Автомобильный аккумулятор - Automotive battery

Типичный свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор на 12 В, 40 Ач

Автомобильный аккумулятор или автомобильный аккумулятор является аккумуляторной батареей , которая используется для запуска двигателя автомобиля . Его основная цель - подавать электрический ток на пусковой двигатель с электрическим приводом, который, в свою очередь, запускает двигатель внутреннего сгорания с химическим приводом, который фактически приводит в движение транспортное средство. Когда двигатель работает, питание электрических систем автомобиля по-прежнему обеспечивается аккумулятором, а генератор подзаряжает аккумулятор по мере увеличения или уменьшения потребности.

Аккумулятор в современных автомобилях

Бензиновый и дизельный двигатель

Обычно при запуске используется менее трех процентов емкости аккумулятора. По этой причине автомобильные аккумуляторы рассчитаны на передачу максимального тока в течение короткого периода времени. По этой причине их иногда называют «батареями SLI» для запуска, освещения и зажигания. Батареи SLI не рассчитаны на глубокую разрядку, и полная разрядка может сократить срок их службы.

Аккумулятор SLI не только запускает двигатель, но и обеспечивает дополнительную мощность, необходимую, когда электрические требования автомобиля превышают мощность системы зарядки. Это также стабилизатор, сглаживающий потенциально опасные скачки напряжения . Пока двигатель работает, большая часть энергии обеспечивается генератором переменного тока, который включает в себя регулятор напряжения для поддержания выходной мощности в диапазоне от 13,5 до 14,5 В. Современные аккумуляторы SLI являются свинцово-кислотными , с использованием шести последовательно соединенных ячеек для обеспечения номинального напряжения 12. -вольтная система (в большинстве легковых автомобилей и легких грузовиков) или двенадцать ячеек для 24-вольтовой системы, например, в тяжелых грузовиках или землеройном оборудовании.

Взрывы газа могут произойти на отрицательном электроде, где может накапливаться газообразный водород из-за заблокированных вентиляционных отверстий батареи или плохой вентиляции в сочетании с источником воспламенения. Взрывы при запуске двигателя обычно связаны с корродированными или грязными клеммами аккумуляторной батареи. Исследование, проведенное в 1993 году Национальным управлением безопасности дорожного движения США, показало, что 31% травм от взрыва автомобильных аккумуляторов происходит во время зарядки аккумулятора. Следующие наиболее распространенные сценарии были при работе с кабельным подключением, при запуске от внешнего источника, как правило, из-за невозможности подключения к разряженной батарее до источника зарядки и невозможности подключения к шасси автомобиля, а не напрямую к заземленному полюсу аккумулятора, и во время проверка уровня жидкости. Около двух третей раненых получили химические ожоги, а почти три четверти получили травмы глаз, среди других возможных травм.

Электрические и гибридные автомобили

Электромобили (EV) питаются от высоковольтной аккумуляторной батареи электромобиля , но обычно у них есть и автомобильный аккумулятор, поэтому они могут использовать стандартные автомобильные аксессуары, рассчитанные на работу от 12 В. Их часто называют вспомогательными. батареи.

В отличие от обычных транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания, электромобили не заряжают вспомогательную батарею с помощью генератора переменного тока - вместо этого они используют преобразователь постоянного тока в постоянный для понижения высокого напряжения до требуемого напряжения плавающего заряда (обычно около 14 В). .

История

Ранние автомобили не имели батарей, так как их электрические системы были ограничены. Вместо электрического гудка использовался звонок, фары работали на газе, двигатель запускался кривошипом . Автомобильные аккумуляторы стали широко использоваться примерно в 1920 году, когда автомобили стали оснащаться электрическими стартерными двигателями . Герметичный аккумулятор, не требующий дозаправки, был изобретен в 1971 году.

Первые системы запуска и зарядки были спроектированы как системы с напряжением 6 В и положительным заземлением , при этом шасси автомобиля было напрямую подключено к положительной клемме аккумуляторной батареи. Сегодня почти все дорожные транспортные средства имеют отрицательную систему заземления. Отрицательный полюс аккумуляторной батареи подключается к шасси автомобиля .

