Что такое АКБ в машине: устройство и принцип работы автомобильного аккумулятора

Любая автономная энергосистема должна состоять из источника электроэнергии и накопителя, обеспечивающего энергоснабжение потребителей, когда генерирующие мощности отключены, или их отдача ограничена. В автомобиле эти функции выполняет аккумуляторная батарея (АКБ). Как правило, это шесть кислотных свинцовых элементов в общем корпусе, соединённых последовательно и подключённых непосредственно к бортовой сети 12 вольт постоянного тока.

Функции АКБ

Основным источником тока в автомобиле является генератор. Но этот прибор способен отдавать мощность в полном объёме, только когда двигатель работает, причём как минимум на средних оборотах. В режиме холостого хода его отдачи может не хватать даже на обеспечение части штатных потребителей. Чтобы исключить связанное с перегрузкой падение напряжения в бортовой сети, необходим буферный источник, способный пополнять свои запасы при избытке мощности генератора и отдавать энергию потребителям, когда его способностей не хватает. Это и будет одной из ролей аккумулятора в системе.

Второй функцией батареи стало обеспечение пуска мотора. Используемый для этого стартёр при относительно низком напряжении потребляет значительный ток. Отсюда и требование к АКБ быть не просто резервным помощником генератора, а иметь способность работать в стартёрном режиме, то есть кратковременно выдавать токи порядка нескольких сотен ампер. Далеко не каждый аккумулятор на такое способен, поэтому в обозначении типа батареи всегда указывается, что она стартёрная. Это накладывает значительные ограничения на применяемые при её производстве технологии.

Состав и конструкция автомобильного аккумулятора

АКБ включает в себя следующие функциональные элементы:

• Корпус батареи. Изготовлен из прочного кислотостойкого пластика. Верхняя часть корпуса выполнена в виде крышки, на которой расположены перемычки между отдельными аккумуляторными элементами (банками), герметизирующая заливка, пробки, вентиляция и клеммные наконечники. Банки внутри корпуса разделены герметичными переборками.
• Электроды. В каждой банке их два набора, положительные и отрицательные. Материалом электродов служит свинцовый сплав различного состава, в зависимости от применяемой технологии. Увеличенная отдача в стартёрном режиме требует большой эффективной площади электродов, поэтому каждый из них состоит из нескольких пластин, расположенных в шахматном порядке по всему объёму банки. Электроды снабжены токосъёмниками, объединяющими одноимённые полюса и выведенными наверх, к токовым перемычкам между банками.
• Сепараторы. Располагаются между электродами и предотвращают возможные замыкания. Выполнены из пористого материала, хорошо пропитывающегося электролитом.
• Электролит. Представляет собой раствор чистой серной кислоты в дистиллированной воде. Обеспечивает электрохимические реакции на поверхности электродов. Плотность электролита строго определена при заливке и в дальнейшем зависит от степени заряженности батареи. Уровень электролита в каждой банке имеет нормированный допуск и должен контролироваться при эксплуатации. При этом расходу подвержена только испаряющаяся из раствора вода, которую и следует доливать.

Возможны разные исполнения аккумуляторов. В зависимости от материала электродов, они могут быть малообслуживаемыми или герметичными необслуживаемыми. В этом случае вентиляция и долив жидкости в эксплуатации не предусмотрены, пробки залиты пластмассой или отсутствуют.

Встречаются более дорогие и совершенные гелевые аккумуляторы. В них электролит находится в виде желеобразного геля, что обеспечивает дополнительный срок службы и высокие технические характеристики. Электроды имеют спиральную конструкцию, между ними располагаются сепараторы из стекловолокна, наполненные гелевым электролитом.

Параметры аккумуляторов

Применение АКБ в конкретном автомобиле потребует его соответствия по ряду технических характеристик, как электрических, так и чисто геометрических.

• Электрическая ёмкость батареи. Строго говоря, данное свойство аккумулятора требует указания в виде возможности накопления определённого количества энергии. Но такой параметр стал применяться лишь для тяговых батарей электромобилей, где он и указан в киловатт-часах.Напряжение бортовой сети подавляющего большинства обычных машин фиксировано в 12-вольтовом стандарте, поэтому исторически сложилось указывать ёмкость в ампер-часах. Упрощённо каждая такая единица означает способность заряженного аккумулятора отдавать ток в 1 ампер на протяжении одного часа. Установка батареи недостаточной ёмкости на автомобиль может привести к внезапному отказу из-за глубокого разряда на большое количество потребителей. Величина ёмкости определяется разработчиком автомобиля при расчёте его энергетического баланса.
• Максимальный пусковой ток. Этот параметр особенно важен при холодном запуске двигателя. Низкие температуры способствуют снижению эффективной ёмкости батареи и её возможности отдавать большие токи в стартёрном режиме. Одновременно растёт сопротивление замёрзшего двигателя проворачиванию коленчатого вала. Поэтому для регионов с холодным климатом и экстремальными зимними температурами следует обращать особое внимание именно на эту характеристику АКБ.

