «банок» через пробки. Такі АКБ вимагають періодичного доливання води та контролю рівня електроліту. Особливістю цієї групи є можливість заміни комірок. Але при цьому такі батареї характеризуються малим пусковим струмом та чутливі до низьких температур. Цей різновид до недавнього часу був основним, проте зараз він витісняється акумуляторами, що малообслуговуються і необслуговуються.
Акумуляторні батареї, що мало обслуговуються, відрізняються наявністю однієї пробки для додавання дистильованої води в електроліт.
Акумуляторні батареї, що не обслуговуються, відрізняються повністю закритим корпусом без доступу всередину. На кришці відсутні отвори для доливання води. Найчастіше це гелеві та абсорбовані батареї.
Полярність: пряма та зворотна, а також варіанти розташування клем
>
Принциповою відмінністю є розташування виводів під клеми. Від нього залежить можливість приєднання дротів автомобільної електричної мережі, оскільки при використанні акумулятора з протилежною полярністю може не вистачити довжини дротів або взагалі можна неправильно підключити клеми, переплутати полярність.
Полярність буває двох видів: прямою та зворотною. Вона визначається розташуванням плюсового та мінусового контактів. Прямою полярністю (також називається «L», російською, «0») вважається плюс ліворуч, мінус праворуч. Зворотною полярністю (альтернативні позначення — «R», європейська, «1») прийнято вважати розміщення мінуса ліворуч, плюса праворуч.
Як правило, зворотна полярність притаманна автомобілям європейського, азіатського та американського походження, тоді як пряма полярність притаманна лише машинам російського виробництва.
Крім прямої та зворотної полярності зустрічаються й інше розташування виводів. Зокрема, розміщення контактів по діагоналі та на торцевій стороні (така схема застосовується на вантажівках).
«Європейський» та «азіатський» корпуси
Ще одним критерієм прийнято вважати тип корпусу. Він бувають двох видів: «Європа» та «Азія».
Європейський вид корпусу характеризується поглибленим розміщенням контактів. Тобто вони не випирають над верхнім майданчиком корпусу. При цьому у деяких моделей контакти можуть прикриватись захисною кришкою. Такий корпус мають автомобілі, що випускаються у Європі, Росії, США, країнах Південної Америки.
Азіатський корпус поширений серед японських, південнокорейських та китайських машин. Він відрізняється контактами, розміщеними над кришкою. Таким чином, найвищою точкою будуть виводи під клеми.
Моделі акумуляторів з корпусом азіатського типу, переважно, компактніші за європейські. Але їх складно закріпити на майданчику під АКБ «Європа». Також можлива ситуація, коли такий акумулятор просто не поміститься у підкапотний простір. А батарея європейського корпусу не влізе у посадкове місце азіатського стандарту. Варто зазначити, що деякі виробники акумуляторів з азіатським корпусом у специфікаціях вказують габарити без урахування висоти контактів.
Окрім корпусів, акумулятори «Європа» та «Азія» мають різний діаметр клем. При цьому плюсовий та мінусовий виводи відрізняються між собою, оскільки відмінність діаметрів є додатковим захистом від недотримання полярності при підключенні. Так, плюсова клема зроблена більшою, ніж мінусова.
У специфікаціях вказують розмір більшої (тобто плюсової) клеми. У європейського стандарту «+» клема має діаметр 19,5 мм, а «‒» 17,9 мм. Азіатський стандарт менший. У нього діаметр плюсової клеми 12,7 мм, а мінусової – 11,1 мм. Через цю особливість європейські клеми також називають стандартними, а азіатські — тонкими.