Суббота, 24.06.2017, 04:46
Регистрация RSS
Приветствую Вас, Гость
Статистика



Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Мини-чат
Ресурсы

Канал YOUTUBE autoscienceAiD

Профиль Google+ Autoscience

Группа Вконтакте Autoscience

Главная » 2014 » Декабрь » 2 » АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ
15:01
АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ

 

Аккумулятор - это химический источник тока, способный многократно преобразовывать химическую энергию в электрическую и аккумулировать, запасать ее на длительное время.

 

История

Химический способ получения электрического тока был известен давно: в 1800 году Алессандро Вольта построил свою химическую батарею - знаменитый «Вольтов столб» (Рис. 1). Он представлял из себя несколько последовательно соединенных гальванических элементов - медных и цинковых дисков, разделенных пропитанным кислотой сукном. Для удобства использования вся конструкция имела форму вертикально расположенного цилиндра или столба. Но данное устройство получения электричества было однократного действия, не перезаряжаемым.

Рис.1. Вольтов столб

 

Аккумуляторный эффект открыл в 1802 году Г.Риттер.

В 1859 году французскому физику Гастону Планте (Gaston Plante, 1834-1889) удалось изобрести аккумулятор. До этого времени все существующие химические батареи относились к химическим источникам тока первого вида, т.е. могли лишь производить электрический ток в процессе протекающих внутренних химических реакций и не могли быть перезаряжены и использованы повторно. Планте сделал открытие: при пропускании тока через свинцовые электроды, погруженные в разведенную серную кислоту, положительный электрод покрывался двуокисью свинца PbO2, в то время как отрицательный электрод не подвергался никаким изменениям. Если такой элемент замыкали потом накоротко, прекращая пропускание через него тока от постоянного источника, то в нем появлялся постоянный ток, который обнаруживался до тех пор, пока вся двуокись свинца не растворялась в кислоте.

Первый аккумулятор (Рис. 2) состоял из двух одинаковых свинцовых полос навитых на деревянный цилиндр. Друг от друга они отделялись тканевой прокладкой. Все это укладывалось в сосуд с 10%-м раствором серной кислоты. Существенный недостаток аккумулятора Гастона Планте был в его небольшой емкости - он слишком быстро разряжался.

Рис.2. Аккумулятор Гастона Планте

 

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединённых в одну электрическую цепь, составляют аккумуляторную батарею.

Потребность в появлении аккумуляторных батарей (АКБ) возникла с применением в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) электрической искры. Произошло это в 1860 году, когда Ленуар создал двигатель внутреннего сгорания, впервые в составе силовой установки применили гальванические элементы Бунзена. Идею отложили на несколько лет не потому, что принцип батарейного зажигания был не целесообразен, а только по причине того, что элементы Бунзена были далеки от совершенства. Они обладали большим весом, хрупкостью в работе.

На то время развитие двигателей внутреннего сгорания (ДВС) шло по пути применения зажигания при помощи открытого пламени, с которым в нужный момент соприкасалась горючая смесь.

Практического применения аккумуляторы не могли получить до 1879 года из-за отсутствия нужного количества зарядных устройств постоянного тока.

Первая аккумуляторная батарея, похожая на нынешние, появилась в 1881 году (по другим данным в 1882г.).

Камилл Фор значительно усовершенствовал технику изготовление аккумуляторных пластин. Формирование пластин происходило гораздо быстрее. Суть усовершенствования Фора заключалось в том, что он придумал покрывать каждую пластину суриком или другим окислом свинца.

И вот грянула автомобильная лихорадка. После непродолжительных экспериментов с различными типами систем воспламенения горючей смеси в цилиндрах конструкторы остановились на искровой системе зажигания, которая требовала бортового источника электроэнергии - АКБ. И здесь свинцово-кислотные аккумуляторные батареи пришлись как раз в пору. Преимущество в возможности подзарядки АКБ автомобилисты оценили сразу. На автомобилях того времени генератор отсутствовал, а все электрооборудование состояло из аккумуляторной батареи (или несколько сухих батареек) и простейшей системы зажигания. Позже сюда добавились электрические фары, заменившие масляные и ацетиленовые горелки.

Генератор вместе со стартером появились только в начале второго десятилетия 20-го века. На нем параллельно с 6-вольтовым свинцово-кислотным аккумулятором все же стояли пять сухих батареек - для резервного питания системы зажигания.

В начале 20-го века Эдисон и Юнгнер предложили свои аккумуляторы с другим электролитом щелочью. Состав аккумуляторной батареи был такой: положительные пластины с активной массой окиси никеля Ni(OH)3, отрицательные - окись железа Fe2O3, щелочной электролит - 21% раствор едкого калия КОН с добавлением 2% едкого лития LiOH.

В 1903 году начинается производство этих портативных аккумуляторов, которые получили широкое распространение на транспорт, электростанциях и небольших суднах.

Щелочной аккумулятор не боялся коротких замыканий, больших разрядных и зарядных токов, сильных перезарядок и глубоких разрядов. Он обладал большой механической прочностью, мог долго оставаться в разряженном состояние, не подвергаясь сульфатации, имел сравнительно небольшой вес и был долговечнее по сравнению со свинцово-кислотными АКБ.

К недостаткам щелочного аккумулятора можно было отнести весьма малое рабочее напряжение, что сводило на нет его преимущество перед свинцовым аккумулятором по массе. Из-за большого внутреннего сопротивления было невозможно использование для питания стартера. Потому использовать в автомобиле решили свинцово-кислотные АКБ. Сначала корпуса аккумуляторных батарей делались из дерева потом из эбонита. Эбонитовые корпуса аккумуляторных батарей, с торчащими наружу или залитыми мастикой перемычками между элементами, постепенно уступили место более легким и прочным полипропиленовым. Но это произошло не скоро.

На автомобилях до 1910г. аккумуляторная батарея (АКБ) применялась только для системы зажигания. Это объяснялось тем, что скорость движения автомобиля была невелика, и не требовалось особенно хорошего освещения дороги; кроме того, угольные лампы накаливания, будучи чрезвычайно не экономны, требовали чрезмерного увеличения размера и веса самой батареи.

Началом широкого применения электроэнергии для освещения следует считать 1912г. Это было вызвано не только повышением скорости автомобилей, но и появлением лампы накаливания с металлической нитью, а также разработкой достаточно совершенного автомобильного генератора, который мог сохранять свое напряжение неизменным при разных скоростях движения автомобиля, и не только питать при этом все потребители электрической энергии, но и заряжать АКБ.

***

Стандартная современная 12-вольтовая автомобильная аккумуляторная батарея (Рис. 3) выполнена из шести последовательно соединенных между собой блоков разноименно заряженных пластин, каждый из которых и представляет собой простейший аккумулятор с выходным напряжением около 2 вольт. Положительно заряженная пластина (электрод) представляет собой свинцовую решетку с активной массой из двуокиси свинца (PbO2), а электрод со знаком минус - решетку с активной массой из губчатого свинца (Pb). Полублоки разноименно заряженных пластин вставляются друг в друга. Во избежание возникновения короткого замыкания между пластинами, их разделяют пористыми сепараторами из изоляционного материала. Собранные блоки помещаются в корпус и заливаются электролитом (раствором серной кислоты плотностью 1.27-1.29 г/см3). Полюса (баретки) крайних элементов соединяются с расположенными снаружи корпуса контактными выводами - борнами.

Рис. 3. Схема устройства аккумулятора

 

Если к аккумулятору подключить нагрузку, то свинцовые пластины с активной массой, электролит и нагрузка образуют замкнутую цепь. Внутри аккумулятора начинается химическая реакция (Рис. 4), в результате которой активная масса обоих электродов начнет менять первоначальный состав, преобразуясь из губчатого свинца и его двуокиси в сернокислый свинец (сульфат свинца PbSO4), а плотность электролита начинает падать. В итоге, в цепи образуется направленное движение ионов, и течет электрический ток. Такой процесс представляет собой разряд аккумулятора. При подключении к аккумулятору внешнего источника тока начинается обратный процесс - заряд. При заряде активная масса пластин восстанавливает свой первоначальный состав, плотность электролита растет.

Рис. 4. Химическая реакция в аккумуляторе

 

Поскольку автомобильная 12-вольтовая аккумуляторная батарея состоит из шести аккумуляторных элементов, соединенных в батарею последовательно, то по сути устройство, в повседневном обиходе просто называемое «аккумулятор», на самом деле является батареей из нескольких аккумуляторов.

В автомобиле аккумуляторная батарея выполняет три функции: во-первых, запускает двигатель, во-вторых, питает бортовые электрические устройства в то время, когда двигатель не работает, и, наконец, при работающем двигателе помогает генератору, когда тот не справляется с нагрузкой в бортовой электрической сети.

 

Основные характеристики АКБ

Ёмкость аккумулятора

Максимально возможный полезный заряд аккумулятора называется зарядной ёмкостью, или просто ёмкостью. Ёмкость аккумулятора - это заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ ёмкость аккумуляторов измеряют в кулонах, на практике часто используется внесистемная единица — ампер-час. 1 А⋅ч = 3600 Кл. Ёмкость аккумулятора указывается производителем. Не путать с электрической ёмкостью конденсатора.

В настоящее время всё чаще на аккумуляторах указывается энергетическая ёмкость - энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ она измеряется в джоулях, на практике используется внесистемная единица — ватт-час. 1 Вт⋅ч = 3600 Дж.

Плотность энергии

Плотность энергии - количество энергии на единицу объёма или единицу веса аккумулятора.

Саморазряд

Саморазряд - это потеря акумулятором ёмкости после полной зарядки при отсутствии нагрузки. Саморазряд проявляется по-разному у разных типов аккумуляторов, но всегда максимален в первые часы после заряда, а после замедляется.

Для Ni-Cd аккумуляторов считают допустимым не более 10% саморазряда за первые 24 часа после проведения зарядки. Для Ni-MH саморазряд чуть меньше. У Li-ion он пренебрежимо мал и значительно себя проявляет в течении месяцев.

В свинцово-кислотных герметичных аккумуляторах саморазряд составляет около 40% за 1 год при условии 20°С и 15% при 5°С. Если температуры хранения более высокие, то саморазряд возрастает: батареи при 40°С теряют емкости 40% всего за 4-5 месяцев.

 

Типы аккумуляторов

Тип аккумулятора определяется используемыми материалами. Различают следующие (В скобках указано выходное напряжение аккумулятора):

  • La-Ft – лантан-фторидный аккумулятор;
  • Li-Ion – литий-ионный аккумулятор (3,2-4,2 V), общее обозначение для всех литиевых аккумуляторов;
  • Li-Co – литий-кобальтовый аккумулятор (3,6 V), на базе LiCoO2, технология в процессе освоения;
  • Li-Po – литий-полимерный аккумулятор (3,7 V), полимер в качестве электролита;
  • Li-Ft – литий-фторный аккумулятор;
  • Li-Mn – литий-марганцевый аккумулятор (3,6 V) на базе LiMn2O4;
  • LiFeS – литий-железно-сульфидный аккумулятор (1,35 V);
  • LiFeP или LFP – литий-железно-фосфатный аккумулятор (3,3 V) на базе LiFePO4
    • LiFeYPO4 – литий-железо-иттриум-фосфатный (Добавака иттриума для улучшения свойств);
  • Li-Ti – литий-титанатный аккумулятор (3,2 V) на базе Li4Ti5О12;
  • Li-Cl – литий-хлорный аккумулятор (3,99 V);
  • Li-S – литий-серный аккумулятор (2,2 V);
  • LMPo – литий-металл-полимерный аккумулятор;
  • Fe-air – железо-воздушный аккумулятор;
  • Na/NiCl – никель-солевой аккумулятор (2,58 V);
  • Na-S – натрий-серный аккумулятор (2 V), высокотемпературный аккумулятор;
  • Ni-Cd – никель-кадмиевый аккумулятор (1,2 V);
  • Ni-Fe – железо-никелевый аккумулятор (1,2-1,9 V);
  • Ni-H2 – никель-водородный аккумулятор (1,5 V);
  • Ni-MH – никель-металлогидридный аккумулятор (1,2 V);
  • Ni-Zn – никель-цинковый аккумулятор (1,65 V);
  • Pb – свинцово-кислотный аккумулятор ;(2 V)
  • Pb-H – свинцово-водородный аккумулятор;
  • Ag-Zn – серебряно-цинковый аккумулятор (1,85 V);
  • Ag-Cd – серебряно-кадмиевый аккумулятор (1,6 V);
  • Zn-Br – цинк-бромный аккумулятор (1,8 V);
  • Zn-air – цинк-воздушный аккумулятор;
  • Zn-Cl – цинк-хлорный аккумулятор;
  • RAM – щелочной элемент (1,5 V);

 

Основные типы конструкций аккумуляторных батарей

В зависимости от конструктивных особенностей аккумуляторные батареи можно разделить на три типа:

  • обслуживаемые;
  • малообслуживаемые;
  • полностью необслуживаемые.

 

Часто встречающиеся АКБ

Свинцово-кислотный аккумулятор

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в среде серной кислоты.

Виды свинцово-кислотных батарей:

  • традиционные свинцовые аккумуляторные батареи;
  • малосурьмянистые аккумуляторные батареи;
  • гибридные аккумуляторные батареи;
  • кальциевые;
  • серебряно-кальциевые аккумуляторные батареи (кальциевые с дополнительным легированием серебром).

Основные типы свинцовых аккумуляторных батарей:

Свинцовые стартерные – требуют обслуживания и вентиляции. Имеют высокий саморазряд;

AGM – новый тип герметичных аккумуляторов (Рис. 5) с регулируемым клапаном, исключающих просачивание жидкости и не требующих обслуживания, с использованием технологии «Абсорбирующих стеклянных матов» (AGM разделителей).

Рис. 5. Строение AGM аккумулятора

 

В этих аккумуляторах используются высококачественные маты из боро-силикатного стекла. Эти аккумуляторы сохраняет все основные достоинства гелевых аналогов, и в то же время могут работать в гораздо более сложных условиях. Также, как и гелевые, AGM-аккумуляторы не допускают утечки кислоты в случае поломки.

Батареи AGM прекрасно работают в буферном режиме, т.е. в режиме подзарядки. В таком режиме служат до 10-12 лет (батареи напряжением 12В) или даже до 18 лет (батареи напряженим 2В). Если же их использовать в циклическом режиме (т.е. постоянно заряжать-разряжать на хотя бы 30%-40% от емкости), то их срок службы сокращается.

Одной из ветвей развития данной технологии стал аккумуляторы OPTIMA - В начале 1970-х годов инженеры компании Denver's Gates Rubber Company приступили к разработке революционной конструкции аккумуляторов OPTIMA (Рис. 6).

Рис. 6. Строение аккумулятора Opyima

 

Исследования продолжались на протяжении 70-х и 80-х годов. Основное отличие аккумуляторов данной марки заключается в применении эксклюзивной технологии Optima Spiralcell® Technology: вместо пластин, используемых в обычных аккумуляторах в батареях OPTIMA применяются «рулонные элементы» - две свитые в рулон тонкие свинцовые ленты с сепаратором из стекловолокна, содержащим кислоту. Такая технология позволяет значительно снизить толщину свинцовых лент и на 50-100% увеличить их активную площадь в сравнении с обычными пластинами свинцово-кислотных аккумуляторов. Специальная конструкция минимизирует сопротивление и обеспечивает равномерное давление по всей поверхности элементов, таким образом, гарантируя быструю отдачу энергии и увеличение срока службы в 1.5-2 раза по сравнению с обычными аккумуляторами. Большая площадь поверхности активных элементов также сокращает время зарядки аккумулятора. В настоящее время аккумуляторы OPTIMA.

Гелевые батареи – электролит загущен силикогелем,он пронизан микротрещинами, которые не дают испарениям элетролита улетучиваться. Пары кислорода и водорода удерживаются внутри геля реагируют и превращаются в воду, которая впитывается гелем. Почти все испарения, таким образом, возвращаются обратно в аккумулятор и это называется рекомбинацией газа. К сожалению все испарения рекомбинировать не удаётся и избыточный газ (в основном водород) сбрасывается через предохранительные клапана. Сепаратор в гелевых аккумуляторах тоже необычный - микропористый дюропластик, за счёт присадок из алюминия он обладет высокой стойкостью в агрессивной среде, уменьшает внутреннее сопротивление в аккумуляторе,обладает высокой температурной стабильностью и механической прочностью; последнее обеспечивает высокую вибростойкость и ударопрочность конструкции, лучше выдерживают циклические режимы заряда-разряда. Также, они лучше переносят сильные морозы. Снижение емкости при понижении температуры аккумуляторов также меньше, чем у других типов аккумуляторов. Их применение более желательно в системах автономного электроснабжения, когда батареи работают в циклических режимах (заряжаются и разряжаются каждый день) и нет возможности поддерживать температуру аккумуляторов в оптимальных пределах. Гелевые батареи немного дороже AGM батарей и тем более стартерных. Почти все герметичные аккумуляторы могут устанавливаться на боку. Гелевые аккумуляторы тоже отличаются по назначению - есть как общего назначения, так и глубокого разряда.

Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделенных пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, окислы (LiMO2) и соли (LiMRON) металлов.

Литий-полимерный аккумулятор

Литий-полимерный аккумулятор (Li-pol или Li-polymer) представляет собой дальнейшее развитие технологии  литий-ионных аккумуляторов. В Li-pol-аккумуляторных батареях в качестве электролита применяется полимерный материал с включениями Li-Ion-проводящего гелеобразного наполнителя.Используется в мобильных телефонах, цифровой технике.

     Маркировка АКБ

 На каждой батарее в соответствии с требованиями международных стандартов должна быть маркировка, содержащая информацию о её напряжении, номинальной емкости, назначении и конструктивном исполнении. На рисунке показана типовая маркировка, применяемая на аккумуляторах, выпускаемых в России и Европе.

