Что называют аккумулятором

Аккумулятором в самом общем значении этого понятия называется техническое приспособление, которое используется для накопления какого-либо вида энергии с целью её последующей равномерной отдачи в течение достаточно длительного периода времени (в отличие от конденсатора, который отдаёт накопленный заряд моментально). Конденсатор сохраняет непосредственно электрический заряд, в отличие от аккумулятора, который при зарядке преобразует электрическую энергию в энергию химической реакции, а когда будет работать под нагрузкой, превратит накопленную химическую энергию в электрическую.
Принцип работы аккумуляторной батареи заключается в том, что постоянно происходит химическая реакция между жидкостью-электролитом и металлическими пластинами-электродами. Единичные аккумуляторы очень слабы и не могут давать ток, достаточный для работы большинства устройств. Поэтому чаще всего они объединяются в аккумуляторные батареи, в которых используется последовательное или параллельное соединение отдельных элементов питания.

КАК УСТРОЕН АККУМУЛЯТОР АКБ

Тормозные диски учебный курс

Устройство и принцип работы аккумуляторной батареи

Как известно, работа современных портативных устройств основана на использовании автономного источника питания, роль которого выполняет аккумуляторная батарея (АКБ).

Также такой источник энергии является обязательным узлом автомобильного транспорта, который помогает запустить машину при помощи стартера. Принцип работы аккумуляторной батареи достаточно прост.

Рекомендуем: 3 вида лучших противоугонных механических устройств для автомобилей

Если соблюдать правила использования, то аккумулятор будет работать без перегруза и не уменьшать свою емкость в процессе использования.

Принцип работы аккумуляторной батареи автомобиля

В основе принципа работы АКБ лежит преобразование химической энергии в электрическую. Электроды взаимодействуют с электролитом, образуя в результате воду и сульфат свинца.

Необходимо отметить, что в случае такого взаимодействия постепенно уменьшается плотность электролита и, соответственно, мощность аккумулятора.

Стоит отметить, что температура воздуха влияет на режим работы устройства: ее увеличение влияет на некоторое увеличение мощности батареи. Однако вместе с такими изменениями может увеличиться коррозия электродов и саморазряд.

Если на улице минусовая температура воздуха, то можно прослеживать уменьшение разрядной емкости, уменьшение электролита и замедление химических процессов. Поэтому автомобилисты рекомендуют снимать АКБ во время длительной стоянки машины в условиях зимы.

Устройство и принцип работы аккумуляторной батареи

Виды АКБ. В наше время можно приобрести различные аккумуляторные батареи, которые отличаются между собой двумя признаками:

• принципом действия;
• конструкцией.

По химическому составу активного вещества АКБ бывают следующих видов:

• серебряно-цинковые;
• никель-кадмиевые;
• свинцово-кислотные;
• щелочные железо-никелевые аккумуляторы.

Все эти виды АКБ имеют разную степень использования. Так, например, популярными можно считать накопительные устройства, которые имеют свинцово-кислотные наполнители (автомобильные варианты аккумулятора). Устройства, использующие химическое взаимодействие железа и никеля, используются реже.

Серебряно-цинковые аккумуляторы практически не используются. Это можно объяснить тем, что стоимость их довольно велика, а время использования незначительное. Различные аккумуляторы имеют разный принцип работы, время эксплуатации, емкость. Важным параметром любой АКБ считается емкость.

От такого показателя зависит потребление и отдача энергии. На аккумуляторах, которые предназначены для автомобилей, можно увидеть маркировку, которая указывает на емкость устройства. Она может быть представлена таким образом: 55, 60, 75 Ам*ч.

Для телефонных батарей характерна такая емкость – 2000, 1500, 1000, 700 mAh (тысячные доли Ампера). Выбор аккумуляторной батареи необходимо осуществлять, исходя из потребляемого заряда или предполагаемой нагрузки устройства. При неправильном или длительном использовании АБК емкость может уменьшаться.

Очень часто это прослеживается при длительном использовании аккумуляторной батареи в легковом автомобиле или же при неполной зарядке батареи, если речь идет про мобильный телефон.

Щелочные аккумуляторы и их использование

Аккумуляторы такого типа могут иметь различное наполнение:

• никель + железо;
• никель + кадмий.

В основе таких устройств имеется прямоугольный корпус, сделанный из качественной стали. Внешняя часть батареи для заряда имеет небольшой слой никеля. Внутри устройства есть отрицательные и положительные пластины, причем положительных пластин на одну единицу больше.

Все пластины сделаны из стальных ламелей и по внешнему виду одинаковые. На них нанесен небольшой слой никеля. Внутри пластин имеется в небольшом объеме активная масса. Все пластины соединены между собой с помощью ребер.

В щелочную АКБ электролит может заливаться только через специальное отверстие, имеющее клапан с целью выпуска излишков газов.

Если брать во внимание никель-кадмиевые батареи, то они практически ничем не отличаются от никель-железных автономных источников. Главным отличием считается наличие у них сепараторов, которые находятся между пластинами.

Если все части аккумулятора работоспособны, то он будет использоваться достаточно долго. Данные устройства преобразовывают электрическую энергию в химическую.

Если на клеммы такого устройства поступает ток, то в результате такого действия может произойти обратный процесс.

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

Этот вид накопительного источника энергии можно отнести к самому популярному и востребованному, так как они используются практически на всех автомобилях.

Он имеет несколько ячеек и электроды, которые представляют собой своеобразные свинцовые решетки с мелкой ячейкой.

Решетки обоих полярностей в своей основе имеют разное содержание: диоксид свинца содержится в решетках со знаком «+», в минусовых решетках содержится свинец. Такие накопительные устройства устойчивы к морозам и относительно недорогие.

Принцип работы малогабаритных батарей

В различных устройствах имеются аккумуляторные батареи, которые отдают заряд. С помощью такого заряда другие устройства могут работать длительное время без осуществления подзарядки. К числу таких устройств можно отнести мобильные устройства. У них аккумулятор имеет небольшие размеры. Однако их емкость может быть разной.

Банки таких аккумуляторов составляют обычные мягкие пакеты из пластика, которые заполнены литием. Этот химический состав похож по консистенции на сметану. Чтобы выполнить контрольное измерение такой батареи, необходимо использовать специальный прибор, который называется контроллер.

Это небольших размеров электронная плата, которая подключается к зарядному устройству и определяет подачу заряда. У таких аккумуляторов нет клемм или контактов. Эту роль берет на себя коннектор, который состоит из многополюсного соединения. Принцип работы такого аккумулятора аналогичен обычным АКБ литий-ионного типа.

Однако, их стоимость и габариты значительно меньше.

Правильный подход к выбору аккумуляторной батареи позволит подзаряжать другие устройства, необходимые человеку. Предварительно перед приобретением такого устройства, можно ознакомиться с его параметрами и работоспособностью в Интернете.

Разряд элемента питания

Конструкция подобных источников питания предполагает наличие двух клемм: плюса и минуса. Их работа происходит таким образом: при отсутствии нагрузки электрическая цепь разомкнута, а при подключении к полюсам какого-либо устройства цепь замыкается и начинается разрядка АКБ. Ток разряда, протекающий по батарее в таких условиях, возникает за счёт перемещения между электродами ионов: анионов и катионов.

Более подробно процесс разрядки батареи удобнее всего будет рассмотреть на конкретном примере. Катод (положительный электрод в источнике тока) состоит из гидрата закиси никеля, в который для улучшения проводимости добавляется графитовый порошок.

Для изготовления анода (отрицательного электрода) в батареях такого типа применяются железные сетки с губчатым кадмием. Электролитом в таком устройстве будет смесь гидроксидов калия и лития. Оксид-гидроксид никеля в таком щелочном источнике питания вступает в химическое взаимодействие с атомами кадмия и молекулами воды. В результате такой реакции образуются гидроксиды кадмия и лития, а также выделяется электроэнергия.

Принципы работы

Принцип работы аккумулятора основан на реакции между двуокисью свинца положительной пластины, губчатым свинцом отрицательной пластины и раствором серной кислоты с водой. Этот раствор представляет собой электролит, плотность которого составляет 1,28 г/см3. Происходит образование электрического тока, с одновременным образованием на отрицательной пластине сульфата свинца. Происходит выделение воды из электролита, со снижением его плотности.

При поступлении электрического тока из внешних источников, таких как генератор или зарядное устройство, электрохимический процесс начинает происходить в обратном направлении. На отрицательных электродах происходит восстановление чистого свинца, а на положительных – регенерируется диоксид свинца. Одновременно повышается плотность электролита.

Таким образом, принцип работы аккумулятора основан на методе двойной сульфатации, позволяющей полностью восстанавливать первоначальные свойства батареи. Срок службы аккумулятора напрямую зависит от качества используемых материалов.

Цикл заряда батареи

Для начала зарядки от клемм аккумулятора необходимо отключить нагрузку. На свободные клеммы батареи подаётся постоянный ток со значением напряжения большим, чем выходное напряжение заряжаемого устройства.
При осуществлении зарядки следует строго соблюдать полярность, то есть должны совпадать положительные и отрицательные контакты батареи и зарядного устройства. Важно учитывать, что устройство для зарядки необходимо выбирать с большей мощностью, чем сам аккумулятор, для того, чтобы преодолевать сопротивление оставшейся в нём энергии и производить электрический ток с направлением, противоположным току разряда. В результате обратимые химические реакции, протекающие в АКБ, поменяют своё направление.

Рекомендуем: Популярные модели и рейтинг современных марок аккумуляторов

Для рассмотрения примера можно взять также никель-кадмиевую батарею. В реакцию вступают гидроксиды кадмия и никеля, образовавшиеся при цикле разряда. Продуктами этой реакции будут оксид-гидроксид никеля, вода и восстановленный кадмий.

Из всего вышесказанного следует, что во время рабочего цикла меняется только химический состав электродов. Электролит лишь создаёт требуемую для протекания реакций среду. С течением времени он может испаряться, что не самым лучшим образом скажется на продолжительности работы батареи. Рассмотренный принцип работы верен для любого типа аккумуляторов, будет изменяться только химический состав электродов и электролита.

Принцип действия

Принцип действия заключается в следующем. Активные элементы устройства обладают способностями вступать в реакцию при инициировании нагрузки на клеммы аккумулятора. Работающий аккумулятор провоцирует таким образом появление тока, который вырабатывает сульфат свинца на отрицательной пластине.

Если ток идет извне, то есть от зарядки или генератора, тогда идет обратный процесс. В этот момент на отрицательных электродах возобновляются слои чистого свинца, а на положительных – регенерация диоксида свинца. В устройстве происходит метод двойной сульфации: повышение плотности электролита.

Принцип заряда аккумулятора

Рекомендуем: Характеристики Декстрон 2 и 3 — в чем отличия

Крепление АКБ происходит при помощи положительных и отрицательных выводов из свинца. Они изготавливаются из различной толщины и соответственно маркируются, чтобы при подключении не возникли ошибки. Полярность аккумулятора может быть различной – это зависит от того, как расположены выводы.

Для правильного крепления можно использовать несколько вариантов:

1. Крепление скобой за выступ корпуса аккумулятора. Это практикуется для аккумуляторов европейского типоразмера.
2. Если типоразмер азиатский, тогда крепление происходит с помощью рамки.
3. Американский типоразмер осуществляет крепление при помощи специальных клемм.

Типы соединения аккумуляторов

Отдельные аккумулирующие элементы позволяют получать малые напряжение и силу тока. Например, чаще всего значение напряжения будет находиться в пределах 1−2 вольта. Для работы большинства устройств таких значений явно недостаточно. Чтобы повысить получаемое напряжение или силу тока, нужно устроить соединение аккумуляторов в батарею. Нужно подробнее остановиться на описании этих способов.

Параллельное соединение

Для соединения аккумулирующих элементов в батарею или нескольких АКБ требуется соединять их положительные клеммы с положительными, а отрицательные с отрицательными. К нагрузке присоединяются соединённые выводы всех элементов. При таком способе соединения напряжение в цепи будет таким же, как у каждой батареи по отдельности (если использовать батареи с одинаковым напряжением). А ёмкость станет равна сумме ёмкостей всех входящих в батарею элементов. Соответственно, вырастет и сила тока, которую такое устройство будет способно давать за определённый период до полной разрядки.

Последовательный способ

При использовании последовательного способа соединения АКБ следует связывать разнополярные контакты. Положительную клемму одного устройства соединяют с отрицательной клеммой другого, а электрическая схема подключается к свободным контактам первой и последней батарей. Итоговое выходное напряжение при применении такого вида соединения будет равняться сумме выходных напряжений всех задействованных источников электрического тока.
Например, чтобы получить АКБ с выходным напряжением двенадцать вольт, следует соединить последовательно четыре источника с напряжением три вольта или десяток аккумуляторов с выходным напряжением 1,2 вольта. Общая ёмкость собранных при помощи последовательного соединения АКБ будет равна ёмкости каждого аккумулятора по отдельности, то есть не изменится.

Назначение аккумулятора в автомобиле

Аккумулятор включён в цепь с бортовым компьютером и иными потребителями электроэнергии автомобиля. Подпитывается он от генератора во время работающего двигателя внутреннего сгорания. Инженеры обеспечили следующий функционал для батареи:

1. Простой и быстрый пуск двигателя внутреннего сгорания. Ток поступает на стартер, начинающий вращать коленвал.
2. Подаётся напряжение на потребителей. Если мотор заглушён, то вместо генератора напряжение отбирается от АКБ.
3. Обеспечивается помощь генератору, если нагрузка от потребителей в бортовой сети оказывается высокой, например, в вечернее время, когда включён лобовой свет, работают дворники, обогрев кресел, стёкла, запущен вентилятор печки и пр.

Не каждый генератор способен выдавать стабильные параметры по току, поэтому аккумуляторную батарею используют для сглаживания пиковых значений.

В основном батарея в легковом автомобиле, закреплённая хомутами, располагается радом с двигателем в подкапотном пространстве. Это позволяет минимизировать длину проводки между источником тока и потребителями. В грузовиках блок обязательно надёжно зафиксирован с рамой, чтобы содержащийся внутри кислотный раствор не смог выплеснуться наружу. С этим прибором необходимо соблюдать максимальную осторожность.

Типы источников тока

АКБ различаются по своему предназначению, характеристикам, тому как устроен аккумулятор и материалам, используемым при их изготовлении. На сегодняшний день в мире производится более трёх десятков типов различных аккумуляторов, основное различие между которыми заключается в химическом составе электродов, а также используемым видом электролита. Так, к примеру, в группу литий-ионных аккумуляторов входит двенадцать различных моделей. Наиболее популярными из всех производимых являются следующие типы:

• свинцово-кислотные;
• литиевые;
• никель-кадмиевые.

Рекомендуем: Тип, габариты и другие характеристики аккумулятора 18650

На них приходится значительная часть рынка элементов питания. Для лучшего представления о том, из каких материалов могут изготавливаться современные аккумуляторы стоит привести их полный список:

• железо;
• свинец;
• титан;
• литий;
• кадмий;
• кобальт;
• никель;
• цинк;
• ванадий;
• серебро;
• алюминий;
• целый ряд прочих металлов, которые, правда, используются крайне редко.

Применение при производстве различных материалов оказывает значительное влияние на итоговые эксплуатационные показатели и, как следствие, на область возможного использования. Например, литий-ионные АКБ часто устанавливаются в мобильные компьютеры и другие гаджеты.

В то время как никель-кадмиевые аккумуляторы в основном используются как альтернатива простым одноразовым батарейкам. В теории аккумуляторные батареи любого типа могут сочетаться с любым устройством. Дело лишь в целесообразности и себестоимости производства.

Основные характеристики

Выше были рассмотрены материалы, применяющиеся при изготовлении перезаряжаемых элементов питания, основные принципы их работы и способы соединения. Теперь можно перейти к их эксплуатационным качествам. Важнейшими эксплуатационными характеристиками являются:

• Плотность энергии АКБ. Этот показатель равен отношению полного количества электроэнергии, которую аккумулятор способен отдать, к его массе или объёму.
• Ёмкостью называют максимальный отдаваемый аккумулятором заряд во течение цикла разрядки, до достижения минимального значения напряжения на клеммах. В метрической системе такая величина выражается в кулонах (Кл), но в повседневной жизни гораздо чаще применяется внесистемная единица ампер-час (Ah) или, для слабых элементов питания миллиампер-час. Также в некоторых случаях может использоваться показатель, называемый энергетической ёмкостью. Он выражается в джоулях (система СИ) или в ватт-часах. Ёмкость показывает прибор какой мощности и в течение какого времени может питаться от конкретной АКБ.
• Температурный режим — диапазон значений температуры окружающей среды, в котором производитель рекомендует использование этого аккумулятора. При значительном отклонении от рекомендуемого изготовителем диапазона эксплуатационных температур, сильно возрастает вероятность того, что источник питания придёт в негодность. Это можно объяснить влиянием пониженных и повышенных температур на скорость течения химических реакций, а также на изменение давления внутри батареи.
• Саморазрядом АКБ называют потерю заряда, происходящую в заряженной батарее, при условии отсутствия нагрузки, подключённой к контактам. Величина этого показателя определяется, в основном, конструкцией батареи. Она может со временем возрастать из-за нарушения изоляции межу электродами по целому ряду причин.

Все эти параметры аккумуляторных батарей предоставляют наибольший интерес для конечного пользователя.

Параметры АКБ

Стандартная аккумуляторная батарея, предназначенная для установки на легковой автомобиль, выдаёт напряжение номиналом 12 В – именно на это значение и ориентировано большинство потребителей электроэнергии. Грузовые авто малой грузоподъёмности также используют 12-вольтовые батареи, а вот для большегрузного транспорта этого недостаточно – там используют 24-вольтовые АКБ (если быть более точным, то две 12-вольтовые, соединённые последовательно).

Каждый аккумулятор, независимо от типа, характеризуется несколькими базовыми параметрами:

• ёмкостью;
• напряжением;
• током холодного пуска.

