Акумулатор – начин на действие, видове и нови технологии

 

     Акумулаторът е устройство за съхраняване на електрическа енергия в химическа форма, като след това го освобождава като постоянен ток по контролиран начин. Основното изискване към акумулаторната батерия е при малки габаритни размери да има голям капацитет и продължителен срок на експлоатация. Големият капацитет на батерията е необходим за пускане на студен двигател, когато тя трябва да отдава голям стартерен ток (200-300 А) при сравнително малък спад на напрежението. На тези условия засега отговарят само оловните батерии.

     Автомобилните акумулаторни батерии се състоят от разредена сярна киселина и положителни и отрицателни електроди, под формата на няколко плочи.Тъй като плочите са направени от  олово или са извлечени от оловни материали, тези акумулаторни батерии се наричат оловно-киселинни батерии. Разделени са на няколко клетки (най-често на 6 при автомобилните акумулаторни батерии) и във всяка клетка има няколко елемента на батерията, които са покрити с електролит.

Устройство на акумулатор Bosch

     Всички съставни части на батерията са събрани в кутия, която е разделена на шест отделения или клетки. На дъното на кутията има ребра, които са опора на плочите и по този начин може да се избегне възможността от късо съединение в акумулаторната батерия. Кутията е направена от полипропилен, втърден каучук и материали на пластмасова основа. Някои производители на акумулатори използват прозрачни кутии, които позволяват преглеждане нивото на електролита, без да е необходимо да се отвиват капачките на акумулатора. Този вид кутии обикновено имат  „upper” (горен) и „lower”(долен) маркери за нивото на електролита и се намират отстрани на кутията.

     Акумулаторните плочи са изработени от оловна сплав с процент примес на антимоний или калций. Конструирани са като тънка плоска мрежа, мрежи, които се пресича под прави ъгли или мрежи, които се пресичат по диагонал под различни ъгли , като по този начин се намалява вътрешното съпротивление. Мрежата предоставя необходимата рамка за полагане на активния материал върху плочите, като по този начин се получават положителни или отрицателни плочи. Активният материал на положително заредените плочи е червеникаво-кафяв оловен диоксид (PBO2), а на отрицателно заредените плочи е сивкаво гъбесто олово (PB).

     Ключът към работата на акумулаторнта батерия е клетката. Положителните и отрицателните плочи се свързват с различен оловен мост. Така направени, групираните положителни и отрицателни плочи се преплитат помежду си и се разделят една от друга с микропорести сепаратори. Събрани заедно, плочите и сепараторите, образуват една клетка на акумулаторната батерия. Плочите се групират по този начин, за да се увеличи площта между активните материали и електролита, по този начин се позволява отдаването на по-голямо количество електроенергия. С други думи, капацитетът на батерията се увеличава с увеличаването на площта на плочите. Повече площ на плочите – по-голям капацитет на батерията. Всяка клетка на акумулаторната батерия отдава 2,1 V (волта), независимо от количеството или размера на плочите. Те имат 6 свързани клетки, които отдават 12,6 V общо.

     Електролитът на акумулаторната батерия представлява смес от 36% сярна киселина(SO4) И 64% дестилирана вода (H2O). Напълно зареден акумулатор има гъстота (плътност) на електролита 1,27g/sm3 (при 20°C). Той действа като проводник за транспортиране на електрически йони между положителните и отрицателните плочи, когато акумулаторите се зареждат и разреждат. Киселината също така участва в процеса на разряд, като сулфатните йони реагират химически на електродите за производство на оловен сулфат.

     През последните години все повече се използват акумулаторни батерии, които не се нуждаят от доливане на вода през целия им живот при нормални условия на експлоатация, която технология води до удвояване живота на акумулатора от 2 до 4-5 години. В миналото решетките на акумулаторите са правени от сплав от олово с 10% от антимоний. Целта на антимония беше да се даде твърдост, тъй като чистото олово е прекалено меко само по себе си. За съжаление антимоният, разтворен в киселината, доведе до загуба на вода в акумулатора.

     С подобрения в технологиите за производство на акумулатори, съдържанието на антимоний е намалено от 10% до 1,5% и това намаляване е дало резултат в акумулатори, които са с ниска поддръжка, с необходимост от едногодишен преглед. Последното подобрение е използването на 0,1% от калций като втвърдяващ агент в решетките на мястото на антимоний, което причинява по-малко замърсяване на киселината и много понижаване загубата на вода, правейки акумулатора необслужваем, така че да не се нуждае от добавяне на вода по време на експлоатационния си живот.