• Рабочее напряжение аккумулятора. До появления современных кальциевых электродов этот параметр особой смысловой нагрузки не нёс. Все АКБ были одинаковыми, и напряжение автомобильного генератора было адаптировано на нужном им уровне. Сейчас новым батареям требуется чуть больший уровень бортовой сети. Разработчики автомобилей это учли, но возможна неизбежная путаница переходного периода. Страшного ничего не произойдёт, но старый аккумулятор на новом автомобиле будет перезаряжаться и выкипать, а в обратной ситуации возможен хронический недозаряд батареи. Вопрос может решить любой грамотный автоэлектрик.
• Полярность и геометрия выходных клемм. При установке аккумулятора с иной полярностью (для легковых машин плюсовая клемма может находиться справа или слева с длинной стороны корпуса) может не хватить длины подводящих проводов или вообще установка станет невозможной. Это надо учитывать при покупке АКБ, как и совместимость самих клемм. Возможны разные варианты, клеммы могут быть коническими, цилиндрическими, толстыми, тонкими, выступать за пределы корпуса или быть в нём утоплены. Поскольку сейчас практически всегда аккумуляторы принято покупать с зачётом стоимости старого, то такие ситуации легко разрешаются в торговой организации.
• Размеры корпуса. Немаловажный фактор, поскольку батарея должна быть надёжно закреплена на штатном месте. Возможны разные конструктивные особенности крепления, их надо учитывать. Это вопрос безопасности, следует помнить, что в аккумуляторе заключена немалая энергия и залит агрессивный раствор серной кислоты.

Принцип действия аккумулятора

В элементах батареи между сернокислотным электролитом и свинцовыми электродами непрерывно протекают электрохимические реакции. При разряде в результате обмена ионами часть кислоты превращается в воду, и плотность электролита падает. Зависимость плотности и уровня заряженности настолько точная, что зная исходное значение плотности можно определить степень заряда с помощью ареометра. На этом же принципе основано действие индикатора заряда, всем известного «зелёного глаза» на верхней крышке корпуса некоторых батарей. Хотя верить ему не стоит, это обычный цветной поплавок, которому не известны исходные характеристики электролита. Плотность изменяется не только от заряженности.

При заряде происходит обратный процесс, плотность растёт. Побочными явлениями будут увеличение температуры и выделение газов. В необслуживаемых АКБ предусмотрено растворение газа в электролите. Но в случае превышения штатных режимов, корпус герметичного аккумулятора может распереть внутренним давлением. А те же процессы в вентилируемых корпусах вызовут интенсивное кипение и испарение воды, недостаток которой потребует восполнения. Батареи со сниженным уровнем быстро сульфатируются и выходят из строя.

Бережное обращение с АКБ

Если помнить о наличии аккумулятора под капотом и уделять ему хотя бы минимум внимания, то он проработает значительно дольше, чем обделённая заботой батарея. В идеале стоит прочитать правила эксплуатации АКБ, но эти документы весьма пространные и мало кто на такое способен. Можно упомянуть самое важное, что стоит запомнить.

• Аккумуляторы очень не любят глубокий разряд, особенно в холодное время года. Условия зарядки при коротких зимних поездках с холодным двигателем критические, а энергии при пусках забирается очень много. За этим надо следить и подзаряжать АКБ от внешнего источника. Просто подержать двигатель на холостых оборотах ничего не даст.
• При длительных перерывах в вождении аккумулятор лучше подзарядить, а хранить автомобиль надо со снятой клеммой. В электросхеме машины масса потребителей, которые не отключаются после вынимания ключа.
• Надо регулярно контролировать напряжение в сети автомобиля. При частично неисправном генераторе оно может быть заниженным или нестабильным, что постепенно разрядит аккумулятор. А при низкой плотности электролита и сильном морозе в батарее образуется лёд и восстановить её уже не получится.
• Перезаряд тоже вреден, хотя в современном автомобиле такое можно устроить разве что умышленно. Не стоит пользоваться зарядными устройствами с неизвестным принципом действия. Как минимум, надо проконсультироваться у автоэлектрика.

Видео: Источники тока. Аккумулятор