Акумулятори для автомобілів. АКБ.

Інженерам "від сохи" і прапор Радянської Армії присвячується ...

Висловлюю щиру подяку кувалдою (Kuvalda.spb.ru Ушкалов Євген Юрійович)
за підтримку і побудітельство мене: згадати молодість, згадати,
що я все-таки фізик і хімік, і взятися за старе:

Перш за все, вважаю обов'язком відзначити, що (не дивлячись на мої старання) нижченаведені міркування засновані на фундаментальних науках, а тому вимагають все ж деяких зусиль для осмислення. Які не бажають докладати ці зусилля, а також тим, хто плутає напруга і ємність, читати не рекомендується - бережіть себе!

Для ясності викладу, і не бажаючи перевантажувати текст занадто складними поняттями термодинаміки та хімічної кінетики, далеко виходять за рамки загальних курсів фізики та хімії технічних вузів, я дозволю собі деякі спрощення (у всіх випадках коректні), які (ні в якому разі) не братимуть суперечити істині - заздалегідь приношу свої вибачення перфекціоністам. Точні викладки всі бажаючі можуть виконати самостійно - вся необхідна література є в будь-який науково-технічній бібліотеці

плутанина

Мої дискусії на сторінках уазовской конфи, ясно продемонстрували, що не всі учасники автомобілізації країни чітко уявляють собі що ж таке акумуляторна батарея. Щоб бути зрозумілим вірно, постараюся визначити поняття з якими буду мати справу.

Батарея (АКБ)

Набір осередків (банок), з'єднаних послідовно в кількості шести. У тексті на правах синонімів використовуються слова "акумулятор" і АКБ.
Осередок, вона ж "банку" - елементарний елемент акумулятора, що складається як мінімум (реально більше 10) з однієї пари активних пластин Pb - PbO2, залитих електролітом.

напруга

Те, що вимірюється на клемах АКБ шляхом підключення тестера або напряжеметром, який знаходиться на приладовій панелі. Виключно зовнішня характеристика. Залежить від безлічі факторів, як зовнішніх по відношенню до АКБ, так і внутрішніх.

Загалом то, напруга це єдина нормально яка вимірюється величина, асоційована з АКБ. Нічого іншого нормально поміряти не вдається. Ні ємність. Ні реальний струм. Ні внутрішній опір, ні ЕРС

ЕРС

Суто внутрішня характеристика осередку АКБ, на жаль найдраматичнішим чином впливає на зовнішні прояви АКБ.

Величина ЕРС визначається рівноважним станом реакції основних реагентів. У нашому випадку це

Pb + PbO2 + 2H2SO4 (-) + 2H (+) = 2PbSO4 + 2H2O.

Визначити її формально досить складно - для цього потрібне застосування складних термодинамічних розрахунків термодинамічної стану системи, але в інженерній практиці застосовується інженерна формула, що забезпечує інженерну точність для свинцевих акумуляторів в діапазоні щільності електоліта 1.1-1.3 кг / л

E = 0.85 + P де Р - щільність електоліта.

Застосовуючи її для визначення ЕРС при стандартному значенні щільності електроліту автомобільного акумулятора 1.27 отримуємо значення 2.12В на банку або 12.7В на АКБ.
Для перфекціоністів. Шукати тут розмірність безглуздо - як в більшості формул для спрощених інженерних розрахунків.

У практичному сенсі ця формула нам ще стане в нагоді.
З точністю, нас тут цікавить, ніякі інші фактори на величину ЕРС не впливають. Залежність ЕРС від температури оцінюється тисячними вольта на градус, ніж очевидно можна знехтувати.
Всі легуючі добавки та інше срібло дійсно покращують експлуатаційні характеристики (підвищують стабільність, збільшують термін служби, знижують внутрішній опір) але не впливають на ЕРС.

На жаль, в сучасному акумуляторі поміряти її можна тільки побічно і з відомими допущеннями. Наприклад, допускаючи, що струми витоку дорівнюють нулю (тобто АКБ чистий і сухий зовні, не має тріщин і протікання всередині між банками, що в електроліті немає солей металів, а опір вимірювального приладу нескінченно).

Для вимірювань з цікавій для нас точністю, досить просто від'єднати АКБ від всіх споживачів (зняти клему) і скористатися цифровим мультиметром (тут треба мати на увазі, що клас точності більшості цих приладів не дозволяє визначити справжнє значення, роблячи їх придатними лише для відносних вимірювань).

внутрішній опір

Величина грає ключову роль в нашому сприйнятті дійсності АКБ.
Саме завдяки йому, точніше його збільшення, відбуваються всі неприємності, пов'язані з АКБ.

Спрощено це можна уявити як підключений послідовно з акумулятором резистор, деякого опору:

Величина, яку неможливо не помацати, ні поміряти. Залежить вона від конструктивних особливостей АКБ, ємності, ступеня його розрядженого, наявності сульфатации пластин, внутрішніх обривів, концентрації електроліту і його кількості і, звичайно ж, температури. На жаль, внутрішній опір залежить не тільки від "механічних" параметрів, але і від струму, при якому працює АКБ.

Чим АКБ більше, тим внутрішній опір менше. У новій АКБ 70-100 Ач величина внутрішнього опору близько 3-7 мОм (при нормальних умовах).

При зниженні температури швидкість обміну хімічних реакцій падає, а внутрішній опір, відповідно, зростає.

У нового акумулятора внутрішній опір найменше. В основному воно визначається конструкцією струмопровідних елементів і їх опором. Але в процесі експлуатації починають накопичуватися незворотні зміни - зменшується активна поверхню пластин, з'являється сульфатация, змінюються властивості електроліту. І опір починає зростати.

струм витоку

Присутній в акумуляторі будь-якого типу. Буває внутрішнім і зовнішнім.

Зовнішній струм витоку визначається перш за все якістю ланцюгів, підключених до батареї (відсутністю паразитних споживачів в цих ланцюгах) і чистотою поверхні батареї.

Внутрішній струм витоку невеликий і для сучасної батареї 100Аг становить близько 1 мА (приблизно еквівалентно втрати 1% ємності в місяць) Його величина визначається чистотою електроліту, особливо ступенем забрудненості його солями металів.

Треба зауважити, що зовнішні струми витоку через бортову мережу автомобіля, істотно вищі за внутрішні справного АКБ.

процеси

Небажаючі "вдаватися" можуть пропустити цей розділ і перебратися прямо до розділу Практика

розряд акумулятора

При розряді акумулятора генерується струм за рахунок осадження SO4 на пластинах, в зв'язку з чим знижується концентрація електроліту і поступово підвищується внутрішній опір.

Характеристики розряду АКБ.
Верхня крива відповідає току десятигодинного розряду
Нижня - тригодинного

При повному розряді практично вся активна маса перетворюється в сірчанокислий свинець. Саме тому довге перебування в стані розрядки згубно для акумулятора. Щоб уникнути сульфатации необхідно якомога швидше провести зарядку батареї.

При цьому, чим більше в АКБ електроліту (щодо маси свинцю) тим менше знижується ЕРС комірки. Для розрядженого на 50% акумулятора падіння ЕРС становить близько 1%. Крім того, "запас" електроліту у різних виробників різний, тому і зниження ЕРС, так само як і щільності електроліту буде відрізнятися.

Через незначного зниження ЕРС практично неможливо визначити ступінь розрядженого батареї, просто вимірюючи напругу на ній (для цього існують навантажувальні вилки, що задають значний струм). Особливо застосовуючи штатний напряжеметр (прилад це не є вольтметром в точному розумінні цього слова - швидше індикатором напруги) автомобіля.

Максимальний струм, який здатна забезпечити батарея в основному залежить від активної поверхні пластин, а її ємність від активної маси свинцю. При цьому більш товсті пластини можуть бути навіть менш ефективні, оскільки "внутрішні шари свинцю при цьому важко зробити" активними ". Крім того, є потреба у додатковому електроліт.
Чим більше пористої ухитрився зробити виробник пластину, тим більший струм вона здатна забезпечити.

Тому все батареї, побудовані за подібною технологією забезпечують приблизно однакові стартові струми, але важчі можуть забезпечити більшу ємність при порівнянних розмірах.

зарядка Батареї

Процес зарядки батареї полягає в електрохімічному розкладанні PbSO4 на електродах під впливом постійного струму зовнішнього джерела.
Процес заряду повністю розрядженого батареї схожий на процес розряду як би "перевернутий" догори ногами.

Спочатку струм заряду обмежений лише здатністю джерела генерувати необхідний струм і опором струмопровідних елементів. Теоретично він обмежений тільки кінематикою процесу розчинення (швидкістю з якою продукти реакції виводяться з активної зони). Потім, у міру "розчинення" молекул сірчаної кислоти, ток знижується.

Якби можна було знехтувати побічними процесами, при повній зарядці батареї струм став би дорівнює нулю. Акумулятор перестає "приймати" заряд. На жаль в реальному батареї завжди є струм витоку і вода. Для компенсації струму витоку застосовується постійний підзаряд батареї.

Стандартно свинцеву АКБ рекомендують заряджати використовуючи джерело напруги.
Рекомендоване напрузі заряду на одну клітинку (за даними VARTA) становить приблизно 2.23В або 13.4В на всю батарею. Більш висока напруга заряду призводить до більш швидкого накопичення заряду, але одночасно збільшує кількість розкладається води.

легенда:
"Перезарядження" акумулятор псується і втрачає ємність.
Дійсно Ni-Cd акумулятори псуються (втрачають ємність) при тривалому перезаряді, чого не відбувається зі свинцевими. Свинцеві при заряді великими напруженнями тільки втрачають воду (википає саме вода) - в широких межах процес повністю звернемо простим додаванням води. При тривалим підзаряді "правильним" напругою (2.23В) втрат води не відбувається.

На щастя для нас, свинцевий акумулятор не псується в режимі безперервного підзаряду. Навпаки, цей режим всіляко заохочується і рекомендується. Тому на автомобілі (і у всіх інших випадках промислового використання) свинцеві АКБ знаходяться в режимі постійної підзарядки при напружених в межі 2.23 - 2.4В на осередок.

Чим більша напруга підзарядки, тим більше розкладається води. Частина іонів кисню і водню залишається в розчині, забезпечуючи йому надмірну провідність (підвищуючи тим самим паразитний струм), частина виводиться у вигляді газу. Акумулятор "кипить".

З малюнка видно, що при збільшенні надмірної напруги на акумуляторі в два рази, ток підзарядки зростає в десять разів, що призводить до невиправданого витраті води і передчасного виходу АКБ з ладу.

Для сучасного акумулятора ток оптимальний струм підзаряду близько 15 мА (що якраз і відповідає напрузі підзаряду в 2.23В на осередок). При такому струмі вода, розкладається при електролізі, "встигає" рекомбинировать в розчині і не втрачається - тобто процес може тривати нескінченно довго (в інженерному сенсі).

Практика

Напруга на АКБ

Багато хто плутає напруга на батареї з ЕРС акумулятора. Як вже зазначалося, ці величини взаємопов'язані, але не тотожні. Тут колосальну роль відіграє внутрішній опір.

Наприклад при розряді стартерний струмами, позначеними близько 400 А, внутрішній опір в 4 мОм відповідно до закону Ома перетворюється в падіння напруги в 1.6 В, опір поляризації додає ще близько 0.5В - і це на самому початку розряду. Наведені дані відповідають новим АКБ ємністю близько 100 Ач. Для старих, застарілих батарей або батарей меншої ємності втрати будуть більші. Для батареї в 50 Ач того ж типу потер приблизно вдвічі більше.

При заряді від генератора (який прикидається джерелом напруги, насправді будучи джерелом струму, придушенням регулятором), напруга повинна відповідати умовам швидкого зарядження і визначається реле регулятором.

Оскільки середній пробіг автомобіля недостатній для повної зарядки акумулятора, застосовується компромісне значення напруги, декілька що перевищує оптимальне значення підзарядки в 2.23В на банку або 13.38 на батарею, але дещо менше, ніж напруга швидкої підзарядки в 2.4В (14.4В на батарею). Оптимальним вважається значення 13.8-14.2В. При цьому втрати води залишаються прийнятними, а акумулятор отримує достатньо повний заряд при середньостатистичному пробігу.

Старіння (розряд) АКБ призводить до того, що напруга, яке він здатний забезпечити під навантаженням падає за рахунок великих втрат на внутрішньому опорі, при тому, що без навантаження його значення залишається практично тотожним новому (повністю зарядженого). Тому визначити стан АКБ просто вольтметром практично не представляється можливим.

Різні типи батарей можуть мати різну щільність електроліту. При цьому ЕРС (і відповідно напруга розімкнутого акумулятора) може дещо відрізнятися для різних батарей. При цьому розряджена батарея з більшою щільністю електроліту може видавати більше значення напруги, ніж повністю заряджена батарея з меншою щільністю електроліту.

легенда:
Напруга на АКБ залежить від температури.
Напруга отсоединенного акумулятора практично не залежить від температури. Залежить внутрішній опір і кількість збереженої енергії. Стартер погано крутить через велику падіння напруги на внутрішньому опорі, а обмеження часу роботи стартера пов'язано зі зниженою ємністю акумулятора через зниженою активності хімічних реакцій.

з'єднання АКБ

Саме ця тема і змусила мене взятися за цей масштабний труд. Висновки, представлені тут, засновані на аргументації, наведеної вище. Практичні висновки аргументації не вимагають.

легенда 1
Автомобільні акумулятори з'єднувати паралельно можна, оскільки при цьому акумулятор, що володіє великою напругою буде постійно дозаряджати акумулятор з меншою напругою. Відповідно один буде постійно перезаряджаючи, а інший розряджений.

У цій легенді присутній кілька фактичних і понятійних помилок.

Осередок АКБ утворюється декількома парами (або декількома десятками пар) пластин, серединними паралельно для підвищення ефективної поверхні елемента. Так що паралелізм закладений в основі технології акумулятора.

Напруга на акумуляторі при відсутності навантаження умовно одно його ЕРС.
Як відомо, величина ЕРС практично не залежить ні від яких зовнішніх і внутрішніх параметрів, крім щільності електроліту. Ця величина не залежить ні від ємності АКБ, ні від пористості електрода, ні від легуючих добавок, ні від матеріалу струмоведучих частин. Також слабо вона залежить від ступеня розрядженого батареї. Тому напруга двох свинцевих автомобільних акумуляторів, що відповідають нормам буде завжди близьким. Технологічна різниця, що виникає за рахунок неточності щільності електроліту (1.27-1.29 по ГОСТ, допуски VARTA на порядок менше) може бути легко визначена (див. Вище) і становить 0.02В, тобто 20 мВ.

Якщо вважати, що в момент припинення заряду (вимикання двигуна) обидва акумулятора повністю заряджені, максимально можлива різниця потенціалів на їх клемах складе 20 мВ, незалежно від їх стану, виробника та ін.

Навіть якщо припустити, що використовуються АКБ різних класів (наприклад автомобільна і промислове з щільністю електроліту 1.25), то і в цьому випадку різниця потенціалів скласти лише близько 40 мВ. Для повністю зарядженій батареї це призведе до виникнення струму електролізу близько 3-5 мА, що приблизно відповідає току витоку не дуже хорошого акумулятора.

Розряд такими струмами для батареї є несуттєвим, а перезарядка не настає.

Тепер розглянемо ситуацію, коли паралельно об'єднані два акумулятора істотно різної ємності.

На початку зарядки, коли струм може обмежувати генератора, природно припустити, що він поділиться між батареями пропорційно активної площі пластин. Тобто ступінь зарядженості акумуляторів при неповному заряді буде приблизно однаковою (короткому пробігу) .. Система буде себе вести як великий акумулятор, який не встиг дозаряда.

легенда 2
В імпортних автомобілях використовують спеціальні реле для підключення батарей додаткового обладнання (Auxiliary), щоб не поєднувати їх паралельно (Легенда 1)

Повна нісенітниця, маючи на увазі вищесказане. Це реле служить для куди більш прозаїчною мети. При великий навантаженості електросистеми автомобіля додатковим обладнанням (типу телевізор, музика великої потужності, холодильник та ін), існує велика ймовірність "посадити" акумулятор. Для того, щоб після того, як весело провів день на природі під музику, все таки поїхати, стартера батарею відключають, уникаючи тим самим її глибокого розряду.
Є старий анекдот про наших ментів, які всмак "Настрілявшись" радаром метушилися "прикурити":

Так ось цей ефект набагато значніше, ніж "перезарядки".

практичні висновки

Паралельно з'єднувати акумулятори можливо, але з огляду на наступні рекомендації.

• Не варто використовувати АКБ різних класів (наприклад автомобільні і промислові), а так само різних виконань (наприклад тропічного і арктичного) оскільки вони використовують електроліт різної щільності.
• При тривалій стоянці варто відключати АКБ не тільки від споживачів, але і друг від друга.