Компания Hudson Motor Car была первой, кто использовал стандартизированные батареи в 1918 году, когда они начали использовать батареи Battery Council International . BCI - это организация, которая устанавливает стандарты размеров для аккумуляторов.

В автомобилях до середины 1950-х годов использовались электрические системы и аккумуляторы на 6 В. Переключение с 6 на 12 В произошло, когда более мощным двигателям с более высокой степенью сжатия требовалось больше электроэнергии для запуска. Меньшие автомобили, которым для запуска требовалось меньше мощности, дольше оставались на 6 В, например Volkswagen Beetle в середине 1960-х и Citroën 2CV в 1970 году.

В 1990-х годах был предложен стандарт электрической системы на 42 В. Он был предназначен для установки более мощных аксессуаров с электрическим приводом и более легких автомобильных жгутов проводов. Доступность двигателей с более высоким КПД, новых методов подключения и цифрового управления, а также ориентация на гибридные автомобильные системы, в которых используются высоковольтные стартеры / генераторы, в значительной степени устранили необходимость переключения основных напряжений в автомобиле.

Дизайн

Автомобильная батарея - это пример батареи с мокрыми ячейками с шестью ячейками. Каждая ячейка свинцовой аккумуляторной батареи состоит из чередующихся пластин, изготовленных из сетки из свинцового сплава, заполненной губчатым свинцом ( катодные пластины) или покрытой диоксидом свинца ( анод ). Каждая ячейка заполнена раствором серной кислоты, который является электролитом. Первоначально каждая ячейка имела крышку заливной горловины, через которую можно было наблюдать за уровнем электролита и которая позволяла добавлять воду в ячейку. В крышке заливной горловины было небольшое вентиляционное отверстие, которое позволяло газообразному водороду, образующемуся во время зарядки, выходить из ячейки.

Ячейки соединены короткими тяжелыми ремнями от положительных пластин одной ячейки к отрицательным пластинам соседней ячейки. Пара тяжелых клемм, покрытых свинцом для защиты от коррозии, монтируется наверху, а иногда и сбоку батареи. В ранних автомобильных батареях использовались жесткие резиновые корпуса и разделители из деревянных пластин. В современных устройствах используются пластиковые корпуса и тканые листы для предотвращения соприкосновения пластин ячейки и короткого замыкания.

В прошлом автомобильные аккумуляторы требовали регулярного осмотра и обслуживания для замены воды, которая разлагалась во время работы аккумулятора. В батареях, не требующих особого ухода (иногда называемых «не требующими обслуживания»), пластинчатые элементы используются из другого сплава, что снижает количество воды, разлагающейся при зарядке. Современному аккумулятору может не потребоваться дополнительная вода в течение срока его службы; в некоторых типах отсутствуют отдельные крышки заливной горловины для каждой ячейки. Слабым местом этих аккумуляторов является то, что они очень нетерпимы к глубокому разряду, например, когда автомобильный аккумулятор полностью разряжен, оставив включенным свет. Это покрывает свинцовые пластинчатые электроды отложениями сульфата свинца и может сократить срок службы батареи на треть или более.

Батареи VRLA , также известные как батареи из абсорбированного стекломата (AGM), более устойчивы к глубокому разряду, но стоят дороже. Батареи VRLA не допускают добавления воды в элемент. Каждая ячейка имеет автоматический клапан сброса давления для защиты корпуса от разрыва при сильной перезарядке или внутреннем выходе из строя. Аккумулятор VRLA не может пролить свой электролит, что делает его особенно полезным в транспортных средствах, таких как мотоциклы.

Батареи , как правило , изготовлены из шести гальванических элементов в последовательной цепи . Каждая ячейка обеспечивает 2,1 вольт, что в сумме составляет 12,6 вольт при полной зарядке. Во время разряда 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 приводит в движение электроны через провод внешней цепи (электрический проводник ), чтобы произвести электрический ток ( электричество ). Когда аккумулятор разряжается , кислота электролита вступает в реакцию с материалами пластин, изменяя их поверхность на сульфат свинца . Когда аккумулятор перезаряжается , химическая реакция меняется на противоположную: сульфат свинца превращается в диоксид свинца. После восстановления исходного состояния пластин процесс можно повторить.

