Как устроен аккумулятор автомобиля

Устройство аккумулятора автомобиля и как с ним обращаться

Теория вождения не подразумевает просвещение в части технического оснащения автомобиля. Поэтому в этой статье мы расскажем вам о сердце авто.

Самым важнейшим элементом питания в автомобиле является аккумулятор, из которого исходит ток, который питает машину. Функций у него много, например: подача питания стартеру для запуска двигателя, либо же подача питания на неактивный двигатель. И в этой статье мы как раз обсудим устройство аккумулятора автомобиля.

На вопрос: «Сколько аккумуляторов в автомобиле ?» — ответом будет — 1. Но возможны случаи добавления дополнительной батареи.

Назначение аккумулятора в автомобиле

Автомобильный аккумулятор принято обозначать аббревиатурой АКБ, что значит аккумуляторная кислотная батарея. Не все батареи относятся к этому типу, но в автомобилях наиболее распространены именно они.

Автомобильный аккумулятор

Аккумулятор является важным компонентом в работе любого транспортного средства. Он выполняет следующие основные функции:

1. Подача электроэнергии на стартер для запуска двигателя. Аккумулятор способен в течение 30 секунд подавать пусковой ток или ток холодной прокрутки на стартер, который, в свою очередь, запускает двигатель.
2. Питание бортовой сети в случае недостаточной мощности (производительности) генератора.
3. Автономное питание бортовой сети автомобиля.

Каждый аккумулятор имеет определенную емкость и заряд. При работе двигателя всю нагрузку на электропитание берет на себя генератор. Он же заряжает аккумулятор во время движения. Если мощности не хватает, подключается батарея. Определенное время АКБ может обеспечить автономное питание.

Генератор выходит на оптимальный режим производительности при достижении двигателем частоты вращения коленчатого вала 1600-1800 об/мин и более.

Располагается АКБ, как правило, в подкапотном пространстве автомобиля или закреплен на раме в случае крупного грузового транспорта. Это связано с тем, что кислота, находящаяся внутри, очень агрессивна и опасна для здоровья. Она может просочиться через корпус или выделиться в виде газа. С аккумулятором следует обращаться осторожно.

Более безопасны необслуживаемые АКБ, внутри которых нет жидкого электролита. Такие батареи практически не выделяют вредных паров и их можно использовать где угодно. Среди альтернативных мест размещения аккумулятора можно выделить багажное отделение и под сиденьем водителя.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов

Самый популярный вид аккумулятора, применяемый в электронной бытовой технике (сотовых телефонах, ноутбуках и т. д.) — это литий-ионный аккумулятор. Его популярность легко объяснима. Это устройство выгодно отличается от своих собратьев:

• более быстрой зарядкой;
• большей мощностью;
• меньшим весом;
• более долгим сроком службы;
• низким саморазрядом.

В подтверждение этих достоинств приведём такие цифры — число рабочих циклов у них достигает 1000, что в 2 раза больше чем у других подобных устройств; а напряжение на отдельном элементе достигает 3,6 В, тогда как у других видов аккумуляторов не превышает и 2В.

Важным его достоинством является «эффект памяти», позволяющий ставить устройство на подзарядку в любой момент, независимо от имеющегося уровня зарядки. Это особенно важно, если предстоит его непрерывная и длительная эксплуатация.

Устройство и принцип работы

Литий-ионные аккумуляторы могут иметь либо цилиндрическую, либо плоскую форму. Его электроды разделены слоем сепаратора и электролита. Для изготовления катода используют литий, анод выполняется из пористого углерода. Пропиленовый сепаратор разделят разноименно заряженные электроды. Носителями заряда являются ионы электролита. В процессе разряда их поток направлен от анода к катоду. При зарядке — от катода к аноду. Контакты от катодов и анодов подсоединены к наружным клеммам. Причём к алюминиевому корпусу устройства подключен положительный электрод. Для безопасной эксплуатации предусмотрена защита, предохраняющая устройство от перезаряда.

Срок их службы зависит от количества зарядов и разрядов. Если предполагается их длительное хранение без использования, лучше всего это сделать при половинном заряде аккумулятора

К недостаткам литий-ионных аккумуляторов можно отнести их относительно высокую стоимость.

Устройство автомобильного аккумулятора

Как устроен автоаккумулятор

Старт машины и питание систем в автономном от генератора режиме обеспечивает свинцово-кислотная АКБ. Электролиз происходит в растворе воды и серной кислоты, электродами выступают пластины из свинца и его диоксида. При работе под нагрузкой происходит окисление свинца до сульфата на катоде и восстановление диоксида на аноде. При зарядке восстанавливается катод и распадается диоксид. По исчерпанию сульфата свинца происходит водный электролиз, с выделением водорода и кислорода («закипание»).

