Назначение характеристика устройства работа аккумуляторной батареи. Конструкция и назначение аккумулятора

Работа электромобиля основана на электрическом токе. Внешне такие машины трудно отличить от авто с бензиновым двигателем. Единственная заметна разница в шуме при движении: электромобиль передвигается практически бесшумно. По типу организации работы эти виды машин существенно отличаются.

В электроавтомобиле установлен двигатель, функционирующий от электрического тока и получающий энергию от аккумуляторов.

Основные виды аккумуляторных батарей

В основе работы электромотора лежит принцип индукции электромагнитной природы. Данный тип двигателя преобразовывает энергию электриеской природы в механическую. Этот двигатель имеет высокий показатель КПД (коэффициента полезного действия). Он может достигать 95%.

Главный источник энергии электромотора - батареи аккумуляторной природы. Такие источники питания довольно дорогостоящие, что является главной причиной недостаточной распространенности электромобилей.

Наиболее популярный и доступный вид аккумуляторов - источники питания со свинцово-кислотным наполнителем . Также эти батареи почти полностью перерабатываются, что уменьшает их отрицательное влияние на экологию. Следующий вид аккумуляторов - никель-металлогибридные . Они дороже, чем представленные ранее, но имеют более высокие показатели производительности. Литий-ионные источники питания - идеальные для автомобилей с электрическим двигателем. Они наименее распространены среди автовладельцев из-за своей высокой стоимости.

Зачастую в электромобилях, кроме батарей, питающих двигатель, устанавливают дополнительный источник питания, обеспечивающий функционирование фар, магнитолы, стеклоочистителей и других аксессуаров вашего транспортного средства.

Особенности и строение аккумулятора с литий-ионным наполнителем

Источник питания с литий-ионным наполнителем очень распространен сегодня в бытовой электронике и широко применяется в автомобилях с электрическими двигателями и энергетических системах (мобильные телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты и т.д.).

Литий-ионный аккумулятор является наилучшим вариантом для питания электромобилей. Его составляющие:

• Электроды, разделенные между собой сепараторами, которые пропитаны электролитом.
• Герметичный корпус, в котором размещены электроды.
• Катоды и аноды, прикрепленные к токосъемникам-клеммам.

Корпус оснащен предохранительным клапаном, главная функция которого - сбрасывать внутреннее давление при авариях и нарушении условий использования двигателя. Литий-ионные аккумуляторы различаются в зависимости от характера материала на катоде. «Транспортером» заряда в этом источнике питания есть ион лития с положительным зарядом, который может вклиниваться в кристаллическую структуру таких материалов, как графит и различные соли, с созданием связи химической природы.

Сегодня при обширном производстве описанного вида аккумулятора используют такие три вида сырья катодной природы:

• Кобальт литий и производные от никелата лития твердые растворы.
• Шпинель из лития и марганца.
• Феррофосфат лития.

Аккумуляторы с литий-ионным наполнителем имеют существенные преимущества в сравении с их сородичами. Это низкие показатели

TeslaModel S: взгляд изнутри

Компания «Тесла Моторс» создает популярные «экологичные» электромобили, которым присущи специфические свойства, делающие машины популярнее с каждым днем. Одной из составляющих успеха продуктов компании являются батареи литий-ионной природы, размещенные в электроавто.

Каково же строение источника питания Тесла?

Для начала стоит отметить, что вся сборка аккумулятора характеризуется повышенной плотностью и точностью сочетания составляющих. Батарея имеет 16 составляющих - блоков параллельного соединения, огражденных пластинами из металла и пластиковой защитой батареи от воды. Каждый блок аккумулятора имеет разделенные на шесть групп 74 составляющих компонента, похожих на привычные пальчиковые батарейки. Схема их размещения и принцип работы держатся в строжайшем секрете!

Электрод с положительным зарядом - это графит, а с отрицательным - никель, кобальт и оксидный алюминий.

Наимощнейший из подобных аккумуляторов сложен из 7104 похожих батарей. Имеет вес 540 кг, длину - 2м 10см, ширину - 1м 50см и 15 см толщину. Энергия, вырабатываемая одним из 16 блоком, равна продуцируемой сотней аккумуляторов портативных компьютеров.