В некоторых автомобилях используются другие стартерные батареи. Porsche 911 GT3 RS 2010 года оснащен литий-ионным аккумулятором в качестве опции для снижения веса. Тяжелые автомобили могут иметь две последовательно соединенные батареи для системы 24 В или могут иметь последовательно-параллельные группы батарей, питающих 24 В.

Характеристики

Физический формат

Батареи сгруппированы по физическому размеру, типу и размещению клемм, а также по способу монтажа.

Ампер-часы (Ач)

Ампер-часы (Ач или А · ч) - это единица измерения, связанная с емкостью аккумуляторов энергии. Этот рейтинг требуется по закону в Европе.

Номинальный ток в ампер-часах обычно определяется как произведение (ток, который батарея может обеспечить в течение 20 часов с постоянной скоростью, при 80 градусах F (26,6 ° C), в то время как напряжение падает до 10,5 вольт), умноженное на 20 часов. Теоретически при температуре 80 градусов по Фаренгейту батарея на 100 Ач должна быть способна непрерывно обеспечивать 5 ампер в течение 20 часов, сохраняя при этом напряжение не менее 10,5 вольт. Важно понимать, что зависимость между емкостью Ач и скоростью разряда не является линейной; по мере увеличения скорости разряда емкость уменьшается. Батарея с номиналом 100 Ач обычно не сможет поддерживать напряжение выше 10,5 вольт в течение 10 часов, будучи разряженной с постоянной скоростью 10 ампер. Емкость также уменьшается с температурой.

Сила тока пуска (CCA, CA, MCA, HCA)

  • Амперы холодного пуска (CCA): количество тока, которое батарея может обеспечить при температуре 0 ° F (-18 ° C) в течение 30 секунд при поддержании напряжения не менее 7,2 вольт. Современные автомобили с двигателями с впрыском топлива, управляемыми компьютером, запускаются не более чем за несколько секунд, а показатели CCA менее важны, чем раньше. Важно не путать CCA с числами CA / MCA или HCA, поскольку последние всегда будут выше из-за более высоких температур. Например, батарея 250 CCA будет иметь больше пусковой мощности, чем батарея 250 CA (или MCA), и точно так же батарея 250 CA будет иметь больше, чем батарея 250 HCA.
  • Пусковой ток (CA): величина тока, которую батарея может обеспечить при 32 ° F (0 ° C), снова в течение 30 секунд при напряжении, равном или превышающем 7,2 вольт.
  • Судовые амперы запуска (MCA): как и CA, количество тока, которое батарея может обеспечить при 32 ° F (0 ° C), и часто встречается в батареях для лодок (отсюда «морские») и садовых тракторов, которые с меньшей вероятностью эксплуатироваться в условиях, где может образовываться лед.
  • Амперы горячего пуска (HCA) - это сила тока, которую батарея может обеспечить при 80 ° F (27 ° C). Номинальный ток определяется как ток, который свинцово-кислотный аккумулятор при этой температуре может выдавать в течение 30 секунд и поддерживать не менее 1,2 В на элемент (7,2 В для 12-вольтовой батареи).

Минуты резервной емкости (RCM или RC)

Способность аккумулятора выдерживать минимальную заявленную электрическую нагрузку; он определяется как время (в минутах), в течение которого свинцово-кислотная батарея при температуре 80 ° F (27 ° C) будет непрерывно выдавать 25 ампер, прежде чем ее напряжение упадет ниже 10,5 вольт.

Размер группы

Размер группы Battery Council International (BCI) определяет физические размеры батареи, такие как длина, ширина и высота. Эти группы определяются организацией.

Коды дат

  • В Соединенных Штатах есть коды на батареях, чтобы помочь потребителям купить недавно произведенные батареи. Когда батареи хранятся, они начинают терять заряд; это происходит из-за не протекающих по току химических реакций электродов с аккумуляторной кислотой. Батарея, произведенная в октябре 2015 года, будет иметь цифровой код 10-5 или буквенно-цифровой код K-5. «A» - январь, «B» - февраль и т. Д. (Буква «I» пропускается).
  • В Южной Африке код на батарее, указывающий дату производства, является частью корпуса и отлит в нижнем левом углу крышки. Код представляет собой номер года и недели (YYWW), например, 1336 соответствует 36 неделе в 2013 году.