Сравнение на загубата на вода между акумулатор с калций – хибриден – с антимоний

 

 

Загуба на вода при акумулаторите

ПРИНЦИП НА ДЕЙСТВИЕ

     Два електрода, които са свързани вътре в клетката с разтвор (електролит), са необходими за преобразуването на химичната реакция в електрическа енергия (галваничен процес). В заредено състояние, електродните плочи се състоят от олово и оловен диоксид. Положителните електроди са от оловен диоксид, а отрицателните  - от олово. Разредената сярна киселина образува електролита, който осигурява преминаването на йони между  плочите. Елекролита може да е течен, гелообразен или да е попит в абсорбираща стъклена вата, както е при AGM акумулаторните батерии.

     Когато акумулаторната батерия отдава електрически ток (когато се разрежда), отрицателно заредените сулфатни йони от сярната киселина се свързват с плочите. Двете плочи, положителните и отрицателните, постепенно се превръщат в оловен сулфат. Незаредените оловни атоми от оловната плоча се превръщат в двойни положително заредени йони, а предните четири пъти положително заредени оловни йони в оловния диоксид също са заредени положително два пъти.

    Оловната плоча електрохимически се окислява, докато плочата от оловен оксид  претърпява електрохимична редукция (от Pb4+ на Pb2+). За да може да се компенсира зареждащия градиент, електроните преминават от оловната плоча към плочата с оловен оксид. Акумулаторната батерия осигурява електрически ток.

Химична реакция при акумулаторите

VRLA акумулаторни батерии

     Акумулаторните батерии тип VRLA ( оловно-киселинни батерии с регулиращ клапан), известни още като затворени акумулаторни батерии или необслужваеми акумулатори, са вид оловно – киселинни презареждащи се батерии. Поради тяхната конструкция те могат да се монтират по всякакъв начин, в непроветливи стаи и не се нуждаят от постоянна подръжка. Има два типа VRLA акумулаторни батерии, с гел клетки и AGM (абсорбираща стъклена вата). В гел клетките се добавя кварцов прах към електролита, образувайки гъст гел подобен на маджун. Акумулаторните батерии с абсорбираща стъклена вата (AGM) се състоят от стъклофибърна мрежа между акумулаторните плочи. И двата типа акумулаторни батерии си имат предимства и недостатъци, в сравнение с конвекционалните акумулаторни батерии.

Устройство на VRLA акумулаторните батерии

     Оловно-киселинните клетки се състоят от две плочи направени от олово, които плуват в електролит, състоящ се от воден разтвор на сярна киселина с ниска концентрация ( обикновено около 29-32%).  Оловно – киселинните акумулаторни батерии се състоят от 6 клетки, свързани помежду си в една кутия. Акумулаторната батерия произвежда електричество като окислява оловните плочи и ги превръща в оловно-серен оксид, като същевременно увеличава киселиността на електролита.

     Когато батерията се зарежда, процесът се обръща – плочите отново стават от чисто олово и киселината се възстановява. Но този цикъл не е идеален и често се отделя водород от електролита, преди да се превърне във вода.За да се предотврати запалимият газ да достигне опасни нива, е необходима вентилация в акумулаторната батерия и в помещението, в което стои. Но ако се долее прекалено много електролит има опасност да излезе през вентилационния отвор и това създава проблем най-вече при транспортирането им.

     VRLA акумулаторните батерии се опитват да избегнат тези проблеми като обездвижват електролита. Това става като се заклещва водорода близо до плочите и по този начин винаги е на разположение отново да се комбинира с кислорода, когато акумулаторната батерия се зарежда. С това се намаляват загубите на вода през циклите на заряд/разряд и ги прави „необслужваеми“.

     Също така не позволява да се натрупа голямо количество водород , така че да се повиши налягането и да достигне опасни стойности, и акумулаторните батерии могат да бъдат напълно затворени, което им позволява и да се съхраняват и експлоатират по всякакъв начин, без да има опасност от разливане на електролит.При прекалено бързо презареждане, електролитът може да започне да ври и да покачи налягането в кутията, и това прави необходимо поставянето на еднопосочен регулиращ клапан (вентил), който се отваря когато  то се покачи.

     Но дори и при отворен клапан е невъзможно изтичането на електролит от акумулаторната батерия. Основният недостатък на VRLA  батериите е, че с намаляването на възможността да изтече електролит, се намалява и стартовия ток, който тя може да произведе чрез химичната реакция, в сравнение с обикновените акумулаторни батерии.

 

КОНСТРУКЦИЯ

 

     VRLA батериите имат клапан, който се отваря при определено налягане на водородния газ, основно поради зареждане при напрежение по – голямо от 14.4 волта. Отварянето на вентила позволява част от газа да излезе, намалявайки общия капацитет на акумулаторната батерия.  Клетъчните капаци обикновено имат газови дифузери, вградени в тях, които им позволяват безопасно да разпръскват излишъка от водороден газ, който може да се формира по време на презареждане.

     Те не са постоянно затворени, но са проектирани да бъдат необслужваеми. Не е необходимо акумулаторната батерия да е поставена по някакъв определен начин, както са обикновените оловно- киселинни батерии, които задължително трябва да са изправени, за да се избегне изтичане на електролит и плочите им да са в хоризонтално положение. Клетките на VRLA батериите могат да са направени от плоски плочи като обикновените акумулаторни батерии, или да са в спираловидна форма, образувайки цилиндрични клетки.

Клапан на VRLA батерия

 

 

клапан

 

 

1 – капак;

2 – мембрана;

3 – тяло;

4 – О пръстен;

5 – долна чашка;

 

 

капачка на обслужваем акумулатор

AGM акумулаторни батерии

Предимства

Няма разливане на киселина благодарение на AGM технологията;
Висока специфична мощност и ниско вътрешно съпротивление;
До 5 пъти по-бързо зареждане;
Повече цикли живот (заряд-разряд);
Издръжливост на вибрации;
Добри експлоатационни показатели при ниски температури;

 

 

Недостатъци

Висока производствена цена;
Чувствителни са при презареждане;
Капацитетът има постепенен спад;
Ниска специфична енергия;
Винаги трябва да се складират в напълно заредено състояние.

      AGM (Absorbent Glass Mat/ абсорбираща стъклена вата) технологията става известна през 80-те години като затворени оловно-киселинни батерии за военните самолети, автомобили и UPS системи, тъй като са с по ниско тегло и са по-надеждни. Електролитът се абсорбира от много тънък слой фибростъкло, което предотвратява изливането на киселина. Плочите им могат да бъдат направени плоски като на обикновените оловно-киселинни акумулаторни батерии, или навити в цилиндрична клетка.

     AGM акумулаторите имат много ниско вътрешно съпротивление, могат да подават голяма сила на тока за кратко време и предлагат сравнително дълъг експлоатационен живот. AGM батериите са необслужваеми, осигуряват добра надеждност и са по-леки, в сравнение с обикновените акумулаторни батерии. Имат добри показатели при експлоатация при ниски температури и нисък саморазряд.

    Главното преимущество на AGM акумулаторите е възможността да се зареждат 5 пъти по-бързо от обикновените акумулатори и могат да се използват като тягови акумулатори (да се разреждат продължителен период от време, без това да окаже влияние на експлоатационния им живот). Недостатъците им се изразяват в това, че имат по-ниска специфична енергия и по-висока производствена цена, в сравнение с оловно-киселинните батерии.

     AGM акумулаторни батерии обикновено се използват във висок клас автомобили, които имат голяма консумация на ток (като отопление на седалките, огледалата,  стъклата и др.) Nascar и други състезателни първенства предпочитат акумулаторите с AGM технология, тъй като са устойчиви на вибрации. И понеже са затворени, могат да се монтират под всякакъв ъгъл, без да се разлее киселина и акумулаторната батерия да дефектира.

     Повечето автомобили със Start-Stop система и микро хибридите са с AGM акумулатори. Обикновените акумулаторни батерии губят голяма част от капацитета си след по-малко от 2 години експлоатация в такива автомобили.

Неизправности в акумулаторните батерии

     Неизправности в акумулаторната батерия най-често възникват от небрежно или неправилно обслужване. Обратно, редовният контрол и поддържането й в заредено състояние могат да удължат експлоатационния срок на батерията с 1-2 години. Най-често срещани неизправности, които могат да настъпят през експлоатационния период са следните:

     Окисляване на полюсните накрайници на батерията – това е характерна неизправност, в резултат на която акумулатора няма достатъчно стартов ток, за да може да завърти стартера и се чува чукане в пусковото реле. В такъв случай се наблюдава чувствително намаляване на силата на светене на лампите на арматурното табло. Окисляването се предизвиква от попадане върху полюсите на електролит или пари на електролита, когато не са взети мерки срещу окисляването. Лошият контакт между полюсния накрайник и полюса на батерията увеличава преходното съпротивление на връзката.

     Лошият контакт може да бъде следствие от разхлабване на връзката или грубо почистване на полюса и на накрайника. Неизправността се отстранява чрез разхлабване на връзката, натискане на полюсния накрайник с ръка и завъртането му около оста няколко пъти в едната и другата посока. Силно окислени и ерозирали полюси се почистват внимателно с тънка пила или с фина шкурка. За да се предотврати окисляването, полюсите се намазват с технически вазелин или трансмисионно масло.

 

 

Окисляване на клемите – преди и след почистване

 

 

корозия на автомобилна клема

 

 

     Понижено ниво на електролита - Изпаряването на вода от електролита при експлоатация на батерията води до постепенно намаляване на нивото му и  атмосферният въздух получава достъп до плочите. Контактът на въздуха с отрицателните плочи причинява образуване на оловен хидроокис, който предизвиква нежелателно уплътняване на активната маса. В следствие на това се намалява количеството на активната маса в химичната реакция, а оттам и капацитетът на батерията. На оголените части на плочите се образуват големи, трудноразтворими кристали оловен сулфат, с което също се намалява капацитета на батерията. Нормалното ниво на електролита (10-15 мм над горната част на плочите), се поддържа чрез ежемесечни проверки (за акумулатори Ca-Ca и със сребърно покритие проверките се правят 2-3 пъти в годината) и при необходимост с доливане на дестилирана вода, тъй като в процеса на експлоатация се изпарява или разлага само водата.;

    Повишено саморазреждане на батерията - редовната експлоатация на батерията и нейното продължителното съхранение се съпровождат с постепенното й разреждане, дори ако към нея не са включени консуматори. Този процес е напълно нормален и се нарича саморазреждане. Когато при нормална експлоатация на автомобила, капацитетът на батерията бързо намалява, може да се очаква, че тя има повишено саморазреждане. Причината за възникването му може да бъде:

 - Вътрешно съединение между положителните и отрицателните плочи на батерията, в следствие на падналата активна маса;

 - Попадане на метални частици при доливане на вода в електролита;

 - Нееднаква плътност в различните слоеве на електролита, след доливане на вода и при неизползване на батерията, с което се създават разлики в потенциалите на различните точки на плочите и възникват изравнителни токове;

 - Пукнатини във вътрешните прегради на кутията, които могат да причинят свързване на електролита между два съседни клетки.

     Саморазреждането на батерията, причинено от вътрешно съединение, може да се открие чрез измерване на гъстотата на отделните клетки. Вътрешното съединение настъпва най-често в края на експлоатационния срок на батерията и тогава е най-разумно тя да се замени.

Сулфатизация на плочите

 

 

sulfatizaciq

    Сулфатизация на активната маса – образуването на трудно разтворими кристали от оловен сулфат на повърхността на плочите се нарича сулфатизация. Тя затруднява проникването на електролита в порите на активната маса, в следствие на което чувствително се намалява капацитета на батерията. Сулфатизацията най-често се наблюдава в края на експлоатационния срок, когато стартерът при заредена батерия завърта двигателя с много по-ниска честота на въртене.

     При неголяма сулфатизация на плочите, капацитетът може да се повиши, като батерията се зарежда с малък ток на зареждане по-продължително време. При това се следи и гъстотата на електролита. Зареждащите цикли в края на експлоатационния период трябва да бъдат по- чести.;

     Разрушаване на плочите – причините за разрушаване на плочите са свързани най-често с повишения ток на зареждане за продължително време. Големият ток на зареждане предизвиква натрупване на голямо количество водород и кислород в порите на активната маса. Налягането в порите се увеличава, плочата се разпуква частично и се наблюдава ускорено изпадане на активната маса. Поради по-малката механична якост на положителните плочи, те се разрушават чувствително по-бързо от отрицателните.

     Големият ток на зареждане предизвиква и кипене на батерията. То се познава по бързото намаляване  на нивото и изтичане на електролит от нея. Плочите се разрушават и при протичане на токове на късо съединение – при свързване на полюсите накъсо. Продължителното включване на стартера без задължителните в този случай паузи, също предизвиква разрушаване на плочите.;

     Късо съединение в някоя от клетките – тази неизправност се проявява най-често в края на експлоатационния период, когато с износването на активната маса, утайката достига долния край на плочите. При прекомерно разреждане на батерията, когато гъстотата спадне до 1,11-1,05 g/sm3, количеството на оловния сулфат може да нарасне дотолкова, че да повреди сепараторите в някои от клетките и да свърже накъсо положителната и отрицателната плоча.

     Показател за късото съединение в акумулатора е бързото му разреждане, т.е. малката гъстота на електролита. Във всички случаи на късо съединение, електролитът на повредената клетка е мътен. Късото съединение „подсказва“, че батерията трябва да се смени. Батерията се зарежда от токоизправител и времето за зареждане зависи изключително много от експлоатационния срок на батерията и не се нормира. Следи се само гъстотата на електролита. Зареждането трябва да стане само при отворени капачки на акумулатора.

     Експлоатационен срок на акумулаторните батерии - определени норми за срока на експлоатация на батериите не съществува, тъй като на практика се наблюдават чувствителни разлики. Съгласно предписанията на някои стандарти, минимален гаранционен срок се дава само при спазване на определени изисквания за техническото обслужване на батерията. Експлоатационния срок е свързан и с още няколко условия, като на първо място са интензивността на експлоатацията и некомпетентното използване. За батериите на личните автомобили у нас може да се приеме срок на експлоатация 3-6 години, в зависимост от пробега, техническото обслужване и качеството на батерията.

Оставете коментар