При производстве аккумуляторов Тесла используют детали, созданные в Мексике, Китайской народной республике и Индии. Конечная работа производится в США. Гарантия, предоставляемая компанией, значительна: до 8 лет.

В статье описан состав наиболее распространенных источников питания для двигателей электромобилей. Надеемся, информация будет полезной для Вас!

Для автомобиля аккумуляторную батарею можно назвать вторым сердцем. Его значимость для нормальной работы так же велика, как и сам двигатель. В современном автомобильном мире осуществлялись попытки заменить аккумулятор пневматическими устройствами пуска мотора, конденсаторными накопителями, но безрезультатно.

До сих пор широко используется только три типа электрических аккумуляторов:

• свинцово-кислотный;
• литий-ионный;
• безламельный железоникелевый.

Первый был изобретен в начале 20 века и за более чем столетнюю историю устройство аккумулятора практически не изменилось, за исключением ряда усовершенствований и дополнений, позволивших оптимизировать его работу. Второй тип появился сравнительно недавно - 15-20 лет назад , темпы развития его конструкции и устройства, завоевания рынка можно назвать революционными. Третий вариант аккумулятора оказался слишком дорогим в производстве и постепенно был вытеснен первыми двумя.

Классический автомобильный аккумулятор

Своему долголетию кислотный аккумулятор обязан полному и безоговорочному доминированию двигателей внутреннего сгорания. Устройство свинцово-кислотного аккумулятора лучше всего удовлетворяло требование к безопасному источнику электроэнергии, способного кратковременно выдать ее с огромной силой тока, необходимой для запуска двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Остальные варианты устройства электрохимических элементов, даже при более высоких показателях емкости либо были не в состоянии выдержать столь мощную нагрузку, либо их производство было неоправданно, технологически сложно и обходилось значительно дороже свинцово-кислотного варианта.

Устройство классического автомобильного аккумулятора

С точки зрения теории единичная банка аккумулятора представляет собой систему двух электродов, один из которых - катод или минусовый электрод, выполнен в виде тонкой свинцовой пластины с пористой поверхностью, второй называемый анодом - положительный электрод в виде тонкой свинцовой сетки с запрессованной активной пористой массой из окиси свинца.

В устройстве электроды погружены в раствор серной кислоты - электролит, плотностью , дающей максимальный уровень накопления энергии. Анод и катод приближены друг к другу на минимальное расстояние и разделены тонким пластиковым сепаратором.

Как накапливается электрический заряд в аккумуляторе

Зарядка аккумулятора автомобиля осуществляется постоянным током строго определенного напряжения и тока. Для стандартного 12В-го аккумулятора, заряд проводится напряжением в 13,5-14,2 В с силой тока равной десятой части емкости.

При зарядке, под действием постоянного тока на свинцовом аноде выделяется комплексное соединение из недоокисленного металлического свинца и связанных ионов серной кислоты из электролита. На катоде - отрицательном электроде, выделяется перекись свинца Pb 2 O 5 . Из-за связывания части ионов серной кислоты плотность электролита в процессе накопления заряда падает. Напряжение на ячейке устройства устанавливают не выше 2,2В, чтобы обеспечить накопление необходимых ионов и предупредить бесполезное разложение воды на кислород и водород.

При замыкании внешней цепи на контакты происходит быстрое разложение накопленных солей и соединений с выделение на электродах огромного количества электрической энергии. Плотность электролита возрастает по мере разряда аккумуляторной батареи.

Недостатки и преимущества устройства аккумулятора автомобиля

В устройстве свинцово-кислотного аккумулятора его природой заложено ряд пороков, делающих устройство капризным и чувствительным к определенным условиям эксплуатации:

• ограниченное число циклов разряд-заряд;
• необратимые процессы сульфатации пластин, значительно снижающие его емкость и срок службы;
• малая механическая прочность электродов, возникновение замыкания анода и катода из-за осыпающейся электродной массы или разрушения сепаратора;
• выход из строя при регулярном перезаряде или длительном хранении устройства в разряженном состоянии.