Использование и обслуживание

Избыточное тепло является основной причиной отказов батареи, например, когда электролит испаряется из-за высоких температур, уменьшая эффективную площадь поверхности пластин, контактирующих с электролитом, и приводя к сульфатации. Скорость коррозии сетки увеличивается с температурой. Также низкие температуры могут привести к выходу из строя аккумулятора.

Если батарея разряжается до точки , где она не может запустить двигатель, двигатель может быть запущена от через внешний источник энергии. После запуска двигатель может перезарядить аккумулятор, если генератор и система зарядки не повреждены.

Коррозия на клеммах аккумулятора может помешать запуску автомобиля из-за электрического сопротивления , чего можно избежать, правильно нанеся диэлектрическую смазку .

Сульфатирование - это когда электроды покрываются твердым слоем сульфата свинца, который ослабляет аккумулятор. Сульфатирование может произойти, когда аккумулятор не полностью заряжен и остается разряженным. Сульфатные батареи следует заряжать медленно, чтобы предотвратить повреждение.

Аккумуляторы SLI (пусковые, осветительные и зажигательные) не предназначены для глубокого разряда, и их срок службы сокращается при воздействии этого.

Пусковые батареи имеют пластины, предназначенные для увеличения площади поверхности и, следовательно, высокой мгновенной способности к току, в то время как морские (гибридные) батареи и типы с глубоким циклом будут иметь более толстые пластины и больше места в нижней части пластин для сбора отработанного пластинчатого материала перед закорачиванием элемента.

Автомобильные аккумуляторы, в которых используются свинцово-сурьмянистые пластины, требуют регулярного доливания чистой воды для восполнения потерь воды из-за электролиза и испарения. За счет замены легирующего элемента на кальций в более поздних конструкциях снизилась скорость потери воды. Современные автомобильные аккумуляторы требуют меньшего обслуживания и могут не иметь колпачков для добавления воды в элементы. Такие батареи содержат дополнительный электролит над пластинами, чтобы учесть потери в течение срока службы батареи.

Некоторые производители аккумуляторов включают встроенный ареометр, показывающий состояние заряда аккумулятора.

Положительный (красный) соединительный кабель, подключенный к клемме аккумулятора. Дополнительное окошко ареометра видно с помощью одинарного зажима-перемычки. Черная отрицательная перемычка не показана.

Основным механизмом износа является отделение активного материала от пластин батареи, который накапливается на дне элементов и может в конечном итоге вызвать короткое замыкание пластин. Это можно существенно уменьшить, поместив один набор пластин в пластиковые разделительные пакеты, сделанные из проницаемого материала. Это позволяет электролиту и ионам проходить сквозь них, но не дает накопившемуся шламу перекрывать пластины. Шлам в основном состоит из сульфата свинца, который образуется на обоих электродах.

Воздействие на окружающую среду

Утилизация автомобильных аккумуляторов снижает потребность в ресурсах, необходимых для производства новых аккумуляторов, улавливает токсичный свинец со свалок и предотвращает риск неправильной утилизации. Когда свинцово-кислотная батарея перестает держать заряд, она считается использованной свинцово-кислотной батареей (ULAB), которая классифицируется как опасные отходы в соответствии с Базельской конвенцией . По данным Агентства по охране окружающей среды США, автомобильный аккумулятор на 12 В является наиболее перерабатываемым продуктом в мире . Только в США заменяется около 100 миллионов автомобильных аккумуляторов в год, и 99 процентов из них сдаются на переработку. Однако переработка может осуществляться неправильно в нерегулируемых условиях. В рамках глобальной торговли отходами ULAB отправляются из промышленно развитых стран в развивающиеся страны для разборки и восстановления содержимого. Можно восстановить около 97 процентов свинца. По оценкам Pure Earth , более 12 миллионов жителей третьего мира пострадали от загрязнения свинцом в результате переработки ULAB.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки