Существует множество устройств использующих источник сохранённой электрической энергии — аккумулятор. Он применяется везде, от сотовых телефонов, электронных часов, калькуляторов, фонариков, систем жизнеобеспечения и до систем запуска двигателей автотранспорта. Об электрических накопителях, чем отличаются разные виды таких источников питания, какие нужно знать важные характеристики аккумулятора, правила безопасности его использования будет рассказано далее.
Что такое саморазряд автомобильного аккумулятора
Бесконечное количество времени АКБ не может находиться в готовности для запуска мотора. Это связано с особенностями проходящих внутри физико-химических явлений. Со временем происходит саморазряд под капотом автомобильного аккумулятора, поэтому без восстановления он будет выдавать всё меньшие показатели.
Явление саморазряда представляет собой в химическом плане растворение свинца на положительном электроде (с параллельным выделением водорода) при потере электрического заряда источника питания.
Серная кислота при саморазряде на отрицательно заряженном электроде взаимодействует с оксидом свинца. Процесс сопровождается выделением газообразного кислорода. Полностью избавиться от постепенной потери заряда в кислотно-свинцовых батареях не удастся, но в определённых обстоятельствах получается существенно продлить во времени скорость протекания реакции.
На расход энергии оказывают влияние такие факторы:
- Период активной эксплуатации АКБ. Для источников питания, работающих более трёх лет, риск саморазряда существенно повышается.
- Длительность хранения вне машины и подключения к бортовой сети повышает ток саморазряда.
- Используемые примеси и механический/химический мусор, провоцирующий растворение свинцовых элементов на плюсовом контакте. Виновником может являться недистиллированная вода, которую вливали для поднятия уровня электролита в банках.
- Энергия теряется активнее при повышении температуры более +50 С.
- Частыми причинами, приводящими к возникновению утечек, бывают увлажнение и загрязнения, появляющиеся на корпусе батареи.
- Механическое и физическое разрушение свинцовых электродов.
Назначение аккумулятора в автомобиле
Главные функции, которые призван выполнять автомобильный аккумулятор, заключаются в том, чтобы запускать двигатель машины и ещё обеспечивать током некоторые приборы-потребители. Это источник тока, который относится к возобновляемым, то есть, ёмкость батареи может и должна восстанавливаться, если она исправна. Каждая АКБ превращает электроэнергию в химическую, а впоследствии этот процесс происходит в обратном порядке.
Более всего это устройство востребовано на этапе запуска двигателя внутреннего сгорания. Однако аккумулятор также отвечает за работоспособность и питание всего электрооборудования на борту транспортного средства. Как только запущен мотор, то питание приборов осуществляется уже за счёт генератора, который одновременно заряжает и аккумулятор, ведь каждый запуск приводит к уменьшению его ёмкости.
За последние годы автомобили всех марок активно насыщаются электроприборами, системами климатического контроля, звука и видео, а все они питаются за счёт бортового электрического тока. Если генератор не справляется с его поставкой, то дополнительно идёт подпитка от батареи. Однако ключевая задача её заключается всё-таки в подаче тока для запуска стартера. Наибольший разряд АКБ случается в холодное время года, когда и возникает большинство проблем у автолюбителей.
Виды и причины саморазряда АКБ
На практике можно встретить два вида процесса саморазряда:
- Поверхностный. Он вызывается тем, что на корпусе имеются потёки влаги или электролита, а также имеется механическое загрязнение. В итоге появляются проводящие ток мостики, соединяющие контакты батареи, а при саморазряде проявляется малый ток. Избавиться от него достаточно просто, устранив всё механической чисткой, а клеммы обрабатывают защитной антикоррозионной смазкой или гелем.
- Внутренний. Данный вид саморазряда автомобильного аккумулятора спровоцирован химическими реакциями восстановления и окисления, проходящими самопроизвольно на обоих электродах.
Необходимо знать, что наиболее активно процессу разряда во время хранения более подвержен отрицательный электрод, где происходят выделение газообразного водорода и растворение свинца. Для положительного электрода процесс саморазряда осуществляется не так активно, так как идёт процесс реакции оксида свинца и серной кислоты с выделением газообразного кислорода.
При повышении плотности электролита (повышении степени заряда батареи) растёт интенсивность происхождения реакции. Следует знать, что интенсивность разряжения поднимается более чем на треть, когда плотность электролита достигает от 1,29 до 1,32 г/мл.
Принцип действия
Замена аккумуляторной батареи на электропогрузчике
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 аккумуля́торную батаре́ю
.
Свинцово-кислотный аккумулятор
Основная статья: Свинцово-кислотный аккумулятор
Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в растворе серной кислоты.
Химическая реакция (слева направо — разряд, справа налево — заряд):
- Анод:
P b + S O 4 2 − − 2 e − ⇆ P b S O 4 {\displaystyle Pb+SO_{4}^{2-}-2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}}
- Катод:
P b O 2 + S O 4 2 − + 4 H + + 2 e − ⇆ P b S O 4 + 2 H 2 O {\displaystyle PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4H^{+}+2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}+2H_{2}O}
Литий-ионный аккумулятор
Основная статья: Литий-ионный аккумулятор
Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который внедряется (интеркалируется) в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи (например: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMO2) и соли (LiMRON) металла).
Алюминий-ионный аккумулятор состоит из металлического алюминиевого анода, катода из графита в виде пены и жидкого ионного невоспламеняющегося электролита. Батарея работает по принципу электрохимического осаждения: происходит растворение алюминия на аноде, далее в среде жидкого электролита анионы хлоралюмината интеркалируют в графит. Количество возможных перезарядок батареи — более 7,5 тыс. циклов без потери мощности[2][3].
Как проверить саморазряд
Выявить проблемы аккумуляторной батареи в гаражных условиях, включая возможный саморазряд, удастся по косвенным признакам. Одним из важных помощников в такой ситуации является мультиметр. Этот прибор помогает замерять практически все важные характеристики АКБ, например, поможет узнать напряжение или ток в подключённой бортовой сети.
Для работы с аккумулятором мультиметр необходимо перевести в режим вольтметра и переключить на 20 единиц. Красный плюсовой провод соединяем с положительной клеммой на батарее, а чёрный (или синий в некоторых моделях) – с отрицательным контактом на источнике питания.
Рекомендуем замеры проводить после того, как машина постоит около часа без движения, чтобы получить максимально объективные показатели. Когда цифры на дисплее будут от 12,4 В и более, это свидетельство полного заряда. При значениях 11,7–12 В стоит готовиться к ухудшению эксплуатационных качеств АКБ, а если показатели близки к 11 В, то это – свидетельство серьёзных проблем с батареей.
Рекомендуем проконтролировать внутреннее сопротивление. Для тестирования используется лампа накаливания на 12 В (не светодиодная). Во время присоединения её контактов одновременно измеряем напряжение на клеммах. Откидываем её и проводим замер повторно. Если разница не превысит 0,05 В, то батарея исправна, в противном случае у АКБ есть проблемы.
Применение
В большинстве случаев возможность систематического использования аккумуляторов есть только в портативных устройствах радиосвязи и иной цифровой технике, где используются литий-ионные аккумуляторы и система контроля заряда-разряда встроена в устройство. В бюджетном сегменте «простые» никель-металл-гидридные и никель-кадмиевые аккумуляторы используются в качестве бюджетной замены щелочных элементов питания (батареек). В качестве источника тока для бюджетного аккумуляторного электроинструмента используются никель-кадмиевые аккумуляторы.
Если в первом случае обычно есть возможность выбирать между бюджетным устройством «стандартного» заряда и зарядным устройством с контролем заряда (капельный заряд, импульсный заряд, ускоренный заряд с контролем напряжения и т. д.), то во втором случае изделие комплектуется, как правило, с трансформаторным источником питания для зарядки постоянным током, что при несоблюдении технических условий эксплуатации аккумулятора снижает срок его службы.