Внутренние элементы АКБ

Полость полипропиленового корпуса разделена на ячейки — 6 гальванических элементов. В каждой ячейке (банке) расположен блок электродов, состоящий из полублоков анода и катода. Полублок образуют множество тонких пластин, объединённых сверху. Пластины прямоугольные, имеют сетчатую структуру. Электрическое разделение анода и катода обеспечивает пористый сепаратор – слой материала, препятствующий их соприкосновению. Полость заливается раствором серной кислоты. Классические жидкостные аккумуляторы требуют обслуживания:

• доливания дистиллированной воды, чтобы вследствие потери кислорода и водорода не повышалась плотность электролита;
• периодического измерения плотности, уровня электролита;
• контроля ёмкости и напряжения на клеммах.

С электролитом работают через отверстия в крышке аккумулятора. Когда батарея заряжается, в воздух попадают газы, потому не рекомендуется эксплуатировать автомобильные АКБ в непроветриваемом помещении.

Строение аккумуляторной батареи типа AGM

Аккумуляторы Absorbent Glass Mat содержат электролит в абсорбированном виде. Его впитывает стекловолокнистый материал, который выступает и сепаратором электродов. Электролит теряет текучесть, плотно располагаясь в порах сепаратора. При такой технологии проводящее вещество равномерно распределяется между электродами, снижается деградация материалов и ёмкости аккумулятора.

Реализованная компоновка, в сочетании с внутренней рекомбинацией выделяемых газов, делает АКБ необслуживаемой и герметичной, обеспечивает высокие стартовые токи и высокую ёмкость на единицу объёма.

Гелевые модификации аккумуляторных батарей

Гелевые АКБ содержат электролит в сгущенном, с помощью оксида кремния или других присадок, состоянии. Обеспечивая эксплуатацию без обслуживания (при поддержании постоянной плотности вещества и электрических характеристик батареи), гель не даёт таких высоких значений тока, как жидкий электролит, но делает возможными нормальный старт при низких температурах и долгую работу электросистем без генератора.

Модели гелевых или AGM автомобильных аккумуляторов могут комплектоваться не прямоугольными, а свернутыми спиралевидными пластинами электродов. Батарея, которую инженеры оснастили такими элементами, обычно выделяется округлой формой банок, но может иметь и обычную прямоугольную форму.

Какой тип батареи используется в электромобилях?

Использование конкретного элемента зависит не только от его производительности, но и от типа транспортного средства. В случае полностью электрических транспортных средств и plug-in гибридов, которые могут быть заряжены от розетки, мы, как правило, имеем дело с литий-ионными батареями. Традиционные гибриды используют в основном никель-гидридные батареи. Больший вклад двигателя внутреннего сгорания в работу транспортного средства позволяет обеспечить более высокий уровень потерь энергии, когда он не используется. Следует также помнить, что в случае гибридных автомобилей элементы долгое время не работают при максимальной нагрузке.

Электромобили намного эффективнее, чем автомобили внутреннего сгорания. Стоимость электроэнергии в большинстве случаев значительно ниже, чем цена топлива, необходимого для проезда по аналогичному маршруту. Наиболее эффективные решения на рынке в настоящее время позволяют преодолевать расстояние около 500 км на одной зарядке.

Работа АКБ на машине

Чтобы запустить двигатель его нужно «раскрутить» и подать искру на сжатое топливо. Крутит двигатель такое устройство как стартер, а генерируют искру катушки зажигания, после чего она идет на свечи. И для того и для другого действия нужен электрический ток – его то и дает аккумулятор автомобиля, это его самая главная задача, запомните запуск двигателя, все остальное второстепенно.

Как это происходит – при помощи химической реакции внутри батареи вырабатывается электрический ток. Вы садитесь и поворачиваете ключ зажигания – сразу же на генератор подается энергия, бендикс входит в зацепление с маховиком двигателя и начинает вращаться – к маховику подсоединен коленвал, который в свою очередь начинает толкать поршни – далее в высшей точке (сжатие) – происходит подача искры (опять же от аккумулятора) – топливо поджигается и двигатель запускается.

После от генератора начинает идти зарядка, которая восполняет (заряжает) потерю энергии аккумулятора.

Что еще хочется отметить – при разряде батареи на пластинах начинает образовываться сульфат свинца (по сути его соль), это нормально, обычная химическая реакция, чем больше отдается энергии, тем больше этого налета. Чем больше соли, тем менее концентрированный электролит, падает выработка энергии.

Но стоит вам подключить АКБ на зарядку, то процесс идет в обратном направлении – соли начинают растворяться в электролите, концентрация восстанавливается, что способствует накоплению энергии. После зарядки выработка электрического тока восстанавливается.

Для того, чтобы разобраться, как работает аккумулятор, необходимо знать устройство акб, что внутри аккумулятора обеспечивает работу прибора. Основной принцип работы аккумулятора заключается в разности потенциалов при погружении двух пластин в электролит. В 12-ти вольтовой батарее объединены шесть аккумуляторов, каждый из которых вырабатывает 2 вольта. Все они объединены совместным корпусом, который образует единое целое конструкции.

Аккумулятор в разрезе

При работе этой конструкции, пластинки из-за действия серной кислоты выделяют сульфат свинца, в результате чего образуется электрический ток. Также выделяется вода, и поэтому концентрация электролита становится менее плотной. Во время зарядки АКБ процесс осуществляется в обратном порядке, свинец снова обретает металлическую форму, электролит становится более концентрированным. Принцип работы аккумулятора основан на методе двойной сульфатации, который позволяет полностью восстанавливать первоначальные свойства батареи. Срок службы аккумулятора зависит от качества используемых материалов, из чего состоит акб.

Схема строения

Схема строения

Что внутри?

Поскольку электромобиль Tesla является весьма дорогим транспортным средством, не каждый владелец может позволить себе распотрошить на камеру его аккумуляторную батарею. Кстати, стоимость аккумулятора составляет 40─50 тысяч $. Но такие энтузиасты нашлись. Несколько лет назад на просторах англоязычного интернета появились фотографии разбора модели 85 кВтч.

Внутри можно обнаружить 16 модулей, соединённых параллельно. От попадания влаги и просто внешнего воздействия сделана защита в виде пластин из металла и пластиковых вставок. На фото можно видеть, как измеряют напряжение.

Сами аккумуляторы находятся близко друг к другу в специальных ячейках. Укладка осуществляется в автоматическом режиме промышленным роботом.

В модулях аккумуляторные элементы также подразделяются на группы по 74 элемента. Их работой управляют электронные платы, которые с натяжкой можно назвать аналогом BMS плат для аккумуляторов ноутбуков. Всего в АКБ 85 кВтч 7104 литий-ионных аккумуляторных элементов. Предусмотрена жидкостная система охлаждения.

Общий вес аккумуляторной батареи 85 кВтч составляет 540 кг. Габариты представлены ниже.

• Длина 2,1 м.
• Ширина 1,5 м.
• Толщина 0,15 м.

Позднее в общем доступе появились изображения разобранной АКБ, сделанные Джейсоном Хьюзом, одним из владельцев Tesla. На этот раз аккумуляторная батарея заявленная мощность была 100 кВтч.

Как удалось выяснить Хьюзу, реальная ёмкость батареи составила 102,4 кВтч. Чтобы выяснить реальные характеристики этой модели, он получил доступ в систему управлении питанием электромобиля. Он хотел проверить утверждения представителей Tesla о том, что батарея претерпела серьёзную модернизацию. В частности, сообщалось об обновлении архитектуры, системы охлаждения и электронной начинке.

Хьюзу удалось выяснить, что теперь в одном модуле АКБ находится 516 элементов, а суммарное количество составляет 8256 штук. По сравнению с предшествующими моделями 85/90 кВтч увеличение составило около 16 процентов. В модуль, по его словам, добавили несколько рядов для элементов. Контуры охлаждения стали более тонкими и короткими (в модуле два). В результате хладагент забирает тепло от меньшего количества элементов.

Новые аккумуляторы сохранили совместимость с различными модификациями Tesla Model X и Model S. Кроме того, по словам представителей компании, новые решения, реализованные в батарее, позволили им выпустить Model 3. Хьюз показал, что конструкция подключения охлаждающей системы, а также разъёма кабелей высокого и низкого напряжения осталась прежней. Как видно на фотографиях, коннекторы можно без проблем заменить.

Аккумуляторы будущего

Как уже упоминалось выше современные батареи по принципу действия точно такие же, как те, что были разработаны в середине 19-го века.

Однако технологии не стоят на месте и, судя по всему, в самое ближайшее время для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) появятся АКБ, созданные на новых принципах. Далее они будут бегло перечислены.

• Гелевые аккумуляторы

Об этих батареях достаточно подробно было рассказано выше. Эти батареи уже продаются, и их любой может купить.

Гелевая АКБ

• Литий-ионные аккумуляторы

Эти батареи широко известны по мобильным телефонам и иным гаджетам. Однако, сегодня, существуют разработки и для автомобилей. Но, не смотря на все свои достоинства, в автотехнике данный вид АКБ не прижился из-за ряда принципиальных недостатков.

• Во-первых, они резко теряют свою мощность из-за низкой температуры.
• Во-вторых, для зарядки таких батарей требуется строгое соответствие зарядному току, что требует переделки электронной части генераторов.
• Ну и самое главное, данные АКБ имеют стоимость в 15 раз дороже обычного кислотного аккумулятора.

Литий-ионная АКБ, чешской компании Варта

• Графен-полимерные аккумуляторы

Это, пожалуй, самые перспективные батареи для использования, как в автомобилях, оснащённых ДВС, так и электрической силовой установкой. В производстве этих АКБ использованы нанотехнологии.

Эти аккумуляторы имеют поистине чудесные свойства. Они имеют ёмкость, практически в три раза больше литий-ионных и при этом на много меньшую стоимость, так как в их производстве не используется дорогостоящий литий. Кроме этого они не теряют своих свойств под действием низких температур.

Опытная графен-полимерная АКБ

Резюме: Выше перечислены только три самых раскрученных или правильней будет сказать, распиаренные технологии.

В мире ведутся работы над батареями, известно что в разработке более тридцати новых схем. Не исключено, что среди этих ещё испытывающихся аккумуляторов могут оказаться некоторые с ещё более интересными свойствами. Как говорится поживем — увидим.