Именно эти характеристики обычно указываются на маркировке аккумулятора. Давайте вкратце пройдёмся по всем трём указанным параметрам.

Под ёмкостью батареи понимают количество энергии, выраженной в амперах, которую полностью заряженная и исправная АКБ способна отдать на протяжении 20 часов. Так, 60-амперная батарея будет в час отдавать 3 ампера, 55-амперная – 2,75 А.

Резервная ёмкость – параметр, который указывается редко, но имеет большое практическое значение. Он измеряется в минутах и указывает, сколько времени аккумулятор может замещать генератор. Так, при совокупной нагрузке 25 А резервная ёмкость должна составлять порядка 90 минут, на протяжении которых напряжение на клеммах упадёт до 10,4-10,5 В.

Номинал напряжения – это суммарное значение разницы потенциалов всех аккумуляторов, входящих в состав батареи (у автомобильной АКБ их обычно 6). Для легкового автомобиля это значение составляет 12 вольт.

Ток холодного пуска (прокрутки) представляет собой величину тока, требующуюся для пуска силового агрегата при отрицательных температурах. Измеряется при следующих условиях:

• температура: -18ºС;
• время работы: 10 секунд;
• выходное напряжение: 7,5 В.

Чем больше величина тока холодного пуска, тем легче будет происходить пуск двигателя в зимнее время.

Устройство электродов

В качестве примера можно использовать свинцово-кислотную батарею. Каждая ячейка такого аккумулятора содержит пару электродов и разделительные пластины, которые изготовляются из пористого материала, не вступающего в химическое взаимодействие с кислотой. Такие пластины призваны препятствовать короткому замыканию погруженных в электролит электродов, и называются сепараторами.

Рекомендуем: Ремонт, восстановление и реставрация аккумулятора ноутбука

Электроды в таких аккумуляторах выполняются в виде плоских свинцовых решёток. В ячейки таких решёток запрессовывается порошкообразная двуокись свинца (в пластинах-анодах) и металлический свинец в порошковой форме (в пластинах-катодах). Применение порошков обусловлено стремлением увеличить площадь поверхности раздела на границе электролит — электрод, что значительно повышает ёмкость такого источника тока.

Имеются экспериментальные образцы аккумуляторов, в которых свинцовые решётки замешены электродами, состоящими из сплетённых нитей углеволокна, которые покрываются тончайшим свинцовым напылением. Такая технология позволяет использовать значительно меньше свинца за счёт распределения его по большой площади, что делает аккумуляторную батарею не только миниатюрнее и легче, но и повышает её эффективность. КПД выше, чем у традиционных, а время зарядки сильно снижено.

Проводящее вещество

Пластины электродов и сепараторов опущены в электролит, в качестве которого в свинцово-кислотных аккумуляторах используется серная кислота, разведённая дистиллированной водой. Такая вода применяется для приготовления раствора потому, что она не оказывает влияния на кислотность среды. Проводимость получаемого таким образом раствора зависит лишь от концентрации серной кислоты и комнатных условиях будет максимальной при значении плотности жидкости-электролита в 1,23 грамма на кубический сантиметр.
Проводимость электролита обратно пропорциональна внутреннему сопротивлению источника питания, и, соответственно, повышение проводимости снижает потери энергии и увеличивает КПД. Стоит отметить, что в областях холодного климата часто используют повышенные до 1,29−1,31 грамма на кубический сантиметр концентрации серной кислоты. Это делается для предотвращения замерзания электролита. Ведь образующийся лёд может повредить корпус аккумулятора.

В батареях, которые устанавливаются в бытовые источники бесперебойного питания, системы сигнализации и другие бытовые приборы, жидкий электролит иногда сгущается до состояния пасты раствором силиката натрия. Но принцип работы АКБ остаётся тем же.

Области применения АКБ

Аккумуляторные батареи получили широчайшее распространение во всех видах технических устройств. Без них не обходится ни одно портативное электронное устройство: от наручных часов до ноутбуков. Даже в простых электрических фонарях производители предпочитают использовать встроенные АКБ вместо сменных элементов питания.
Не стали исключением и автомобили. В машинах привычных конструкций автомобильный аккумулятор используется для запуска двигателя и бесперебойного питания бортовой электрики и электроники. В набирающих всё большую популярность гибридных и электромобилях аккумуляторы играют ещё более важную роль. Причём в этом случае требования, предъявляемые к устройству АКБ автомобиля, ещё выше.

Крайне важны такие параметры: ток запуска, глубина разряда и максимальное количество циклов перезарядки, которое способен выдержать аккумулятор. Можно смело утверждать, что современный образ жизни был бы невозможен без аккумуляторных батарей.