Сульфатация серьезно уменьшает ресурс батареи автомобиля. Комплексные сернокислотные соли свинца, отлагающиеся на катоде, под воздействием выделяющегося свободного кислорода и водорода переходят в слаборастворимое соединение - сульфат свинца, насмерть закупоривающее поры катода и делающее его неработоспособным.

Современные новации в устройстве аккумуляторной батареи

Попытки устранить основные недостатки в конструкции аккумулятора автомобиля привели к созданию новых сплавов свинца, более стойких к агрессивному воздействию кислоты. Применение легирующих добавок кальция, олова, никеля позволили снизить саморазряд и потери воды до минимально возможного уровня. В днище корпуса устройства стали применяться ловушки для накопления частиц активной массы электродов, что в значительной мере снизило риск замыкания анода и катода в придонной части.

Устройство батареи автомобиля изменилось, она получила статус необслуживаемой. Теперь, по замыслу производителя, устройство не требует контроля уровня воды в банках аккумулятора и плотности электролита, как это было в старых моделях. В устройстве батареи появились приспособления в виде поплавкового индикатора-глазка, меняющего свой цвет в зависимости от состояния заряда.

Перспективные решения

Среди новшеств, появившихся в устройстве сравнительно недавно и призванных улучшить характеристики свинцово-кислотной батареи автомобиля можно отметить:

• использование гелеобразных видов аккумуляторного электролита на основе соединений кремния. Нулевая потеря воды и хорошие эксплуатационные качества позволяют использовать такие устройства даже в салонах автомобилей;
• применение электронных диагностических чипов, позволяющих тонко и дозированно вмешиваться в работу каждой банки устройства;
• применение графита и углерода для формирования основы положительного и отрицательного электродов, что сделает батарею автомобиля легче и компактнее.

Безламельные железоникелевые аккумуляторы со щелочным электролитом

Была разработана и внедрена идея стартерных аккумуляторов на основе щелочного электролита и электродами из прессованного порошка никеля и железа. Хорошо известна модель серии СЖН -50, выпускавшаяся в Советском Союзе ограниченными партиями для военной техники. Устройство батареи обладало хорошими характеристиками:

• высокий ресурс, количество циклов заряд-разряд достигло 1000, что превысило ресурс кислотного;
• малая чувствительность к условиям эксплуатации;
• длительный перезаряд или хранение в разряженном состоянии не оказывали столь пагубного влияния на состояние устройства.

В устройстве использовалось большое количество дефицитного никеля, производство аккумулятора было сложным и нерентабельным.

Интересно! Практика эксплуатации советских щелочных аккумуляторов для автомобиля, показала возможность использования таких батарей в течении 15-20 лет при расчетном 10-летнем периоде, с условием тщательного соблюдения правил эксплуатации.

Современные ионно-литиевые автомобильные аккумуляторы

Массовое применение литиевых аккумуляторов на автомобиле ассоциируется с современными электромобилями, где подобное устройство широко применяется из-за высоких параметров емкости и малого веса. На рынке представлены вспомогательные ионно-литиевые аккумуляторы, предназначенные для быстрого заряда основного аккумулятора. Есть ряд устройств, оснащенных блоком ионисторов, позволяющих запускать двигатели с рабочим объемом не более 500 см 3 .

Стоимость свинцово-кислотного аккумулятора, емкостью до 70 Ач, будет чуть более сотни долларов, аналогичный ионно-литиевый вариант по цене превысить конкурента в 10 и более раз.

Важно! Ионно-литиевый аккумулятор невероятно чувствителен к перезарядке и требует точной работы электронного блока управления. При неисправном чипе возможны случаи его возгорания.

Видео устройства аккумулятора:

Неотъемлемой частью каждого автомобиля является аккумуляторная батарея , которая предназначена для питания электрических цепей управления и сервиса бортовой сети, когда не работает. Но самое главное,- приводить в действие , во время заводки авто. Аккумуляторная батарея включается в буфер с и во время движения, или просто , является нагрузкой для генератора. Но как только вся совокупная электрическая нагрузка превысит мощность выдаваемую генератором, в действие «вступает» аккумулятор и поддерживает напряжение бортовой сети на уровне 12 вольт.

Обычно для автомобилей применяются кислотно-свинцовые аккумуляторы , которые имеют напряжение 12 вольт и различаются только по емкости заряда. должен обладать несколькими важными параметрами.

1. Иметь малое внутренне падение напряжения
2. Иметь небольшой саморазряд во время эксплуатации
3. Иметь способность выдавать большие токи
4. Иметь небольшие габариты и минимальное обслуживание.

Всем этим параметрам и соответствует кислотно-свинцовый аккумулятор, об устройстве которого поговорим ниже.

Устройство аккумулятора автомобиля

Аккумулятор , с номинальным напряжением в 12 вольт состоит из (обычно 6) независимых друг от друга аккумуляторов (банок) меньшего напряжения (2 вольта), собранных в одном корпусе и соединенных последовательно между собой.

1. Банка аккумулятора представляет собой набор разно полюсных пластин, которые изолированы друг от друга кислотоупорными сепараторами.
2. Корпус аккумулятора изготавливается из кислотоупорных пластмасс или эбонита. В корпусе имеется отсеки для установки банок аккумулятора.
3. Полюсная пластина изготавливается из свинца и имеет вид решетки, в ячейки решетки впрессовывается специальный состав (активное вещество) пористой структуры, для увеличения площади соприкосновения с электролитом. Активное вещество изготавливается из свинцового порошка, с добавлением серной кислоты. В отрицательные пластины добавляется еще сернокислый барий. Во время формирования аккумулятора пластины заряжаются, и активное вещество в плюсовых пластинах превращается в диоксид свинца, а в отрицательных – в губчатый свинец.
4. Электролит заливается в банки аккумулятора и служит для движения заряженных частиц от полюса к полюсу. Изготавливается из серной кислоты и очищенной воды (дистиллированной).

Принцип работы аккумуляторной батареи

Физика процесса работы аккумулятора очень проста, при подключении нагрузки, в аккумуляторе начинается движение заряженных частиц , что приводит к появлению тока. В условиях заряда от генератора или зарядного устройства, напряжение заряда превышает номинальное значение напряжения аккумулятора, и движение частиц происходит в обратном направлении.

Теперь уже общеизвестно, что аккумуляторы входят в состав многих устройств и являются незаменимой их частью. Автомобиль в данном случае не является исключением. Тем не менее, до сих пор спорным остается вопрос о том, как правильно его использовать. Разобраться в этом может помочь более детальное представление об устройстве аккумулятора.

История появления аккумулятора

Давно было замечено, что если две заизолированные пластины погрузить в кислотный или щелочной раствор, то на них возникнет разность потенциалов или напряжение. Самый первый прообраз современного аккумулятора представлял собой две пластины - медную и цинковую, погруженные в электролит. Он работал довольно непродолжительное время из-за того, что цинковая пластина со временем растворялась в растворе и отдача электроэнергии была совсем небольшой.

Свойства современных аккумуляторов

Современные аккумуляторы значительно усовершенствованы. Они более энергоемки и малогабаритны, продолжительность их работы стала во много раз больше, а также они приобрели возможность восстанавливать заряд (перезаряжаться), но общий принцип работы остался прежним и основан на электрохимической реакции свинца и диоксида свинца в серной кислоте. Согласно классической версии энергия является производной от взаимодействия оксида свинца с серной кислотой до сульфата. При этом в случае разряда на аноде происходят реакции восстановления диоксида свинца, а на катоде реакции окисления свинца. В случае заряда аккумулятора происходят обратные реакции, к которым на конечной стадии добавляется процесс электролиза воды. В результате возле положительного электрода выделяется кислород, а возле отрицательного - водород.

Элементы конструкции аккумулятора

Корпус

Немаловажную роль в устройстве автомобильного аккумулятора выполняет его корпус, удерживающий все отдельные элементы и объединяющий их в единое целое. Поскольку аккумулятор состоит из нескольких вырабатывающих электроэнергию элементов, то правильнее его называть аккумуляторной батареей. Так двенадцативольтная аккумуляторная батарея состоит из 6-ти элементов, поэтому ее корпус содержит 6 секций (банок). К материалу, из которого делается корпус, предъявляются достаточно высокие требования. Прежде всего он должен быть кислотоустойчив, достаточно прочен, а кроме того, он должен быть устойчив к воздействию широкого диапазона температур. Как правило, он изготавливается из полипропилена, а состоит из основания, в котором располагаются все секции и крышки с пробками.

Пакеты пластин

В секции корпуса устанавливаются пакеты пластин, состоящие из нескольких соединенных параллельно пластин с чередующейся полярностью и называющиеся также гальваническими элементами.

Такое строение позволяет увеличить емкость аккумулятора, так как в итоге увеличивается контактирующая поверхность. Увеличение поверхности соприкосновения также приводит и к уменьшению внутреннего сопротивления, что способствует увеличению максимально отдаваемого аккумулятором тока.

Сами пластины состоят из свинца ячеистой структуры. В эти ячейки путем намазывания наносится активная масса, в которой и происходят все химические реакции. Для предотвращения замыкания между пластинами помещаются сепараторы, изготовленные из электролитически проницаемого пластика. Вся эта конструкция из пластин и сепараторов собрана в пакет и для предотвращения преждевременного разрушения в процессе эксплуатации стянута бандажом. Выводы пластин соединены попарно токосборниками, которые и подводят энергию к выводным борнам. К борнам затем подключаются клеммы автомобиля.

В процессе эксплуатации аккумулятора в результате реакций образуются побочные продукты окисления свинца, а также с пластин может осыпаться активная масса. Поэтому пакеты пластин устанавливают не на самое дно корпуса, а немного выше. В результате образуется шламовый промежуток, в котором и скапливаются все осыпавшиеся с пластин вещества. Если бы его не было, то шлам бы замкнул нижние части.

Разность потенциалов, возникающая при погружении двух пластин в раствор с электролитом, составляет основной принцип работы аккумулятора. Для того, чтобы понять, как работает аккумуляторная батарея, необходимо знать ее устройство.

Устройство аккумуляторной батареи

Аккумулятором называется отдельно взятая ячейка, которая в соединении с другими подобными ячейками образует аккумуляторную батарею. В стандартной 12-ти вольтовой батарее объединены шесть аккумуляторов, вырабатывающих напряжение 2 вольта каждый. Все они заключены в общий корпус, обеспечивающий целостность всей конструкции.

Жесткие требования к корпусу связаны с необходимостью устойчиво переносить колебания температур, агрессивные химические воздействия, а, также, вибрацию. Основным материалом корпуса является полипропилен. В состав корпуса входят две части: основная емкость с большой глубиной, которая закрывается крышкой, оснащенной отверстиями с пробками либо дренажной системой.

В каждой ячейке устанавливается пакет собранный из свинцовых пластин с чередующейся полярностью. На их решетчатую конструкцию наносится активная масса, являющаяся рабочим реагентом. Такие пластины в обязательном порядке применяются в .

Для предотвращения замыкания, между пластинами вставляются сепараторы, материалом для которых служит пористый пластик. После сборки пакет фиксируется с помощью специального бандажа для предотвращения деформации и смещения. К плюсовым и минусовым выводам тока на пластинах подключаются клеммы приема тока.

Принципы работы

Принцип работы аккумулятора основан на реакции между двуокисью свинца положительной пластины, губчатым свинцом отрицательной пластины и раствором серной кислоты с водой. Этот раствор представляет собой электролит, плотность которого составляет 1,28 г/см3. Происходит образование электрического тока, с одновременным образованием на отрицательной пластине сульфата свинца. Происходит выделение воды из электролита, со снижением его плотности.

При поступлении электрического тока из внешних источников, таких как генератор или , электрохимический процесс начинает происходить в обратном направлении. На отрицательных электродах происходит восстановление чистого свинца, а на положительных - регенерируется диоксид свинца. Одновременно повышается плотность электролита.

Таким образом, принцип работы аккумулятора основан на методе двойной сульфатации, позволяющей полностью восстанавливать первоначальные свойства батареи. Срок службы аккумулятора напрямую зависит от качества используемых материалов.

Устройство и неисправности свинцовых аккумуляторов