Аккумуляторная батарея является устройством, превращающим электрическую энергию в химическую в процессе заряда и обратно в электрическую при подключении потребителей. Она выполняет следующие основные функции: электроснабжение стартера и системы управления двигателем/системы зажигания при пуске ДВС, электроснабжение при неработающем двигателе таких потребителей, как индикатор включения стояночного тормоза, аудиомагнитола и т. д., обеспечение питания всех потребителей при недостатке развиваемой генератором мощности (в момент пиковых нагрузок). В автомобилях применяются свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. На рисунке представлено устройство типичной 12‑вольтовой аккумуляторной батареи, которая состоит из 6 элементов, называемых аккумуляторами. Каждый элемент вырабатывает напряжение 2,1 вольт (номинальное значение). В аккумуляторной батарее 6 элементов соединены между собой. Каждый элемент, или аккумулятор, состоит из нескольких деталей. Среди них основными являются: положительная пластина (анод) с активной массой из двуокиси свинца, сепаратор с высокой пористостью для свободного доступа электролита (кислоты) к активной массе электродов, отрицательная пластина (катод) с активной массой из губчатого свинца и электролит для переноса электричества. Пластины, или электроды, погружаются в электролит, которым является раствор серной кислоты. Во время заряда или разряда аккумуляторной батареи в электролите возникает движение ионов между положительными и отрицательными электродами. Это создает возможность для протекания электрического тока во внешней цепи.
Кроме того, есть ряд дополнительных деталей, как, например, пробки, межэлементные перемычки и т. д. Пробки включают в себя вентиляционные отверстия для отвода газов, образующихся при зарядке. Конструкция пробок не позволяет выходить кислоте вместе с газами. При необходимости восстановления заданного уровня электролита доливают дистиллированную воду в отверстия, закрываемые пробками. Емкость аккумуляторной батареи (АКБ) выражается в ампер-часах. Если АКБ отдает ток, равный одному амперу (1 А) в течение одного часа, ее емкость составляет 1 А×ч. Если разрядный ток в 1 А АКБ отдает в течение 100 часов, ее емкость — 100 А×ч. Для унификации расчетов емкости АКБ ее измеряют при определенных внешних условиях. Вследствие протекания химических реакций внутри каждого элемента реальная емкость АКБ зависит от условий разряда, в том числе от значения разрядного тока, продолжительности процесса разряда, допустимого напряжения на выводах АКБ, температуры окружающего воздуха и других факторов. Производители АКБ используют стандартные методы расчета характеристик своих батарей. Разряд батареи постоянным током за интервал времени, например, 10 или 20 часов, прекращают при определенном конечном напряжении на одном элементе (аккумуляторе). Так, АКБ емкостью 100 А×ч может отдавать ток в 5 А в течение 20 часов при комнатной температуре. Разрядные характеристики зависят от величины разрядного тока. Если происходит слабый разряд, АКБ имеет более высокую разрядную емкость, а значит и эффективность, по сравнению с сильным разрядным током. При последовательном соединении двух батарей их напряжения суммируются. Поэтому для получения АКБ с напряжением 24 вольта, следует две батареи напряжением 12 вольт каждая соединить последовательно. В случае параллельного соединения двух АКБ общее напряжение будет равно напряжению каждой из них, но емкость увеличится.
Цикл зарядки
Конечное напряжение
Зарядные устройства
Зарядка АКБ
Разряженное состояние АКБ
Разрядка АКБ
Заряженное состояние АКБ
Продолжительность разряда (ч)
Плотность электролита полностью заряженной АКБ равна 1,28 г/см3 (в тропических странах она может составлять 1,23 г/см3). При низких температурах скорость прохождения химических реакций в АКБ уменьшается, что приводит к снижению емкости АКБ и ухудшению холодного пуска двигателя. Напряжение одного элемента заряженной АКБ составляет примерно 2,2 вольт. АКБ считается разряженной, если напряжение аккумулятора (элемента) снижается до 1,75 вольт. В последнем случае плотность электролита равна 1,16 г/см3. Если АКБ заряжена, то положительные электроды содержат диоксид свинца PbO2, отрицательные — губчатый свинец (РВ), а электролит представляет собой водный раствор серной кислоты (Н2SO4). Когда к АКБ подключают электрическую нагрузку, начинается химическая реакция. Молекулы серной кислоты в электролите диссоциируются на положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислотного остатка и перемещаются к положительному и отрицательному электродам. В тоже время атомы кислорода, отдаваемые диоксидом свинца на положительном электроде, попадают в раствор электролита и соединяются атомами водорода с образованием воды Н2О. Перемещение ионов кислотного остатка к электродам и выделение атомов кислорода в электролит сопровождаются высвобождением энергии, которая используется для работы потребителей. В результате этой химической реакции плотность кислоты снижается, поэтому она является показателем степени заряженности АКБ. Когда АКБ полностью разряжена, на обоих электродах образуется сульфат свинца PbSO4 и раствор воды (поэтому разряженная батарея может замерзнуть). При зарядке АКБ происходит обратный процесс и PbSO4, образованный на обоих электродах, превращается в двуокись свинца PbO2 и губчатый свинец PB, а вместо воды вновь появляется серная кислота H2SO4.
Конечное напряжение
Зарядные устройства
Зарядка АКБ
Разряженное состояние АКБ
Разрядка АКБ
Заряженное состояние АКБ
Продолжительность разряда (ч)
Полностью заряженная и разряженная АКБ — это два ее предельных состояния. Чаще всего, АКБ частично заряжена или разряжена. Например, АКБ может быть разряжена на 25%. Это означает, что химическая реакция затронула только 25% активной массы АКБ, а остальные 75% пребывают в исходном состоянии. Если АКБ полностью заряжена, но ее продолжают заряжать от источника тока, то в АКБ начинается выделение водорода (взрывоопасный газ!) вследствие разложения воды в электролите на кислород и водород. Это явление называют перезарядкой. То же самое происходит при пуске двигателя одного автомобиля от АКБ другого. Вследствие разряженности батареи первого автомобиля вторая АКБ получает высокий ток заряда, что может привести к обильному газовыделению. Любая искра (например, при отключении зажимов соединительных кабелей от батареи) вызывает взрыв. Свинцово-кислотные АКБ, которые применяются в автомобилях, не должны подвергаться сильному разряду. АКБ всегда должны быть заряжены, иначе их емкость падает и не восстанавливается в результате сильных разрядов и из-за сульфатации электродов. Необходимо соблюдать меры предосторожности, так как серная кислота — очень едкое и агрессивное вещество. В настоящий момент появляются АКБ, в которых в качестве электролита используется гель. Необходимо использовать надлежащее зарядное устройство, чтобы избежать повреждений АКБ, особенно это касается гелевых батарей. Так как при заряде АКБ может выделяться взрывоопасный газ, поблизости не должно быть источников пламени и искры. Кроме того, следует соблюдать все меры предосторожности при работе с АКБ, описанные в заводской инструкции.