Допустимый размер саморазряда
В то время, когда на АКБ не воздействуют негативные факторы, энергия должна расходоваться минимально. Такой саморазряд вашего аккумулятора для автомобиля – норма. Благоприятной является температура в интервале от +5 до +150 С при минимальной влажности.
Значения падения напряжения для новой аккумуляторной батареи и для той, что длительно эксплуатировалась, будут существенно отличаться.
Когда саморазряд в сутки для «старой» батареи составляет 1–1,7%, то такое значение многие специалисты считают нормальным. Более точные значения зависят от брендов, срока эксплуатации, условий, в которых используется АКБ и пр. Иногда даже не самая старая батарея может быстрее терять заряд при интенсивном использовании.
Соответственно за пару недель потеря заряда на 10% для нового источника питания будет в допустимых пределах. Трёхлетка способна за сто дней без нагрузки расстаться с зарядом полностью.
Технические характеристики
На сферу применения элемента питания сильно влияют технические характеристики аккумулятора. Наиболее важнейшие из них:
- ёмкость,
- плотность выдаваемой энергии,
- напряжение батареи,
- насколько её можно разрядить до момента невозможности последующего заряда,
- срок службы,
- рабочая температура,
- скорость саморазряда,
- выдаваемая сила тока,
- габариты и вес,
- вид исполнения.
Теперь подробнее.
Ёмкость, напряжение и сила тока
Основные характеристики АКБ:
- Ёмкость батареи — сколько энергии она может сохранить. Измеряется ампер-часами (зачастую помечается mAh). Другими словами, 2000 мА/ч к примеру, означает, что батарея будет работать 2000 часов, тратя 1 миллиампер за час, при токе 12В. При потреблении 100 миллиампер, 12В работать накопитель будет только 20ч.
Объяснить работу батареи можно аналогично баку воды. Есть бак (аккумулятор), от него идёт труба фиксированного диаметра (вольты), чем сильнее напор или по-другому давление исходящей струи по трубе (амперы), тем быстрее закончится бак (АКБ).
Чрезмерная перезарядка батареи может вызвать саморазрушение.
- Напряжение батареи — сколько максимально вольт выдаёт аккумулятор при полной зарядке. По мере того, как батарея разряжается – вольтаж выхода уменьшается.
- Сила тока – максимальное значение тока разряда аккумулятора, которое может выдать батарея за определённый период времени. Если превысить его, например, коротким замыкания между клеммами, то последствия непредсказуемы. Например, ион-литьевые батареи сильно перегреваются и могут попросту взорваться.
Рабочий диапазон температур
Любой производитель указывает срок жизни, количество выдаваемого тока, вольтаж для идеального температурного режима. Привязка происходит непосредственно к скорости прохождения химических реакций. Ниже температура — медленнее проходят, быстрее накопитель разряжается. При нагреве – наоборот скорость разрядки снижается.
Саморазряд аккумуляторов
Любое устройство сохранения энергии подвержено саморазряду. Полностью заряженное, оно постепенно теряет заряд, даже будучи отключенным от источников потребления тока. Обусловлено происходящим внутри химическим процессам, которые даже если потребление тока нет — продолжаются. Только идут медленнее. Даже аккумулятор без нагрузки содержит электрическую связь через электролит между электродами. Все равно происходит внутренний обмен ионами веществ, вызывающий саморазряд.
Разные химические виды устройств хранения электрической энергии по-разному подвержены подобному процессу. Лидируют никелево-железные, которые теряют 15% своего заряда на протяжении месяца хранения без нагрузки. Наиболее долго сохраняют запасённую энергию – ионно-литиевые модели, у них уходит около 2%.
Допустимая глубина разряда
Любая хранящая электроэнергию батарея состоит из множества последовательно электрически связанных пар пластин. Если полностью, до нуля разрядить какую-либо пару, то она поменяет полюса и начнёт передавать ток обратно (конечно сила тока будет намного меньше). Происходит это из-за течения химических реакций, ведь принцип работы любого источника питания — ионный обмен. Когда катодная пластина соберёт достаточно ионов, а анодная их чересчур много потеряет, то начнётся процесс обратной передачи, другими словами анод станет катодом, а катод анодом. Чем это грозит для всего аккумулятора? Электрическая цепь разрывается, после чего накопитель перестает выдавать ток. Соответственно вся батарея перестанет работать.
Что бы не допустить подобной ситуации современные источники питания содержат микросхему, ограничивающую ток полного разряда аккумулятора, отсекая потребителя когда достигнут определенный пороговый уровень. Особенно распространены подобные аккумуляторы, поставляемые с различными высокотехнологичными устройствами (например, смартфонами, сотовыми телефонами).
Примечание! Возможно, некоторым знакомо состояние, когда аккумулятор сотового телефона «умер». Так вот причина этому – контроллер питания. Если оставшейся энергии слишком мало для работы микросхемы, то устройство питания останется заблокированным, так как контроллер просто не даст сигнал, открывающий схемы подключения потребителя.
Срок службы
Аккумулятор — химический элемент, срок службы которого ограничен. Со временем восстановительные химические реакции, которые происходят под воздействием тока, ослабевают, элементы начинают терять ёмкость, полностью истощаясь. Наиболее показательны устройства, содержащие жидкий электролит. Собственно, их проводящая жидкость — щелочной или кислотный раствор, который также разрушает структуру металлов пластин. Кроме всего прочего, идущие химические реакции понижают плотность раствора, уменьшая силу воздействия. Свинцово — кислотные служат максимально 7 лет. Ионно-литиевые 7-20. Наиболее живучие — никель-кадмиевые. Срок службы — 25 лет.
Есть маленький нюанс. Срок службы обычно указан для идеальных условий, при правильных циклах разряда — перезаряда, работе в комнатной температуре с равномерными расходами тока. Реальный срок жизни намного ниже. Особенно у Li-Ion накопителей. Носимые устройства постоянно меняют температурные среды (улица, дом), неправильно заряжаются (никто не ждёт разрядки 25%, чтобы зарядить). Автомобильные системы запуска двигателя тоже постоянно подвергаются перепадам температур. Правда, свинцовые элементы питания не настолько сильно подвержены влиянию окружающей среды.
Форм-факторы
Сохраняющие заряд элементы бывают различных видов форм-факторов. Бывают отдельными, бывают встраиваемыми вариантами. Все зависит от срока жизни химического типа элемента. Если производитель решил, что срок эксплуатации какого-либо прибора будет равен сроку жизни батареи, — элемент питания будет встроенным. Остальные случаи подразумевают замену истощивших свой ресурс батарей.
Габариты и вес
Немаловажная характеристика аккумуляторной батареи – её вес. Зачастую ёмкость, включая количество выдаваемого тока (ампер), его вольты напрямую зависят от размера самой связки пар электродов. Кроме того, вес с объёмом привязаны к виду химических процессов с материалами изготовления пластин. К примеру, свинцовые пластины, причем погруженные электролит при общем корпусе, будут намного тяжелее, чем сборка алюминиевой — медной фольги с влажной прослойкой между ними.
Причина, почему нет производства автомобильных литьевых батарей — высокая цена относительно ёмкости. Ещё фактор — чувствительность температурных перепадов.
Как уменьшить саморазряд
Есть несколько способов, помогающих АКБ снизить утечку заряда. Если их соблюдать, то аккумулятор сможет длительное время удерживать нужные показатели.
Важно содержать прибор в чистоте и своевременно для обслуживаемых моделей заливать дистиллированную воду. Стоит протирать сухой ветошью корпус от возможной влаги, пыли или налёта. Прежде чем отправлять АКБ на простой, рекомендуем максимально его зарядить, а в дальнейшем контролировать не реже, чем раз в месяц напряжение на клеммах, не допуская глубокого разряда.