Маркировка российских АКБ, наносимая в соответствии с требованиями ГОСТ 959-91 и ГОСТ 959-2002, выполняется по следующей схеме: «6 СТ-60 А1»
- (1) – Цифра, указывающая число последовательно соединенных аккумуляторов в батарее (6 или 3), характеризующая её номинальное напряжение (12 или 6 В соответственно);
- (2) – Буквы, характеризующие назначение батареи по функциональному признаку (СТ – стартерная);
- (3) – Число, указывающее номинальную емкость батареи в ампер-часах (А/ч);
- (4) – Буквы или цифры, которые содержат дополнительную информацию об исполнении батареи (при необходимости) и материалах, примененных для её изготовления, например: «А» – с общей крышкой, буква «3» – залитая и полностью заряженная (если её нет -батарея сухозаряженная), слово «необслуживаемая» – для батарей, соответствующих требованию ГОСТ по расходу воды, «Э» – корпус-моноблок из эбонита, «Т» – моноблок из термопластичной пластмассы, «М» – сепаратор типа мипласт из поливинилхлорида, «П» -сепаратор-конверт из полиэтилена.

Например, условное обозначение батареи «6СТ-60А1» указывает, что батарея состоит из шести аккумуляторов, соединенных последовательно. Таким образом, её номинальное напряжение – 12 В. По своему назначению батарея стартерная, её номинальная емкость – 60, А-ч при 20-часовом режиме разряда. Батарея изготовлена в моноблоке с общей крышкой в сухозаряженном исполнении.
Условное обозначение батарей, применяемое большинством европейских производителей, представляет собой пятизначный код по немецкому стандарту DIN (например 560 19) или девятизначный код по международному стандарту ЕТN (например 560 059 042).

В структуре кодов как по DIN, так и по ЕТМ, значение первых трех цифр одинаково. Они показывают номинальное напряжение и емкость батареи. Для 6-вольтовых батарей первые три цифры (от 001 до 499) представляют собой номинальную емкость в Ампер-часах. Для наиболее распространенных 12-вольтовых аккумуляторов номинальную емкость можно получить, вычитая 500 из трехзначного числа (от 501 до 799). Таким образом, если первая цифра обозначения равна 5, то емкость батареи от 1 до 99 А/ч, если 6 – от 100 до 199 А/ч, а если 7 – от 200 до 299 А/ч.

Например, емкость батареи типа 560 19 (по DIN) или 560 059 042 (по ЕТМ) – 60, А-ч. Последние две цифры в обозначении по DIN и вторая тройка цифр в обозначении по ЕТМ характеризуют размеры и тип полюсных выводов, конструкцию крепежных элементов, тип газоотвода, тип крышки, наличие ручек и вибропрочность данного варианта конструктивного исполнения АКБ.

Кроме вышеуказанных обозначений маркировка батареи должна содержать следующие данные:
- товарный знак завода-изготовителя;
- 60 Аh – номинальная емкость в Ампер-часах (А/ч или Аh);
- 420, А – пусковой ток – ток холодной прокрутки при -18°С в Амперах (А). Действующий ГОСТ 959-91 содержит требования по параметрам стартерного разряда по аналогии с DIN 43539 ч. 2. В новом стандарте ГОСТ 959-2002, вступающим в силу с июля 2003 года, предусмотрено изменение параметров стартерного разряда в соответствии с ЕМ 60095-1. Поэтому, начиная с указанной даты, в маркировке всех российских аккумуляторов величина тока холодной прокрутки вырастет примерно в 1,7 раза лишь за счет изменения метода его определения.
- 12V – номинальное напряжение в Вольтах (В или в V);
- 0901 – дата изготовления (две цифры – месяц, две цифры – год изготовления);
- 20 кg – масса батареи в состоянии поставки с завода;
- «+» и «-» – знаки полярности;
- уровень залитого электролита (min, mах или другие обозначения предельных уровней).

 

Источники:

http://valtar.at.ua/publ/chto_takoe_gelevyj_akkumuljator/1-1-0-17

http://www.avtoru52.ru/akbvidi.html

http://www.solarhome.ru/basics/batteries/batteries.htm

http://akb174.ru/poleznye-stati/istoriya-avtomobilnyx-akkumulyatornyx-batarej/

http://retail.katod.ru/likbez/accum/

 

Просмотров: 3578 | Добавил: cska460 | Теги: АКБ, АККУМУЛЯТОР, электричество, источник тока | Рейтинг: 5.0/6
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]